自行加榴炮平衡机设计

中北大学2009届本科毕业设计说明书1 绪论1.1选题背景随着科学技术的快速发展，现代战争对火炮，特别是对大口径自行火炮战技性能的要求越来越高，迫切需要大口径自行火炮在远程压制、精确打击和自身生存能力等方面较传统火炮有较大的提高。其中对大口径自行火炮具有更大的射程、实现自行火炮快速进入/撤出阵地，具备“打了就跑”的生存能力方面的要求尤为突出。1为了实现大口径自行火炮的远射程，现代大口径自行火炮的身管长度明显加大，由此带来了火炮设计中诸多新的矛盾。现代大口径自行火炮身管的不断加长，以及耳轴位置不断向炮尾方向的后移，使火炮起落部分相对于耳轴产生的重力矩明显加大。这样就为实现火炮全射角范围内起落部分的不平衡力矩尽可能小的目标带来了更大的难度，对平衡机的设计提出了更高的要求。 2为实现大口径自行火炮快速进入/撤出阵地，完成射击任务，“打了就跑”，以提高自身的生存能力，客观上要求大口径自行火炮的高低随动系统能快速、准确地完成高低调炮。为了实现随动系统快速、准确地进行高低调炮，一般情况下，可以单纯地采取增大随动系统功率来完成。但是考虑到大口径自行火炮电气系统有限的总功率，就必须首先考虑通过尽量减小不平衡力矩载荷来保证随动系统快速、准确地完成高低调炮功能。仅从以上两点可以明显看出，大口径自行火炮平衡机性能的好与坏，已经在很大程度上影响到自行火炮总体性能的充分发挥。如何有效地完成大口径自行火炮平衡机设计、保证平衡机具有良好的平衡性能，己逐渐成为制约大口径自行火炮总体性能提高的一大难题。国内新155毫米自行加榴炮是我军在二十一世纪的主要作战武器系统，具有相当先进的战技性能。为了使其具备较高的性能指标，在武器系统的方案论证阶段就对平衡机的设计给予了极大的关注，进行了相应深入的研究，形成了多种方案。其中推式弹簧平衡机凭借其优良的平衡性能而成为众多方案中的一种。本文就是针对国内在研的新155毫米自行加榴炮推式弹簧平衡机进行设计。1.2研究内容155毫米自行加榴炮推式弹簧平衡机是利用弹簧作为储能元件，火炮起落部分的俯仰运动和相对耳轴产生的重力矩传递给弹簧，以改变弹簧的长度，从而产生相应不同的平衡力矩，来实现其平衡功能。即推式弹簧平衡机是利用弹簧压缩产生的平衡力矩去平衡火炮起落部分的重量对耳轴产生的重力矩。本文的主要任务就是以155毫米自行加榴炮推式弹簧平衡机初始方案为研究对象，通过对推式弹簧平衡机进行深入的分析、合理地选择影响平衡机平衡性能的主要结构参数角度和进行优化设计，有效地减小不平衡力矩，提高平衡机的平衡性能，在全射角范围内，使火炮起落部分相对耳轴产生的重力矩曲线与平衡机的平衡力矩曲线更大限度地拟合，保证高低随动系统快速、准确地完成高低调炮功能。本论文共由六章组成。第一章为概述，重点介绍了本论文的选题背景、研究的内容和采用的方法以及研究途径。对155毫米自行加榴炮推式弹簧平衡机进行设计。第二章为平衡机的设计概述，重点系统地论述了平衡机的平衡机理、目前现有的各类平衡机的典型结构、平衡机设计的基本思路和方法，并介绍了在工程实践中对平衡机结构类型的选用原则。第三章为推式弹簧平衡机设计概述，详细、系统地介绍了推式弹簧平衡机设计的方法、思路和具体的步骤。第四章为平衡机的理论计算，通过对155毫米自行加榴炮推式弹簧平衡机的工作原理和结构进行详细的分析和计算，建立起了符合客观实际的推式弹簧平衡机数学模型。第五章为平衡机具体机构设计。在推式弹簧平衡机数学模型的基础上，按照平衡机设计的思想，对弹簧、内外筒、螺杆进行设计和确定尺寸。第六章为平衡机零件强度的验算。在确定尺寸的基础上，对推式弹簧平衡机的零件进行强度校核。1.3采用的方法、途径 推式弹簧平衡机结构参数优化是一个多参数的优化设计问题。