某舰炮独立抽筒机构与炮闩运动匹配性分析

苏执阳，姚 忠，汪永忠，康总宽

(1.海军装备部 军械装备局，北京 100841；2.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)



某舰炮独立抽筒机构与炮闩运动匹配性分析

苏执阳1，姚 忠2，汪永忠2，康总宽2

(1.海军装备部 军械装备局，北京 100841；2.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

根据某舰炮故障排除和结构改进要求，针对独立抽筒机构与炮闩运动匹配性问题，建立了计算模型；得出了复进抽筒过程中抽筒子转角与转速随炮身复进位移和复进时间的变化曲线，以及复进开闩过程中炮闩位移与速度随炮身复进位移和复进时间的变化曲线；分析了抽筒子与炮闩在挂闩过程中相对位置和相对时间的匹配性，从空间位置和时序角度来说，能实现可靠挂闩。分析结果能够为舰炮维修保障、结构改进提供技术支撑。

抽筒机构；炮闩；运动匹配性；开闩；挂闩

大口径火炮的炮闩与抽筒机构，在射击过程中完成闭锁、击发、开闩、抽筒、关闩等动作循环[1-2]，是火炮发射系统的重要组成部分。某大口径舰炮为了满足钢质药筒抽筒力大、抽筒速度高的要求，复进过程中开闩机构与抽筒机构在炮身的带动下各自独立动作，抽筒机构完全独立于开闩机构，可视为两自由度运动系统。抽筒子和炮闩的运动匹配，是实现可靠开闩、抽筒，避免提前关闩，保证舰炮自动化、高速射击的必要条件。

笔者结合某大口径舰炮提前关闩故障排除，以其抽筒子和炮闩为研究对象，对复进过程中二者的运动匹配性进行了分析，验证了结构改进的合理性，可为新型舰炮研发提供技术借鉴。

1 挂闩过程

引入挂闩的概念，描述抽筒子对炮闩运动的阻止作用，并使其保持在开闩状态。某舰炮开闩机构和抽筒机构安装在炮身上，对应的抽筒模板和开闩模板安装在摇架上，炮身复进过程中，开闩到挂闩的实现步骤如下：

1)炮身复进过程中，炮闩首先在开闩机构的带动下向下运动。

2)炮身复进到一定位置时，左、右抽筒杠杆分别撞击左、右抽筒模板，驱动左、右抽筒子转动，向后抽出药筒。

3)在抽筒模板型面和弹簧的作用下，左、右抽筒子紧贴炮尾限位面，稳定在该位置。

4)随着炮身继续复进，炮闩在关闩弹簧力的作用下开始上升。

5)炮闩在上升过程中撞击左、右抽筒子的挂钩，挂钩卡住炮闩上的左、右挂块，阻止其继续运动，实现挂闩，为弹药装填让开通道。

抽筒子与炮闩的相对运动如图1所示。

2 提前关闩故障及对策

某舰炮在射击过程中出现提前关闩故障[3]，对故障进行分析后，排除了炮身复进过程中开闩不到位、炮闩运动与抽筒子转动时序不协调、炮身复进到位撞击引发故障的可能性。导致提前关闩故障产生的原因确定为抽筒子挂钩与炮闩挂块作用不可靠。抽筒终了时，抽筒子撞击炮尾限位面，以及挂闩时炮闩撞击抽筒子，都会使抽筒子产生反弹，抽筒子偏角增大到一定程度时，抽筒子挂钩与炮闩挂块分离，导致提前关闩。

原结构仅靠抽筒杠杆和压栓弹簧力产生阻止抽筒子反弹的稳定力矩。随着舰炮射击次数增加，压栓弹簧出现一定程度疲劳变形，导致压栓弹簧力减小，最终引发提前关闩故障。考虑到开闩机构与抽筒机构为两自由度运动系统，提出采用强制挂闩措施解决提前关闩故障。该措施适当加长了抽筒模板接触面长度，在炮闩撞击抽筒子之前，依靠抽筒模板型面强制将抽筒子约束在挂闩位置，从而消除了压栓弹簧力减小引发的抽筒子反弹过大。

