坦克炮铸造炮塔塔体结构设计

目 录1 绪 论1.1 选题的目的和意义1.2 炮塔的定义1.3 炮塔的功用1.4 坦克炮塔的工作环境与设计要求1.5 炮塔的主要类型1.6 炮塔的发展趋势1.7 本课题设计研究的内容2 炮塔总体方案分析2.1 炮塔结构的特点与总体要求2.2 炮塔的结构构组成2.2.1 炮塔体2.2.2 填装手门2.2.3 炮长门2.2.4 座圈3 炮塔塔体设计3.1 塔本体设计3.1.1 穿甲现象和抗弹能力3.1.2 炮塔装甲抗弹能力计算3.1.3 炮塔塔体的相关设计3.2 炮塔顶板设计3.3 炮塔底板设计3.4 耳轴设计3.4.1 耳轴的强度校核3.4.2 耳轴相关尺寸的确定3.5 其他设计3.6 塔顶、底板与塔体焊接形式4 填装手门设计4.1 底座设计4.2 门盖设计4.3 门道（也叫高射机枪架）设计5 炮塔质量计算5.1 炮塔塔体质量计算5.2 装填手门质量计算5.3 炮塔总质量估算6 铸造炮塔的优缺点分析参考文献1 绪 论1.1 选题的目的和意义在21世纪高技术战争中，不论出现什么样的新式武器，战争形式如何变化，集火力，机动，防护和指挥控制于一体的坦克，仍然是地面战争的主要突出兵器，是夺取地面战争最后胜利和巩固战斗的核心力量。坦克作为陆军的主战装备和常规威慑力量，具有其他武器不可替代的作用。它可以在各种复杂的地形和气象条件下，担负起消灭或压制敌方坦克、装甲车辆、反坦克及炮兵武器，摧毁敌方构筑的各种工事和障碍物，歼灭敌人有生力量等多种作战任务。进攻时，它可以承担突破、追击、迂回、合围和纵深攻击等任务；防守时，它又可以发挥反突击作用。即使拥有性能先进的飞机和精确制导的导弹等科学技术，坦克仍然担负着进攻、输送与掩护兵员夺取阵地和抢滩的功能。另外，各类的核试验表明：在使用现代科学技术的战争条件下，坦克比其他任何装备都更适合在核战争环境下执行战场机动作战任务。这是因为在一定距离上，坦克自身重量可以有效的防护核爆炸冲击波的影响，其装甲也对核爆炸效应具有显著的衰减作用：它不但能保护乘员免遭光辐射的伤害，而且也能降低贯穿辐射的剂量。因此，世界各国都非常重视坦克的研究和发展。而炮塔作为坦克炮的重要的结构部件，它处于全车最高位置，既能360°旋转，对来自各个方向的威胁目标实施攻击，又可以为车内人员提供一定的防护，免受小口径枪弹和炮弹破片的伤害。此外，火炮身管、后坐制动装置(制退机，复进机等)以及摇架也都要安装在炮塔上，因此，火炮发射时就要求炮塔承受相当大的后坐力，保证炮塔不变型从而保证射击精度。而且为了安装身管、人员出入门以及相关仪器设备在其上存在大量的孔洞结构，结构非常复杂。所以，研究设计一种理想的，适合现代战争的炮塔也是各国一直以来的热点。另外，我们作为军工类的大学生，研究设计一种能否承受火炮射击时强大的后坐力，满足足够的强度刚度要求，又能够合情合理的安排布置炮塔上的众多孔洞，以便学习和熟悉军工产品的设计研究过程，为以后的工作做好铺垫，就变的非常有意义。1.2 炮塔的定义除了单纯的装甲人员输送车和工程车之外，坦克和大多数装甲车辆均装有某种形式的炮塔。炮塔在不同的场合有不同的含义，一般根据使用场合是可以区分的。广义上说，有人将除底盘和火力控制与通讯系统以外的部分（主要是火力部分）统称为炮塔，如图（1.21）所示。广义的炮塔由组合炮塔、武器系统、传动与控制系统、观描系统、供输弹系统等几大部分组成。组合炮塔包括：炮塔本体、吊篮及相关构件。狭义上，将支撑火炮，保证其可在一定射界内进行射击，并起防护作用的装置成为炮塔。也就是炮塔只包括炮塔本体和吊篮相关构件。也有将炮塔本体简称炮塔，一般不加以说明的话，所说的炮塔一般指狭义的炮塔。 