本文将重点应用产品设计的思想，根据现有大口径自行火炮的总体设计方案和结构特点，认真分析推式弹簧平衡机原理和结构的特殊性，通过抓住影响推式弹簧平衡机平衡性能的主要矛盾，建立起符合实际的、科学的数学模型，以减小全射角范围内的不平衡力矩为目的，对推式弹簧平衡机进行合理的设计，得到结构参数匹配合理、符合自行炮总体要求的、平衡性能良好的推式弹簧平衡机结构参数匹配方案，使火炮起落部分相对于耳轴的重力矩曲线和平衡机平衡力矩曲线达到更大限度的拟合，改善和提高推式弹簧平衡机的平衡性能，有效地减小155毫米自行加榴炮推式弹簧平衡机全射角范围内的不平衡力矩，缓解火炮高低随动系统为实现快速、准确调炮而不断增大功率要求的突出矛盾，提高火炮随动系统的高低调炮速度和性能，缩短该火炮进入/撤出阵地的时间，增大该火炮在战斗中的自身生存能力。2 火炮平衡机设计2. 1平衡原理与平衡机结构随着现代火炮威力的日益提高，炮身增长，使得起落部分质心靠前。为了保证火炮射击稳定性，需要尽量降低火线高，增大后坐长;同时为了避免大仰角(射角)时炮尾后坐碰地，通常将火炮后坐部分向前布置。为了提高发射速率，在起落部分后端设有供弹、输弹等机构，以利于装填弹药，也需将炮身向前布置。这样，起落部分质心就位于耳轴前方，不能实现自然平衡。当自然平衡时，进行高低瞄准时，手轮力(或驱动电机力矩)只需克服起落部分的摩擦力矩。当不能自然平衡时，进行高低瞄准时，手轮力(或驱动电机力矩)不仅要克服起落部分的摩擦力矩，还要克服起落部分的重力矩。在将炮身打高时，手轮力很大，甚至无法进行高低瞄准。在将炮身打低时，由于瞄准机的自锁性要求，使得高低瞄准不平稳，甚至产生冲击。为了平衡起落部分重力矩，火炮设计中通常有两种平衡方式：l配置平衡，又称自重平衡，自然平衡。在起落部分耳轴后端炮尾或摇架上附加适量的配重。配重可用灌铅或能调整质量的铅板。结构简单，易于实现完全平衡。载体(车、船)的颠簸、摇摆运动对这种平衡的影响小，高低机手轮力不致变化太大。广泛用在自行炮、坦克炮和舰炮上。缺点是使起落部分质量增加。2外力平衡，又称平衡机平衡。用专门设计的平衡机所产生的拉力或推力来达到平衡的方法。与配重平衡相比，平衡机质量小，但结构较复杂，主要用于各种牵引式地面炮。平衡原理是设计火炮的平衡装置所依据的假设和基本理论。图2. 1为最简化的平衡机平衡原理简图。为了讨论的方便，进行了如下的假设：(1)把起落部分视作一绕耳轴中心回转的刚性梁；(2)起落部分的质心任何时候均处于通过耳轴中心并与炮膛或发射装置定向器轴线平行的直线上；(3)起落部分的质心任何时候距耳轴中心的位置不变；(4)起落部分质量不变。根据以上假设，得平衡力矩间的关系(见图2. 1)：图2. 1平衡原理简图起落部分重力矩： （式2.1）平衡机平衡力矩： （式2.2）式中： 作用在起落部分的重力: 起落部分质心距耳轴中心距离(仰角为0时): 仰角; 平衡机力; 平衡机力作用点距耳轴中心距离; 平衡机力作用方向与通过耳轴中心且平行于炮膛轴线的直线的夹角。 可知，起落部分重力矩M。是随仰角w的余弦函数值而变化的;平衡机平衡力矩M则随夹角a的正弦函数值和平衡机作用力而变化，与平衡机型式结构及安装位置有关。起落部分重力矩与平衡机的平衡力矩之差的绝对值称为不平衡力矩，它是计算高低机手轮力或高低传动装置输出扭矩的主要考虑因素 (还包括高低传动系统的摩擦力矩)。因此不平衡力矩要限制在一定范围内。根据不平衡力矩的情况有：1完会平衡：在仰角范围内，任何仰角处不平衡力矩均等于零的平衡。要设计此种平衡机是困难的，实践中一般规定在仰角范围内不平衡力矩的最大值不超过某一规定值。 2三点平衡：在仰角范围内，有三个仰角处不平衡力矩等于零的平衡。 