火炮设计理论

火炮设计理论南京理工大学火炮教研室主讲：张相炎教授联系电话：84315581§5.6自行火炮炮塔设计1自行火炮炮塔及其设计的基本概念武装装甲战车→炮塔。常规炮塔；遥控炮塔/无人炮塔。炮塔武器的配置主要有六种类型：机枪、多用途自动炮、高射炮、防空或反坦克导弹、自动炮加防空导弹或自动炮加反坦克导弹。常规结构的炮塔内设有炮长。在大多数情况下，炮塔内还安装有观瞄系统、潜望镜或其他观察装置，大尺寸炮塔内还需要安装通信系统。§5.6自行火炮炮塔设计广义上说，有人将自行火炮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。广义的炮塔由组合炮塔、武器系统、传动与控制系统、观瞄系统、供输弹系统等几大部分组成。组合炮塔包括：炮塔本体、摇架、吊兰及相关的构件。狭义上，将炮塔本体和吊兰及相关的构件合称为炮塔。也有将炮塔本体简称为炮塔。不加说明的话，所说的炮塔一般指狭义炮塔。§5.6自行火炮炮塔设计爱里奥公司的“蜂群”无人顶置式炮塔瑞士的“风雪”单人炮塔CATI公司设计的“武士”双人炮塔典型的自行火炮炮塔（压制武器）§5.6自行火炮炮塔设计对炮塔的主要要求：（1）具有足够的强度和刚度；（2）具有一定的装甲防护能力；（3）具有一定的核、生、化“三防”能力；（4）具有较高的可靠性和维修性；（5）结构简单，工艺性好；（6）重量轻。炮塔设计：功能设计；结构设计；刚强度设计等。炮塔设计的主要内容（1）炮塔总体设计（2）炮塔结构设计（3）炮塔刚强度设计（4）可靠性维修性设计（5）电磁兼容性设计（6）人-机-环境工程设计炮塔设计的基本原则：（1）在满足基本功能和主要性能的前提下，尽可能地采用系列化、通用化的成熟技术和结构，研制技术难度和风险小，研制和采购费用低，研制周期短，具有较高的效费比，技术可行性好，组织实施方便易行。（2）应在继承性的基础上创新，充分考虑适应性和通用性，为发展留有充足的余地。不仅能满足当前需要，而且还可以方便地移置，用于改造现装备和发展新装备。（3）设计过程中，应充分运用动力学计算与动态仿真技术，以及结构优化技术等现代设计方法和技术，及时分析设计和结构的薄弱环节，采取积极防范措施。（4）在设计时尽量简化系统结构、减少系统元器件使用数量、选用成熟可靠的元器件，以降低系统故障率，提高可靠性。§5.6自行火炮炮塔设计2炮塔总体设计炮塔总体设计的原则炮塔分系统总体设计以成熟技术为基础，按照通用化、系列化、标准化原则，根据国内现有技术水平和发展潜力，重点突出总体性能，以提高系统可靠性、维修性、保障性为目标，使系统的操作性、舒适性、匹配性和总体性能满足使用要求和技术指标要求。炮塔总体布置及总体设计在总体设计时着重进行总体匹配性设计，重点考虑人机工程、电磁兼容性及可靠性、维修性等问题。§5.6自行火炮炮塔设计某自行火炮的炮塔总体布置1）乘员分布一般包括炮长、瞄准手、装填手等。炮长：布置时需要考虑炮长座椅、电台操作、观察战场情况、指挥全炮作战等方面的因素。瞄准手：考虑座椅以及对方向机、高低机、直瞄镜、周视镜等的操作。装填手：考虑座椅以及药筒和弹丸的半自动/自动装填工作，还要考虑辅助武器如机枪的操作。2）火力分系统的安装主要考虑耳轴的安装（与炮框或托架的耳轴孔配合），要保证耳轴水平和方位正确。另外还要考虑火炮平衡机、防盾等的安装。§5.6自行火炮炮塔设计3）火控分系统的安装布置①火控单体主要包括火控计算机、炮长显控台、瞄准手显示器、装填手显示器、姿态传感器等的安装。②随动系统炮控箱的安装：要考虑瞄准手的观察和操作。射角限位器的安装；方位传感器、高低传感器的安装；半自动/全自动操作台的安装；方位、高低伺服装置的安装。③通讯装置主要包括电台、通讯控制器、车内通话器、收发讯机、电源滤波器、等的安装。④定位定向主要包括惯导定位定向导航设备（含陀螺平台、电子控制箱等）和GPS定位系统的安装。⑤其他布置包括灭火抑爆装置、炮塔配电箱、炮塔电器控制器、炮塔照明、供输弹控制系统。§5.6自行火炮炮塔设计4）其他炮塔座圈、托架、防盾、密封体、防护罩、放像机、供输弹系统、乘员座椅、观瞄仪器、辅助武器等。3自行火炮炮塔主要部件设计3.1炮塔体的设计炮塔体的结构设计炮塔体的功能，主要是安装火炮搭载乘员，弹药为各种配套设备提供支座并承受各种负载，同时为乘员，弹药及设备提供一定的防护。炮塔与吊蓝一起构成战斗乘员的活动空间。自行火炮的炮塔一般为薄壳体，一般在炮塔内部焊接U型加强筋，形成框架结构，以保证炮塔的刚强度要求。炮塔体一般为锥台形或多面体焊接结构，炮塔前方左右两侧的护板与托架的结构焊成一体，其上连接座圈和吊篮等。减重是炮塔体设计中应充分注意的另一个问题。