图1.2 广义炮塔1.3 炮塔的功用坦克的车体和炮塔都是使用特殊的装甲材料作成的坚固壳体，用来防护和安装火炮及其他所有机件并承受各种负荷。对坦克来说，车体和炮塔除了承受行驶时的负荷外，还要承受火炮射击是的巨大后坐阻力，有时还需要用车体直接冲击敌人的工事，以及其它反坦克障碍和天然屏障。坦克车体和炮塔的特殊功用是防御。坦克三大性能（火力、机动性、防护性）中的防护能力，主要靠车体和炮塔的坚固装甲来实现。目前，由于新的穿甲弹种以及氢弹、中子弹的出现，对坦克车体和炮塔的防护能力提出了更高的要求。不但要求坦克能防御各种反坦克武器，而且要求坦克有“三防”的性能，特别是防核武器，如中子弹的性能。总的来说，炮塔安装在车体顶部，二者组成装甲壳体，是坦克防护力的基础，用以直接抵御反坦克武器和特种武器的攻击，并安装武器和各部机件，承受射击和行驶时的负荷。实现坦克装甲车辆的防护性，机动性，进攻性三大性能时，装甲车体和炮塔是最主要的防护部件。核战争提出三防密封等要求以后，车体和炮塔更形成特有的防护条件。如果把坦克装甲车辆作为一个复杂的机械产品来看待，车体实际上起的是机架或支承壳体的作用。炮塔处于全车最高位置，所以具有最厚的装甲，最好的倾斜角和矮小而流线的良好外形。坦克装有炮塔在战斗中也便于火力机动和行进间射击，同时也为坦克乘员和火炮控制提供一定的空间。1.4 坦克炮塔的工作环境与设计要求炮塔作为坦克炮的重要的结构部件，它处于全车最高位置，既能360°旋转，对来自各个方向的威胁目标实施攻击，又可以为车内人员提供一定的防护，免受小口径枪弹和炮弹破片的伤害。此外，火炮身管、后坐制动装置(制退机，复进机等)以及摇架也都要安装在炮塔上，火炮发射时的后坐力相当大，而炮塔一般是铸造而成，而且为了安装身管和相关仪器设备在其上存在大量的孔洞结构，所以炮塔能否承受火炮射击时强大的后坐力，满足足够的强度刚度要求就成为工程技术人员所关心的重点。而且，它是通过座圈和车体联结为一个系统，可以绕座圈旋转为火炮射击提供正确的方位角，同时也将发射时的后坐力传递给整个车体。而对炮塔构形总的要求，在相当程度上是相互矛盾的，既要保障车内成员和武器的安全，具有足够大的空间以便于工作，又要可靠地保护自己，缩小尺寸（特别是高度）。总之，现代坦克的炮塔构形，必须满足下列要求：具有全系统最强的防护性，包括最厚最强的装甲和低小的外形。近年待别强调的是较小的正面投影面积。塔内空间满足乘员战斗和部件、设备等布置的需要。具有足够的刚度和强度。大口径火炮后坐长度有限，使射击的后坐阻力很大。质量小而平衡。炮塔轻不但可减小坦克质量，并且使回转时轻便迅速。平衡式炮塔的塔体前轻后重，装上火炮后，重心可接近座圈中心，即取得基本平衡。回转可靠，即使被命中也不易被卡住或楔住而不能回转。拆装火炮方便。通过座圈连接。门窗开关方便可靠。所有出入门满足方便使用要求和可靠性要求。密封满足三防和潜渡的些求，特别是座圈、枪炮安装接口等处。具有良好的工艺性和经济性。如生产方便、成本低、在战时能扩大生产等。1.5 炮塔的主要类型 炮塔形式主要是在不同时期的不同生产水平和不同的设计指导思想下产生的。从生产方法看，炮塔主要分为铸造和焊接两种。铸造炮塔：工艺简单、外形、倾斜度和厚度都可以圆滑过渡，较容易用流线的避弹外形满足复杂的需要，但铸造装甲钢不如轧制甲板紧密。焊接炮塔：焊接炮塔是由较多装甲板拼焊而成的多平面的复杂形状。其切割、修磨、机械加工和焊接工作量大，焊缝密集。（过去还曾有铆接炮塔，现在都不用）。抗弹能力强。 从外型上看，炮塔有可以分为截圆锥形炮塔、截棱锥形炮塔、半球形炮塔、带平衡舱的炮塔、摇摆炮塔等。 截圆锥形炮塔它由多块钢板焊接成。截圆锥形炮塔适应圆形座圈，构成简单，塔壁倾斜较好。但焊接前需要较大的压力机弯曲装甲板，安装火炮后重心靠前不平衡。因此截圆锥形炮塔只适于薄装甲、小炮的装甲车辆使用。 