加长抽筒模板接触面长度，改变了原有的炮闩与抽筒子运动状态，需要通过计算挂闩过程中抽筒子与炮闩的相对运动关系，验证独立抽筒机构与炮闩的运动匹配性。

3 计算模型建立

3.1 基本假设

为保证挂闩可靠性，抽筒子与炮闩的运动有明确的顺序，鉴于舰炮射击过程中，受到撞击反弹、射击振动等随机因素[4]的影响，实际工况较为复杂[5]，提出如下基本假设：

1)摇架固定不动，即摇架不随炮身运动而振动。

2)抽筒子在挂闩过程中视为刚体，不考虑抽筒子与炮尾限位面撞击时的弹性变形。

3)考虑挂闩过程，只分析炮身从最大后坐位移处复进开始到复进终了的过程。

4)舰炮在常温工况射击。

3.2 计算模型

挂闩的实现源于抽筒子阻挡炮闩的向上运动、并使之固定在特定位置，因此，挂闩动作匹配性本质上是炮闩和抽筒子运动到位时，各自位置的时空相互关系。抽筒子的动力来源于抽筒杠杆与抽筒模板的相对运动；炮闩的动力来源于开闩曲臂与开闩模板的相对运动。独立抽筒机构与炮闩运动匹配性分析，涉及到开闩、抽筒和挂闩3个过程的相互耦合，进行联合求解后可得到挂闩过程中抽筒子和炮闩的相对时序和相对空间位置关系。

根据经典动力学理论,建立的炮身复进运动微分方程为

(1)

式中：t为复进时间；v为复进速度；x为炮身位移；Rf为复进合力；mf为炮身复进广义质量。

炮闩开闩过程的广义运动微分方程为

(2)

式中：xs为炮闩开闩位移；vs为炮闩开闩速度；Fsz为开闩合力；msz为炮闩广义质量。

抽筒过程广义运动微分方程为

(3)

式中：φ为抽筒杠杆转角； ω为抽筒杠杆转速；Fc为作用于抽筒杠杆的广义力；mcz为抽筒杠杆的广义质量。

挂闩过程广义运动微分方程为

(4)

式中：xs1为炮闩向上运动位移；vs1为炮闩向上运动速度；Fsz1为开闩合力。

4 运动匹配性分析

在挂闩过程中，直接完成挂闩动作为抽筒子和炮闩。为了获取挂闩过程中抽筒子与炮闩运动的时空关系，采用四阶龙格库塔法对式(1)～(4)进行耦合求解。开闩与抽筒过程由炮身复进提供动力，在求解炮身复进位移与复进时间的基础上进行开闩、抽筒与挂闩的计算。式(1)解得复进过程中炮身位移与速度曲线，如图2和图3所示。对建立的计算模型进行求解后，分别以炮身复进位移和炮身复进时间为横轴，可获得炮闩位移、抽筒子转角之间的相对关系，以及炮闩速度、抽筒子转速之间的相对关系。图4为以炮身复进位移为横轴，炮闩位移、抽筒子转角之间的相对关系；图5为以炮身复进位移为横轴，炮闩速度、抽筒子转速之间的相对关系；图6为以炮身复进时间为横轴，炮闩位移、抽筒子转角之间的相对关系；图7为以炮身复进时间为横轴，炮闩速度、抽筒子转速之间的相对关系。

由计算得到的曲线图可以看出，抽筒子撞击炮尾限位面时速度降为0，此时炮闩处于开闩状态，尚未向挂闩位置运动，以Δx表示抽筒子到达炮尾限位面时，炮闩距挂闩位置的距离，则Δx=20.7 mm。图4和图5的0点为炮身复进到位后的位置，因此，复进过程在图中横坐标上从右向左表示。抽筒子撞击炮尾限位面时，炮闩运动在时序上滞后于抽筒子，以Δt表示抽筒子到炮尾限位面比炮闩到达挂闩位置提前的时间，则Δt=0.055 9 s，如图6、7所示。

