變徑炮塔拆裝臺架結構設計與分析

邵 帥，閆鵬程，孫江生，張連武，邱文昊

(1.軍械技術研究所，河北 石家莊 050000； 2.軍械工程學院車輛與電氣工程系，河北 石家莊 050003)

變徑炮塔拆裝臺架結構設計與分析

邵 帥1,2，閆鵬程1，孫江生1，張連武1，邱文昊1,2

(1.軍械技術研究所，河北 石家莊 050000； 2.軍械工程學院車輛與電氣工程系，河北 石家莊 050003)

針對自行火炮炮塔維修拆裝臺架種類冗雜、通用性不強和野戰性能差等問題，提出了一種導軌式變徑炮塔拆裝臺架設計方案。采用SolidWorks對拆裝臺架進行了總體設計，并對拆裝臺架的變徑方案進行了具體設計；采用有限元分析方法對受力最大的臺架托盤進行了應力分布和變形情況分析，驗證了臺架的強度、剛度等靜力學性能。通過試驗對臺架功能和性能進行了驗證，結果表明：該臺架能夠滿足設計和使用需求。

炮塔； 拆裝臺架； 混合變徑； 結構設計； 有限元分析

炮塔拆裝臺架是對自行火炮炮塔進行維修與保養的重要承載設備之一，主要用于炮塔水平與傾斜2種工況下的支撐任務。隨著諸多新型號自行火炮列裝部隊，若基于型號開發炮塔拆裝臺架，則會造成種類冗雜、野戰性能差以及占用大量維修空間等問題。因此，設計滿足各種型號炮塔放置、傾斜以及身管后抽等功能的通用性拆裝臺架具有重要意義。

筆者在充分了解各類自行火炮炮塔尺寸和質量的基礎上，為解決拆裝臺架通用性問題，對拆裝臺架進行變徑設計，通過有限元分析方法對設計方案中受力最大的變徑托盤進行應力、應變分析，為驗證拆裝臺架設計的合理性提供理論依據[1]。最后，通過試驗對臺架的功能和性能進行驗證。

1 拆裝臺架的總體設計

采用SolidWorks對拆裝臺架進行總體設計，拆裝臺架由六角式變徑托盤、底座和偏置式固定支座組成。直導軌與斜導軌通過導軌間的連接組成六角式變徑托盤，通過導軌間的相對滑動改變托盤的口徑大??；底部槽鋼平行放置，并通過調整槽鋼連接構成工字型臺架的底座。調整槽鋼包括2段，分別與2根底部槽鋼固定連接，2段調整槽鋼開放端借助于螺栓連接，并且2段調整槽鋼之間安裝調整油缸，利用調整油缸對底部槽鋼之間的距離進行配合調節，使其左右支架間的距離調節更方便、快捷；利用調整油缸與調整槽鋼配合導軌滑動，共同實現臺架的系統聯動，完成臺架的整體變徑；設計了4組托板及上座圈托座(在圖中并未顯示)，滿足所有現役火炮炮塔的放置、座圈保養以及身管后抽的需求。

為實現臺架水平與傾斜2種工況下的平穩支撐，每根底部槽鋼的兩端分別豎直安裝支撐油缸和限位支撐，在支撐油缸和限位支撐的中間偏置安裝支撐支架，支撐構件與六角式變徑托盤的對應側2個長直導軌鉸接，通過支撐油缸的升降帶動限位支撐上下運動，使六角式變徑托盤從平置到傾斜都能穩固地支撐炮塔。拆裝臺架總體設計如圖1所示。

圖1 拆裝臺架總體設計

2 拆裝臺架的變徑設計

由于拆裝臺架的托盤直接與炮塔接觸并對其進行支撐，因此，拆裝臺架若要適用于多種型號的炮塔，首先就要實現托盤的變徑。參考機床導軌的設計，筆者提出將托盤設計為滑動導軌的形式，通過滑動導軌之間的相對滑動來實現托盤內徑的變化。導軌按截面形狀不同，可分為V形導軌、矩形導軌、圓柱形導軌和燕尾形導軌等。各類型導軌的優缺點如表1所示。