多面体焊接炮塔目前世界主战坦克炮塔的主流形式，它适用于用装甲板拼结或铆或焊成的炮塔，其特点是炮塔外可灵活采用焊接、安装、加挂等各类型装甲以增强炮塔的防护能力。同时，为防御反坦克导弹、子母弹的顶部攻击，炮塔顶部装甲有大幅度加厚的趋势。总之它可以满足间隙装甲和复合装甲炮塔的外形。棱锥形炮塔可以构成较窄而长的外形，有利于避弹和平衡，但焊缝是塔上的薄弱环节。 半球形炮塔半球形炮塔完全脱离装甲板拼接炮塔的影响，构成了最理想的避弹外形。它一般采用铸造结构，塔的顶部为圆形，铸造也较容易满足塔前和塔后所需要的特殊形状。当然铸造炮塔不排斥局部使用轧制焊接装甲。 带平衡舱的炮塔平衡舱是炮塔的一个重要构成部分。平衡舱不但使整个回转体的重心接近座圈中心，也是战斗室中一个能随塔回转的储存室。能放置更多的储存物，可以包括电台、火控装置、弹药、自动装填机和抛壳机等。 摇摆炮塔法国在二次大战以后，曾经独树一帜地发展一种所谓摇摆炮塔，曾用于其各种坦克和装甲车上。摇摆炮塔的塔体分上、下两部分，火炮固定安装于上塔体上，没有防盾。上塔体用耳轴支承在下塔体上，而下塔体则支承在座圈上。耳轴位置接近座圈的中部，因而上塔体和火炮可以作有如前后摇摆的俯仰运动。针对炮塔的结构特点，本文在参照我国59坦克炮塔的设计思想，选取其中一种半球形铸造炮塔（如下图所示）进行研究设计。1.6 炮塔的发展趋势 无人炮塔、升降式武器站的研制是目前炮塔的最新发展趋势。常规结构的炮塔内设炮长，有的还设有车长，主要武器安装在炮塔内。炮长、车长与武器都被塞在炮塔有限的空间内。在大多数情况下，炮塔内还安装有观瞄系统、潜望镜或其他观瞄装置，大尺寸炮塔内还需要安装通信系统。最近推出的许多炮塔虽然仍保持了常规的结构形式，但以有采用外装式火炮的炮塔，炮长依然安排在炮塔内。这种类型的炮塔通常称之为遥控炮塔外装顶置式武器站。遥控武器的采用有助于获得尺寸和质量较小的炮塔，这样的炮塔需要的驱动能量较小，便于使用全电驱动和稳定系统；而且当需要进行三防时易于密封。炮塔缩小所减小的质量能够用来增加车体装甲。另外，由于武器安装在炮塔外部，还能够简化武器的改进工作。遥控武器的另一个应用就是可以使无人炮塔成为现实。但遥控武器的应用也并非完美无缺，它对控制及观瞄系统的要求将大大提高。另一个引人注目的发展趋势是采用升降式探测装置或导弹发射装置，从而将车辆的被探测率降低到最低，而且仅在射击时才暴露。随着发射后不管导弹技术的进一步发展，可以预测，升降式武器站将会成为未来装甲战车最常用的“炮塔”。1.7 本课题设计研究的内容炮塔既要具有抗弹保护乘员的能力，又要安装火炮承受巨大后坐反力的作用，还要为安装各种出入门留下许多孔洞，结构相当复杂。本文参照59坦克的思想下，主要对该100坦克炮炮塔作了以下工作。（1） 对该100坦克炮塔进行总体方案分析，确定了炮塔各个零部件以及各个零部件的功用和布置形式，才能更好的对该炮塔进行设计定型。（2） 塔体是炮塔最主要也是最大的零件，它设计的好坏，直接影响着整个炮塔抗弹能力，承受的巨大后坐阻力，其他零件在其上的安装布置形式，也直接影响着乘员的乘坐舒适性。本文在满足以上条件的情况下，设计了一种半球型的铸造炮塔塔体，并对其进行了结构简化。（3） 装填手门是装填手出入坦克的最直接通道，也是装填手操纵高射机枪的窗口，本文针对该门的特点，合理设计了一出入门，该出入门满足装填手的各种需要。 （4） 坦克的重量问题对该坦克的许多性能影响是很大的，各国研究人员为给坦克减轻重量可是绞近了脑汁，本文对该炮塔重量进行了计算和汇总，也是为使用该炮塔的在100坦克上的使用提供依据。2 炮塔总体方案分析2.1 炮塔结构的特点与总体要求 炮塔的特点是孔口多，受力大，需要灵活回转运动，处在最高