计算结果表明，挂闩过程中，抽筒子与炮闩的相对运动距离和时间满足挂闩可靠性要求。从曲线中可以看出，炮闩开闩到位后向上运动，撞击抽筒子后速度减为0，实现挂闩；加长抽筒模板接触面使得抽筒子与炮闩在相互接触后被强制保持在固定位置，直至复进结束。对采取的技术措施进行试验验证后，证明抽筒子能够可靠挂住炮闩，没有再发生提前关闩故障。

5 结束语

对某舰炮独立抽筒机构和炮闩在挂闩过程中的运动匹配性进行了分析，建立了挂闩过程计算模型；计算了挂闩过程中抽筒子和炮闩运动到位的相

对时间和相对位置，结果表明，抽筒模板结构改进后，抽筒子和炮闩的运动匹配性良好，能实现可靠挂闩，可有效解决提前关闩故障。挂闩过程中抽筒子和炮闩运动匹配性的计算，可为后续舰炮维修保障、相关改进和研发提供技术借鉴。

References)

[1]付帅. 某火炮炮闩机构动态特性有限元分析[J]. 机械科学与技术，2015，34(3)：361-365. FU Shuai.Finite element analysis on dynamic characteristics of artillery’s breech mechanism[J].Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2015，34(3)：361-365.(in Chinese)

[2]张建，唐文献，徐省省，等. 火炮炮闩抽筒子结构优化设计[J]. 兵工学报，2012，33(6)：647-651. ZHANG Jian，TANG Wenxian，XU Xingxing，et al. Structural optimization design for breechblock extractor[J]. Acta Armamentarii，2012，33(6)：647-651. (in Chinese)

[3]邵中年，郑刚，张永波. 火炮提前关闩问题研究及改进[J]. 火炮发射与控制学报，2014，35(2)：70-72. SHAO Zhongnian，ZHENG Gang，ZHANG Yongbo. Research and improvement on early closing breechblock problem of the gun[J]. Journal of Gun Launch & Control，2014，35(2)：70-72. (in Chinese)

[4]张金忠，丛孟凯，张双喜，等. 125 mm坦克炮炮闩抽筒装置故障仿真分析[J]. 火力与指挥控制，2012，37(7)：155-156. ZHANG Jinzhong，CONG Mengkai，ZHANG Shuangxi，et al. Research on failure analysis based on simulation about 125 mm tank gun breechblock extractor mechanism[J]. Fire Control & Command Control，2012，37(7)：155-156. (in Chinese)

[5]谭波，侯健，可学为，等. 舰炮抽壳机构抽壳过程仿真分析[J]. 火炮发射与控制学报，2014，35(4)：49-52. TAN Bo，HOU Jian，KE Xuewei，et al. Simulation analysis of naval gun extractor mechanism in process of cartridge case extraction[J]. Journal of Gun Launch & Control，2014，35(4)：49-52. (in Chinese)

Analysis on the Motion Matching of Naval Gun Independent Extractor Mechanism and Breech Mechanism

SU Zhiyang1, YAO Zhong2, WANG Yongzhong2, KANG Zongkuan2

(1.Ordnance Equipment Bureau，Naval Equipment Department, Beijing 100841,China；2.Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, Shaanxi, China)

According to the requirement of improving trouble shooting and structure, and aimed at the motion matching of naval gun independent extractor mechanism and breech mechanism, the calculation model of extractor and breech mechanism was established. The changing graph of complex displacement and complex time of extractor diversion and rotation rate was obtained together with that of the breechblock displacement and velocity following the body of the gun. An analysis was made of the matching of the relative position and relative time about independent extractor mechanism and breech mechanism in breechlock catching. The analysis results showed it was reliable and effective for breechlock catching from the perspective of spatial locations and time order. The analytical results are significant for the maintenance and technological improvement of the naval gun.

extractor mechanism; breech mechanism; motion matching; breechlock opening; breechlock catching

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.016

2016-07-15

苏执阳(1973—)，男，工程师，主要从事舰炮装备管理与武器系统技术研究。E-mail：lglily1978@163.com

TJ762

A

1673-6524(2016)04-0073-04