變徑托盤的導軌類型不同于普通機床導軌，托盤所受力為炮塔對其導軌施加的側向力，且受力較大。通過比較表1中4種導軌類型，筆者選擇以閉式矩形導軌為基礎進行改進。為增大接觸面積、減小導軌所受應力，將導軌側面傾斜一定角度，同時傾角又不宜過大，這是由于豎直分量不變，傾角過大會造成接觸面受力過大，因此，將導軌設計為傾角20°的倒梯形形狀[2]，如圖2所示。

表1 各類型導軌的優缺點

圖2 導軌截面形狀

在進行導軌設計時，應盡量減小導軌所受的傾斜力矩，即減小推力與導軌軸線的傾角，這樣才能使摩擦力減小、靈活性提高。假設推力F與導軌軸線平行，并且距離為h，如圖3所示。其中：Fa為摩擦阻力；N1、N2為導軌在兩端點處的正壓力；f為摩擦因數。

圖3 導軌受力圖

根據平衡條件可得

(N1+N2)f+Fa-F=0，

(1)

N1-N2=0，

(2)

(3)

式中：d為運動件導軌厚度，由于其值較小，因此可以忽略不計。

聯立式(1)-(3)，解得

(4)

若使運動件能夠運動，則須使

即

(5)

由式(5)可知：當f為定值時，只有盡量減小h、增大L，才能減小運動件在運動過程中所受的阻力[3]。由于導軌運動以推力為主，因此應適當加長導軌面長度。最終設計的導軌形狀如圖4所示，將導軌兩端進行延長并設有螺孔，既有利于減小運動過程中所受的阻力，又有利于與導軌槽進行固定。

圖4 導軌形狀

變徑托盤由4個滑動導軌、帶有滑槽的2個長導軌、2個短導軌，以及4個托板1和2個托板2組裝而成，其主要結構尺寸設計為：長導軌長L1=1 700 mm；短導軌長L2=1 640 mm；滑動導軌長L3=1 126 mm，寬b=160 mm；兩側矩形導軌成直角，鋼材厚t=10 mm，用于支撐內徑1 388～2 402 mm的炮塔。變徑托盤組裝圖如圖5所示。

圖5 變徑托盤組裝圖

托盤實現了臺架上半部分的變徑，底部調整油缸與調整槽鋼如圖6所示，將左右支架連接起來，通過油缸伸縮與槽鋼螺孔固定位置的變化來改變左右支架間的距離，實現整體臺架的變徑，能夠滿足12種炮塔的需求。

圖6 調整油缸與調整槽鋼

最終設計的六角式倒梯形滑槽液壓炮塔通用拆裝臺架具備以下5個特點：

1)設計的六角式倒梯形槽滑軌切向滑動和托板徑向滑動(如圖5中雙向箭頭所示)的變徑結構實現了有級、無級混合變徑調節，其中，滑軌切向滑動為有級調節，可實現大直徑差調節，托板徑向滑動為無級調節，可實現小直徑差調節，調節范圍滿足12種炮塔的直徑要求，實現了臺架的通用性。

2)設計的雙固定支座微偏置中點支撐、單側油缸升降傾斜(如圖1中雙向箭頭所示)的偏置式固定支座結構不僅支撐穩定性好，而且傾斜托盤時油缸推力小、行程短、操作輕便。

3)設計的倒梯形滑槽結構(如圖2所示)在六角式托盤變徑時能夠自動定心，且定心精度高，拆裝調整方便。

4)設計的六角式倒梯形滑軌變徑托盤支撐托板多，支撐力均勻；托板承載面平面度較高，支撐精度高。

5)設計的底座變徑調節采用液壓缸動力變徑的方式(如圖6所示),更加方便、省力。

3 變徑托盤的有限元模型

在對自行火炮炮塔進行維修與保養時，整個火炮質量全部施加在六角式變徑托盤上，若火炮尺寸較大，則易產生應力集中，最易發生事故。為驗證變徑托盤剛度和強度是否滿足要求，建立了變徑托盤的有限元模型。

