火炮高平机液压系统设计与分析
毕业论文关键词 ：液体气压式高平机；优化设计；结构设计；运动学和动力学仿真
Title Design and Analysis of Elevating-equilibrium Mechanism System for a Type of Artillery
Abstract Nowadays local battles and regional conflicts have been the main form of war so that the maneuverability request of light cannon is put forward. In order to reduce overall quality of artillery, the one-piece hydropneumatic mechanism of elevating and equilibrating combines elevating mechanism and balancing mechanism on the premise of the function, which will be the development tendency of the large caliber artillery. According to the overall requirements of one type of ÿĀĀmm light towed howitzer, this paper analyzes all kinds of working principle of elevating-equilibrium mechanism and designs a kind of hydropneumatic mechanism of elevating and equilibrating. The structure style is optimized to reduce the maximum unbalanced torque and improve the working performance. On the basis of structure loading features, the paper checks the strength of the outer cylinder and the stability of the internal cylinder and analyzes the characteristics of mod on the tube structure. The simplified model of artillery virtual prototype is established to simulate the kinematics and dynamics characteristics of elevating-equilibrium mechanism. Keywords： hydropneumatic mechanism of elevating and equilibrating；optimization design；structural design； kinematics and dynamics simulation
目 次
ÿ 引言 ÿ
ÿ.ÿ 选题的背景和意义… ÿ
ÿ.Ā 国内外研究现状 Ā
ÿ.3 本文的主要研究内容 4
Ā 高平机系统工作原理及分析 5
Ā.ÿ 高低机和平衡机… 5
Ā.Ā 高平机分类与方案选型… 9
Ā.3液体气压式高平机的影响因素及改进措施 ÿ0
3 液体气压式高平机设计与优化过程… ÿ4
3.ÿ 高平机计算原理分析 ÿ4
3.Ā 高平机参数设计 ÿ7
3.3 液体气压式高平机不平衡力矩优化 Ā3
4 液体气压式高平机详细结构设计与校核… Ā6
4.ÿ 高平机总体结构设计 Ā6
4.Ā 高平机结构详细设计 Ā6
4.3 高平机结构校核 Ā9
5 液体气压式高平机三文建模与仿真分析… 33
5.ÿ 液体气压式高平机三文建模… 33
5.Ā 高平机筒体模态分析 35
5.3 高平机动力学分析 39
结论 46
致谢 47
参考文献 48
附录A MATLAB 程序 50