3两点平衡：在仰角范围内，有两个仰角处不平衡力矩等于零的平衡，三点平衡和两点平衡均可称为不完全平衡。 平衡机是一种平衡某些火炮起落部分的重力矩，使俯仰操作或动力传动轻便、平稳的装置。绝大多数火炮受总体结构布置的限制，起落部分的质心不可能与耳轴中心重合，一般均位于耳轴前方某处，形成对耳轴中心的重力矩。平衡机的功能就是提供一个与重力矩大小大约相等、变化规律相似、方向相反的力矩，以减小高低机手轮力和动力传动扭矩，以保证操作高低机时，打高轻便，打低平稳。平衡机一端铰接于上架或托架上，一端直接或通过挠性体(如链条、钢缆等)与起落部分连接。根据总体要求，平衡机一般制成单件装于上架或托架一侧或两件对称装于两侧。根据产生平衡机力的弹性元件不同，分为弹簧式、气压式、气液式和弹簧液体式。按平衡机对起落部分施力情况的不同分为拉式平衡机(即对起落部分的作用力为拉力的平衡机，见图2.2)和推式平衡机(即对起落部分的作用力为推力的平衡机，见图2.3)。具有平衡机和高低机双重功能的装置称为高低平衡机。此外，还有变行程平衡机和考虑起落部分质心位置变化因素的万能平衡机。图2.2 拉式平衡机图2. 3推式平衡机弹簧式平衡机是由弹簧提供平衡力矩的平衡装置(见图2.4)。按所用弹簧类型不同分为螺旋弹簧和扭杆弹簧两类。螺旋弹簧又分为圆柱螺旋弹簧式平衡机和平面涡卷弹簧式平衡机。圆柱螺旋弹簧式平衡机，随仰角的增大(或减小)，弹簧压缩量相应减小(或增大)，平衡机即可向起落部分提供一随仰角而变化的平衡力矩。此类平衡机结构简单，不受气温变化影响，便于维修，应用较广。有拉式和推式二种。拉式的随施力方向和施力点位置不同又有上拉式和下拉式之分。平面涡卷弹簧式平衡机，平面涡卷弹簧的一端与上架相连，另一端通过与链鼓连接的轴、链拉杆与起落部分相连。炮身俯仰时，弹簧旋紧程度相应改变，并通过曲臂、连杆等中间构件向起落部分提供一随仰角而改变的平衡力矩。图2.4 弹簧式平衡机杆弹簧平衡机是由弹性杆件的扭转变形产生平衡力矩的平衡装置。弹性杆件可以是圆截面的整体式扭杆弹簧或多层叠板式扭杆弹簧。扭杆弹簧的一端固定连接于上架，另一端通过中间构件(如连杆机构)与起落部分铰连。起落部分俯仰时，通过连杆机构使扭力杆弹簧两端产生相对转动，扭转变形随仰角的变化而改变，并通过中间机构向起落部分提供一个随仰角而变化的平衡力矩。为缩短扭杆弹簧的轴向尺寸，可与扭力筒串联使用，而成为扭杆一扭筒式平衡机，此类平衡机结构紧凑，维修简单，寿命较长。另外还有扭杆为多件平行并连的结构，构造较复杂但传递扭矩较大。气压式平衡机是由被压缩的气体产生平衡力矩的平衡装置(见图2.5)。由活塞、外筒、紧塞装置及开闭器、补偿器等组成。外筒和活塞杆用球轴或铰链与上架及摇架铰接。筒内充有高压气体(空气或氮气)，用紧塞装置和液体进行密封。起落部分俯仰时，活塞杆与外筒相对移动，筒内容积及气体压强随仰角而改变。气体压力通过活塞杆连接点作用在起落部分上，对耳轴形成一个平衡力矩，用以平衡起落部分重力矩，这种平衡机体积小，重量轻，但密封气体的紧塞装置摩擦阻力大且气体压强易受环境温度影响，通常要用温度补偿器，维护较麻烦。如果需用两个气压式平衡机时，常左右对称布置，且用导管连通，以使两者工作压力相同。图2.5 气压式平衡机 液体气压式平衡机是利用压缩气体作储能介质，由液体传递和气体压力产生平衡力矩的平衡机(见图2.6)。主体部分装于火炮上架与摇架间，包括接续器、活塞杆、活塞、缸体、液压室、气压室及密封环等。置于上架附近的其它部件有柔性软管与蓄力器(按需要设置一个或多个)。柔性软管一端与接续器液体入口连接，另一端通到蓄力器。蓄力器上部为压缩空气。摇架仰角增大时，气压室容积增大，压力下降，油液在蓄力器压缩空气作用下经柔性软管、接续器、活塞杆、活塞流入液压室，此时压缩空气