3.1 材料參數和尺寸的確定

在有限元分析中，材料特性參數的準確性將對仿真效果和計算結果的真實性產生很大影響[4]。45鋼為結構鋼，綜合力學性能良好，硬度不高，易切削加工，具有較大強度，韌性和塑性較好，焊接性能較差，廣泛應用于各種重要的結構零件。由于拆裝臺架承載數噸重炮塔，對材料力學性能要求較高，因此該設備結構采用45鋼。

3.2 網格劃分

利用ANSYS Workbench進行應力、應變分析時，無需對單元類型進行定義，軟件會自動對所導入結構形狀進行單元類型選擇[5]。網格尺寸“Sizing”控制平均單元邊長50 mm，進行自由網格劃分，共有節點225 985個、單元116 159個。變徑托盤網格模型如圖7所示。

圖7 變徑托盤網格模型

3.3 約束與載荷的確定

變徑托盤受力分靜止與頂升2種情況。變徑托盤在被液壓缸頂升時速度緩慢，其動力特性對結構的影響遠小于邊界條件的改變對結構的影響，故分析時變徑托盤任一時刻的受力可看作靜態受力[6]。拆裝臺架分為水平與傾斜2種承載狀態，其最重承載為某型6.5 t炮塔，筆者對其進行靜力學分析。

變徑托盤長導軌與支撐油缸、支撐支架、支撐柱通過螺栓進行連接，如圖8中A、B、C處所示，為簡化計算，在其連接點處施加固定約束，使自由度完全約束。

圖8 水平工況受力圖

臺架所受載荷主要包括炮塔載荷與自重載荷2部分。炮塔直接與托盤6塊托板接觸，由于炮塔重心偏向前部，后面2塊托板受力極小，因此可以忽略不計；在前部和中部托板上施加載荷，由于變徑托盤質量較大，因此自身載荷不可忽略。在進行有限元分析時選擇Standard Earth Gravity，ANSYS Workbench會按照9.806 65 m/s2的重力加速度在變徑托盤的各個單元上施加均布載荷[7]。將上述載荷與約束施加到變徑托盤上，得到其水平與傾斜2種工況下示意圖,分別如圖9、10所示。在水平工況下，經計算，某型火炮水平放置載荷分布情況如表2所示。

圖9 水平工況施加約束與載荷示意圖

圖10 傾斜工況施加約束與載荷示意圖

序號施加位置載荷/N1滑動導軌上托板(2處)11350.282長導軌上托板(2處)20499.713自重載荷10194

在傾斜25°工況下，炮塔通過螺栓固定于托盤上托板，由于炮塔傾斜產生的下滑力會造成額外載荷，分為垂直于托板的正應力與平行于托板向下對螺栓的剪應力。由于托盤傾斜角度較小，且托板與炮塔之間存在靜摩擦，因此剪應力值較小，為簡化，計算其正應力與剪應力的合力，即炮塔重力所產生的豎直方向的力所產生的載荷，經計算，某型火炮傾斜放置載荷分布情況如表3所示。

表3 某型火炮傾斜放置載荷分布情況

4 拆裝臺架靜力學分析

由于靜力學分析是結構分析的基礎，因此筆者對拆裝臺架水平與傾斜25°兩種工況進行有限元靜力學分析。

1) 水平工況分析

通過Workbench后處理器對臺架處于水平工況時進行有限元靜力學分析，得到應力、位移云圖分別如圖11、12所示。由于導軌連接處所有力都集中在滑塊與導軌槽接觸處，因此，此處產生最大應力128.47 MPa，如圖13所示。由于45鋼的屈服強度δs=355 MPa，對于塑性材料，取安全系數為2，計算許用應力[δ]=355/2=177.5 MPa。經試驗分析，當拆裝臺架變形量小于1 mm時符合彈性變形條件，因此，最大變形量應小于1 mm。由于最大應力δmax=128.47 MPa<[δ]，因此臺架的設計滿足強度要求[8]。從圖12可以看出：最大位移發生在前側短導軌中間部分，約0.751 mm，小于變形量1 mm的要求，因此臺架的剛度滿足要求，是安全的。