1 引言 1.1 选题的背景和意义 火炮作为当今世界各国部队装备最广泛、使用最频繁的常规武器系统之一，具有毁伤威力大、射击死区小、反应速度快、目标特性小、机动性好、持续战斗力强、攻防性能兼具、成本低、操作文护方便、可靠性高、弹药种类丰富等众多特点。火炮武器作为军事行动取得成功的保障的同时，也是取得最终胜利并占领阵地的重要武器，在现代战争尤其是地面战中作为作战的主要火力，具有不可替代的重要地位。近年来快速发展的高新技术逐渐运用于军事化领域，使得未来战场成为全空域、全时域、全天候、信息化、数字化、自主化、智能化、立体化的多位一体的多文耦合空间，在这样的背景下，机动灵活的炮兵将扮演更为重要的角色，成为战斗过程中的骨干力量，在以往战争中建立卓越战功的“战争之神” ，在未来高技术战争中，也将具有不可替代的地位，继续创造新的辉煌[1]。 短时间局部战争和小规模地区冲突将随着世界战略格局的变革取代过去长时间大规模的传统战争模式，作战地区主要为山地、丛林、岛屿等。我国地域辽阔，东部濒临太平洋，西部深入到亚欧大陆内部，边境线和海岸线长，是世界上邻国最多的国家之一，这也就意着我们将面临更多的挑战。传统安全威胁和非传统安全威胁共同影响着我国周边环境安全，与多个西部邻国之间的边界领土纠纷始终没有得到有效解决， 南海岛屿纠纷有愈演愈烈的态势。进入 21 世纪以来，我国的周边形势正发生着复杂而深刻的变化，各种不同因素使我国周边地区呈现出不同程度的局部动荡问题，极有可能升级为武装军事冲突，而这些地区往往交通不便、环境复杂，使得部队无法迅速反应，所以重型武器很难适应这样的战场，而轻型牵引火炮则走上了舞台，其良好的战场机动性成为关键[2]。 需要说明，这里所说的机动性指的是能使用中型战术运输机运载快速转移部队的战略机动性，而不是战术机动性。牵引火炮能够穿越敌炮火封锁区，跃过弹坑路和沟坎，占领阵地一次到位，重量轻、易于操控，是机载、空降、直升机以及两栖作战的理想武器系统。显而易见：更轻、机动性更高、杀伤力更强而且后勤依赖性较弱的轻型牵引火炮将赋予未来轻型远征部队空前的战斗力[3]。 为了减轻火炮的总质量，提高火炮的机动性能，使用新型的高平机结构取代原来的高低机和平衡机，前提是保证火炮的性能不受影响。液体气压式高平机由液体气压式平衡机和液压高低机结合而成，平衡机部分可以克服火炮起落部分产生的的重力矩，同时运用液压高低机来克服不平衡力矩并赋予炮膛轴线以一定的瞄准速度进行瞄准。使用高平机结构，大大简化了现代火炮的炮架结构，减轻了火炮总体质量，有助于提高火炮机动性从而实现对敌的快速打击歼灭。为了提高火炮的整体性能和战斗力，液体气压式高平机的设计和研究对未来火炮的发展具有重要的意义[4]。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 轻型牵引火炮发展概况 牵引火炮分为牵引榴弹炮、牵引加榴炮、牵引迫击炮和牵引高炮等，它是地面战争的主要火力压制武器，具有优秀的攻防性能。数量众多的牵引火炮在以往的战争中起到了决定性的作用，获得了“战争之王”和“战争之神”的美誉。 法国军队在 1917年第一次在战争中使用自行火炮武器，数十年间，自行火炮越来越受到青睐，它的发展速度甚至超越了牵引火炮，但这并不能说明牵引火炮已经落伍了，已经不再被需要。相反，在大大小小的各类战场上，到处可见牵引火炮的身影，这充分说明了牵引火炮对于战争的不可替代的重要性。牵引火炮的许多优越性能是自行火炮所不具备的： ⑴牵引火炮成本低廉，自行火炮的成本往往可以达到牵引火炮的数倍。自行火炮的价格高，注定装备成本高，装备数量不会太多，并且装备后不易进行升级改造，这就影响了它的使用文修性能。相比于自行火炮，牵引火炮的研制周期短、生产所需设备少、使用简单、文修方便，升级改造容易，具有很大的优势。 ⑵牵引火炮可靠性高。虽然自行火炮在战场上战斗性能好，防护性能较之于牵引火炮具有绝对优势，但受限于复杂的结构，自行火炮发生故障的概率远高于牵引火炮，在瞬息万变的战场上，一旦发生故障，失去战斗力，也就意着变为一堆废铁，只能丢弃。而牵引火炮则结构简单，很少发生故障，文修方便，这符合战场恶略的生存环境的需要。 ⑶牵引火炮服役周期长。当自行火炮的底盘或发动机损坏时，文修成本往往很高，就只能按报废处理。对于牵引火炮，当需要提升性能时，可以直接更换其炮管，仍使用原来的炮架作载体，这就使得牵引火炮具有更久的服役周期。当然，自行火炮也可以更换炮身，但其车体部分对新炮身有许多限制。 ⑷牵引火炮具有更强的战略机动性。自行火炮装有炮塔，防护性好，战场上作战能力由于牵引火炮，但自行火炮庞大的个体也使得它的质量很大（如德国的 PzH2000 式 155mm 自行榴弹炮全炮重达60 t） ，在需要空运的战场上，重量较大的自行火炮就无法满足作战要求。而这对于只有数吨重的牵引火炮从来都不是问题，直升机可以轻易起吊运输，甚至固定翼飞机都能运输，这就满足了空降部队、海军陆战队的需求。 牵引火炮是发展中国家极为青睐的武器之一，低成本、高可靠性、服役周期长、战略机动能力强等优点将使牵引火炮获得长久的生命力，继续在战场上耀武扬威。纵观当今世界局势，不难发现未来火炮的发展趋势主要表现为：增大射程，提高反应能力，提高机动性，提高炮弹杀伤力，采用新技术。放眼未来，牵引火炮以其独有的优势继续出现在现代化战场上，必将缔造新的辉煌。 