刘 昕

（驻齐齐哈尔地区军事代表室，黑龙江 齐齐哈尔 116000）

引言

某轻量型舰炮基于现代海军舰船的多样性发展趋势，进行了无封舱件改进设计。设计减重过程中考虑了舰炮发射系统对耳轴的力矩及其影响，提出了平衡机设计方案，优化不平衡力矩对舰炮射击和舰船稳定航行都有重要的意义。

1 舰炮射击时的受力分析

舰炮在射击时会在火药燃气的作用下产生炮膛合力Fpt，与舰炮后坐运动的惯性力构成后坐阻力Fr[1]，Fr与火线高H会使舰炮产生向后翻转的颠覆力矩，舰炮后坐的稳定条件是使舰炮稳定力矩大于射击过程中的颠覆力矩[2]。

降低火线高是减小颠覆力矩的有效办法，火线高由H降低后，为保证舰炮高角时摇架不与转台干涉，需将耳轴后移。耳轴的移动导致发射系统对耳轴的重力矩增大，该力矩使舰炮高角运动时高低手轮力增加，低角射击时，重力矩在高低机齿弧齿轮之间产生冲击和振动。为解决上述情况，需增加平衡机来降低舰炮对耳轴的力矩。

2 平衡装置理论计算

根据舰炮总体结构布置，可选用拉式平衡机，与俯仰部分的连接点在摇架末端，平衡机置于转台平面下方，与转台固定把合，力学模型见图1。

通过力学模型图可知：

O点为摇架上耳轴中心；P点为平衡机平面蜗卷弹簧的转动中心；

W点为俯仰部分质心；D点为弹箱的质心；θ为舰炮射角；

图1 平衡机力学模型图（mm）

A、A'点为摇架上平衡机力的作用点，其中A'为射角为θ时的作用点；

B、B'点为平衡机上平衡机力作用点，其中B'为射角为θ时的作用点；

H"、H'点为耳轴中心O对AB的垂足。

分析可知：AB即为平衡机力的作用线，OH"为平衡机力到耳轴的距离，设平衡机在AB上的作用力为F，OH"的长度为h，则平衡机对耳轴的提供的力矩为：

由俯仰部分的运动轨迹可知，B点、H"点的位置随射角射角θ而变化，平衡机通过控制各个射角对耳轴的平衡机力矩来平衡重力矩。

2.1 平衡机力学模型的解算

以射角θ=0°时为设计起点，以θ=-15°～85°为设计范围进行计算。解算△AOP、△AOB可得AB随射角变化的值；解算△BOP、△BHO可得平衡机力作用线到耳轴的距离OH"。计算结果如下页表1。

2.2 求解平衡机力

平衡机对耳轴的力矩W应与重力矩相等，算得重力矩后，各射角下，平衡机作用线到耳轴的距离为OH"（θ）=h，则可知，平衡机所需的平衡机力为：

表1 平衡机设计输入参数

设平衡机所用的滑轮半径为BP=r，则平衡机需要提供的扭矩为：

根据公式2、3可算得平衡机设计力矩。

2.3 储能装置设计

因俯仰角度在-15°～85°之间，选用普通弹簧不利于整体结构布置，平面蜗卷弹簧能有效解决该问题：其一端固定，另一端在平面内产生扭转，输出扭矩。根据整体空间，选择设置16根相同的弹簧进行设计。

1）弹簧厚度据平面蜗卷弹簧公式可算得：

2）平面蜗卷弹簧在全射角范围内的工作圈数：

3）平面蜗卷弹簧的长度：

4）平面蜗卷弹簧总长：

5）弹簧节距：

综上，平面蜗卷弹簧的设计参数（见表2）。

表2 平面蜗卷弹簧设计参数表

3 平衡装置的设计验证

当舰炮射击时，后坐部分运动引起质心的变化，重力矩与平衡机的共同作用下，对对耳轴的力矩曲线见图2，空载极值为-3 342 Nm，满载极值为-4 603 Nm。在战斗工况下，反向不平衡力矩过大，需对弹簧的设计参数进行调整。

图2 后坐到位时舰炮各射角对耳轴的力矩

4 优化结果

力矩变化的极值出现在弹箱满载，且后坐距离最长时，因此降低弹簧刚度能改善该种状况。经调整计算，弹簧参数如下（见表3）。

表3 平面蜗卷弹簧设计参数表

经参数修正后，舰炮对耳轴的力矩极值变小。满载工况下力矩变化曲线见图3，舰炮在勤务状态下，高低手轮力最大值58 N。

图3 弹箱空载时不平衡力矩随后坐位移和射角的变化图

5 结论

本文对某轻量化舰炮基于涡卷弹簧设计的平衡机进行了计算、验证和优化，通过平衡装置的参数控制实现了耳轴不平衡力矩的合理分配。结论如下：

1）平衡装置采用的平面蜗卷弹簧刚度大、占用空间小，适合轻量型产品安装使用。

2）该平衡机技术在火线高降低后，能有效降低舰炮的颠覆力矩，有利于舰炮的射击稳定。

3）平衡机技术通过参数控制后，合理分配不平衡力矩，保障射击时的舰炮稳定和勤务状态时的轻便使用，参数设计能为平衡装置设计提供一定的参考[3]。