圖11 水平工況應力云圖

圖12 水平工況位移云圖

圖13 滑動導軌應力云圖

2)傾斜25°工況分析

臺架傾斜25°工況時應力、位移云圖分別如圖14、15所示，與水平工況類似，最大應力與最大位移處位置不變。但由于火炮重心偏于前側，加之下滑力影響，因此傾斜25°工況下最大應力與位移稍大于水平工況。在此工況下，由于最大應力δmax=133.18 MPa<[δ]，因此臺架的設計滿足強度要求；最大位移約0.792 mm，小于變形量1 mm的要求，因此臺架的剛度滿足要求，是安全的。

圖14 傾斜25°工況應力云圖

圖15 傾斜25°工況位移云圖

由以上分析結果可知：該設計方案在承載該型火炮炮塔工況下，應力與位移均在合理范圍之內，滿足承載要求。

5 試驗驗證

為驗證所設計臺架的性能與功能是否滿足設計要求，筆者對其進行了承載模擬炮塔工裝額載試驗以及實裝功能試驗。為了準確掌握臺架的應力分布情況，驗證有限元計算結果，在水平、傾斜25°兩種工況下，對臺架進行靜態電測試驗[9]，選擇出臺架的31個關鍵測試點，如圖16所示。

將電阻應變片黏結在這些測試點，進行承載模擬炮塔工裝額載6.5 t、承載12 h的應力測試[10]，如圖17所示，臺架在外力的作用下會產生變形，此時，電阻的應變值會產生相應的變化，利用電阻應變儀測出電阻的改變并換算成應變值顯示出來。

通過計算，得出各測試點應力情況如表4所示。

圖16 關鍵測試點

圖17 承載模擬炮塔工裝額載試驗

可以看出：水平工況下最大應力為140.3 MPa，傾斜25°工況下最大應力為149.9 MPa，均小于材料的許用應力177.5 MPa，滿足材料的靜力學性能。最后，對該變徑炮塔拆裝臺架進行了實裝功能試驗，結果表明：該拆裝臺架能夠滿足各種自行火炮炮塔的放置、傾斜以及身管后抽等功能需求。

表4 各測試點應力情況 MPa

6 結論

為了滿足不同型號自行火炮炮塔維修與保養的需求，筆者設計了一種導軌式變徑炮塔拆裝臺架，對受力最大的臺架托盤進行了靜力學分析，結果表明：所設計的臺架靜態剛度和強度滿足要求。對臺架進行了承載模擬炮塔工裝額載試驗以及實裝功能試驗，結果表明：所設計的臺架能夠滿足不同型號炮塔維修保障需求，達到了設計要求，解決了以往臺架通用性不強、機動性差等問題，為其他維修設備的設計與改進提供了參考。

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(責任編輯: 尚彩娟)

Design and Analysis of Adjustable Turret Disassembly Platform Structure

SHAO Shuai1,2,YAN Peng-cheng1,SUN Jiang-sheng1,ZHANG Lian-wu1,QIU Wen-hao1,2

(1.Ordnance Technical Research Institute,Shijiazhuang 050000,China;2.Department of Vehicles and Electrical Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

To solve the problems of miscellaneous type,poor versatility and field performance for turret maintenance disassembly platform of the self-propelled gun,a design scheme of rail type adjustable turret disassembly platform is put forward.SolidWorks is used for the overall design of the platform and variable diameter solutions of the disassembly platform are developed for the details.The stress distribution and deformation of the pallet with the largest force are analyzed by the finite element analysis method.The static mechanical property of the platform is verified.Function and performance of the platform are verified through the test,and the result shows that the bench can meet the design and operation requirements.

turret; disassembly platform; mixed variable diameter; structure design; finite element analysis

1672-1497(2017)01-0055-06

2016-12-05

軍隊科研計劃項目

邵 帥(1993-)，男，碩士研究生。

TJ307

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.012