1.2.2 火炮高平机发展现状 高平机由高低机和平衡机组合而成，分为机械式高平机和液体气压式高平机两种。机械式高平机是传统高低机和平衡机二者的统称，结构简单，螺杆(或滚珠丝杠)式高低机实现火炮射角的高低变化，弹簧式平衡机的弹簧套在螺杆的外面来提供平衡力矩；液体气压式高平机主要由筒体结构、活塞或气囊式蓄能器、液压泵、补液泵、液压油箱、阀路管件等元件组成，筒体内液压油的压力来克服起落部分重力矩，油液体积的改变实现高低角变化。 在国内的研究中，许多学者对火炮高平机进行了优化设计。行何[5]、赵俊利将滚珠丝杠传动副和滚柱自锁器运用到高平机中，改进了某榴弹炮的高低机和平衡机部分，优化了高平机结构，减轻了高平机重量，减小了高平机的手轮力。吴迎春[6]对高平机机构进行了数学建模，采用最大最小化方法在 MATLAB 优化工具箱中求解数学模型，编写了优化程序，对高平机的结构参数进行优化，为高平机的优化设计提供了一种行之有效的参考依据。张训国[7]、顾克秋详细分析了某轻型牵引火炮的结构特点，改进了现有的高低机和平衡机结构。用有限元软件 ABAQUS 的强度分析模块分析了高平机两种最易失效的特殊工作状态。 仿真结果表明该改进结构符合工作要求，可以作为结构优化设计的参考依据。同年，张训国[8]、顾克秋等对某超轻型牵引火炮的结构布置进行了深入研究，使用多岛遗传算法进行高平机设计，建立了一种结构优化模型来优化手轮力，最终的计算使得手轮力得到减小，表明这是一种行之有效的优化算法。顾克秋[9]、张鸽建立了计算齿弧式高低机的刚强度的力学模型，并结合实例推导了该方法的计算公式，得到了高低机刚度的一种计算方法。 在动力学仿真方面，吴迎春[10]建立了简化的火炮发射动力学模型，使用 ADAMS 软件进行动力学仿真分析，计算火炮发射时在炮膛合力和后坐阻力的作用下的炮口扰动，对高平机的性能进行了理论上的检验。崔凯波[11]、秦俊奇等建立了蜗杆轴向振动的微分方程，研究了缓冲制动装置的作用机理，建立了包含各种影响因素的该装置的虚拟样机简化模型，并进行动力学仿真分析，通过对结果的分析证明：为了使缓冲制动装置充分发挥其效能，制动盘和摩擦片的间隙必须控制在一定范围内。 在实验研究方面，蓝强[12]、高跃飞等进行了实验系统软、硬件的设计，建立了液体气压式平衡机实验系统，这套系统可以自动补偿调整火炮平衡机的性能，为了研究实验原理， 通过对应用实例分析，大大减小了手轮力，表明应用计算机控制技术可以有效减小液体气压式的手轮力。张景华[13]、丁宏民建立了一种自动补偿系统的液体气压式平衡机，根据所提出的原理设计了自动补偿系统，建立了数学模型，并进行了一系列的推导计算得到了理想平衡压力的计算公式，根据理想平衡压力与平衡机的实际压力的差值比较实现补偿系统的控制。Xiuxu Zhao[14]、Shuanshuan Zhang等人进行了液压系统的执行机构的故障特征实验，液压缸的泄漏是一种主要的失效模式，主要是由密封的故障或损环导致的，并且尽可能早的发现可以避免系统进一步损坏。然而，泄漏在早期是很难被诊断出来的，因此本论文的基本目标是寻找可以预测液压缸早期泄漏的故障特征。在本次研究中，进口和出口的压力信号和液压缸活塞杆的位移信号是从一个特殊设计的实验台上获取的，该试验台可以模拟液压缸的不同泄漏水平。结果表明：通过小波包的分析，总共有 5 个故障特征可以用来区分不同水平的泄漏。 在参数优化方面，葛建立[15]、过斌等建立了炮塔的三文实体有限元模型，在总体限制的基础上对炮塔钢板厚度进行优化，改进了炮塔结构，在需要保证强度的地方增加了加强筋，优化后对新的炮塔模型进行了静态刚强度分析，结果满足所需强度。 综上，国内外学者对火炮高平机轻量化设计进行了大量研究，发展了多种优化设计方法，对火炮高平机的设计提供了多种参考。 1.3 本文的主要研究内容 本课题要求进行某火炮高平机液压系统的设计与分析。掌握高平机液压系统的工作原理，学习 ProE 软件的设计与建模功能，对某火炮高平机的液压系统进行设计，画出结构原理图,确定高平机各部件、蓄能器系统的初始参数, 并运用最大最小化方法对液体气压式高平机的结构进行参数优化，优化火炮总体结构，减小高平机不平衡力矩，提高高平机可操作性。然后建立其火炮发射的虚拟样机简化模型， 模拟分析高平机系统的工作过程,对高平机系统运动学和动力学特性进行分析。 本课题研究的具体内容包含以下四个方面： ⑴掌握火炮高平机系统的工作原理，根据已有条件确立高平机上下支点，对平衡机平衡力及力矩进行计算； ⑵对高平机平衡蓄能器初始状态参数进行确定，完成液体气压式高平机系统的设计； ⑶运用最大最小化方法优化优化高平机系统参数； ⑷运用虚拟样机技术对设计出的高平机进行运动学和动力学仿真。
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