减重是以满足强度和刚度为前提的。炮塔外型尺寸以总体布局紧凑为原则。§5.6自行火炮炮塔设计3.1炮塔体的设计炮塔密封设计炮塔密封的作用一是防水，而是满足三防状态下能建立起超压。主要密封部位：炮长指挥炮塔、装填手舱门、炮塔座圈、防护罩与火炮身管之间、防盾等。为保证在车内建立超压，炮塔上下座圈之间与密封体之间采用充气密封，气源分别来自底盘和炮塔内气瓶。还要注意炮塔顶部的炮塔风扇一般需要设置关闭机构。§5.6自行火炮炮塔设计炮塔防护设计防护系统以提高自行火炮在现代战争条件下的战场生存能力为目的，主要从炮塔装甲结构、目标特征、灭火抑爆等方面采取有效措施。①炮塔装甲防护一般采用装甲钢板焊接结构，优化设计炮塔外形，满足在100~200m距离上防7.62mm普通枪弹。某自行火炮的炮塔装甲防护结构如下表所示。项目炮塔装甲防护结构正面前侧侧面背面顶部装甲板厚度（mm）12121088法向角（o）25201000等钢厚度（mm）1413.510.988②目标特征防护设计在炮塔外表面采用多功能涂料，使其具有一定抗海水、盐雾腐蚀能力，同时具有一定隐身功能。③灭火抑爆一般设置自动灭火抑爆装置，可降低被击中后的二次效应，提高乘员的生存能力。④三防装置采用超压式集体三防装置，可提高在核、生、化条件下乘员的生存能力。炮塔的刚强度分析自行火炮的炮塔多为薄壁壳体，其刚强度是设计时必须考虑的关键问题，否则将影响火炮武器射击时的精度问题。传统的设计理论主要是对零部件的危险截面进行刚强度校核，这种方法对结构和外形比较复杂的炮塔体不适用，一般采用有限元理论对炮塔的刚强度进行分析，下面的三个图分别为某自行火炮的炮塔有限元模型、变形云图以及应力云图。炮塔体有限元模型炮塔的变形云图炮塔的应力云图炮塔的刚强度分析射击过程炮塔的应力和变形变化过程云图3.2托架设计托架的作用支承起落部分俯仰，承受射击载荷，安装火炮上的辅助装置，同时还要密封炮塔和防盾间隙。托架的设计要求（1）要有足够的刚强度。如刚强度不足，会引起瞄准错位，影响射击精度。（2）要有可达的维修性设计。（3）重量轻、结构紧凑，工艺性好。§5.6自行火炮炮塔设计3.2托架设计托架的一般组成托架一般由托架体、耳轴装置（包括胀紧机构）、密封装置、角度传感器装置等部分组成。托架体支承起落部分俯仰，承受射击载荷，安装瞄准系统和一些辅助系统。耳轴装置是托架和起落部分的连接体。密封装置用于密封炮塔和防盾间隙。角度传感器装置用于控制协调器转动信号的装置。托架的结构形式托架一般采用铸焊结构或钢板焊接结构。对铸焊结构，刚强度较好，但重量较大，铸件表面的光洁度很差，并且经常出现—些铸造缺陷，如气孔、粘砂、壁厚不均等现象，为修复这些疵病，常常采用电弧、气刨和补焊等方法，这样，就极大的降低了铸件表面的质量。对钢板焊接结构，可以减轻重量，提高表面质量，降低成本，缩短生产周期，但是必须确保满足刚强度要求。§5.6自行火炮炮塔设计托架的刚强度分析托架的强度和刚度计算，是分析射击时，托架上所受的主要力，以及在这些力的作用下，托架内应力、变形，校核托架的强度和刚度是否满足要求。一般采用有限元理论进行上述分析。下图是某自行火炮的托架有限元分析模型以及结果。托架变形图云图托架有限元模型自行火炮一般要求能实施360°圆周射击，以便对活动目标进行射击，要求炮塔在整个圆周内能自由平稳地回转。炮塔与底盘之间的连接通常采用滚珠座圈。它由固定在炮塔上的活动座圈和固定在底盘上的固定座圈，滚珠（或滚柱）以及密封装置等组成。座圈的结构：按滚动体的形式可以分为：滚珠式、滚柱式和滚珠滚柱联合式的。按滚动体的排列方式可以分为：单排的、双排的和多排的。按承载特性可以分为：两点接触式和四点接触式。现有火炮中滚珠式座圈：单列两点接触式座圈；双列两点接触式座圈；平直滚道四点接触式座圈；直角形滚道四点接触式座圈；交叉滚柱式座圈等。滚珠座圈中的辅助装置有：润滑装置、调整装置、防水防尘装置、滚珠的拆卸装置、滚动体的隔离圈等。§5.6自行火炮炮塔设计3.3炮塔座圈设计对座圈的主要技术要求：（1）具有较高的强度、刚度和硬度；（2）具有良好的密封性；（3）较小的回转阻力；（4）重量轻，结构紧凑，工艺性好，装拆方便。座圈有两种布置形式：活动座圈包围滚珠；固定座圈包围滚珠。滚珠座圈的类型和基本尺寸（如滚珠或滚柱中心圆的直径）的选取是和火炮的用途、威力、重力和尺寸空间有密切关系。一般在总体布置时已初步确定，其尺寸大小主要考虑下列因素：（1）考虑滚珠座圈的强度；（2）考虑起落部分的宽度；（3）考虑起落部分的俯仰范围，保证火炮在高低极限射角时，起落部分与座圈不互相干涉等。§5.6自行火炮炮塔设计滚珠滚道的结构参量包括：滚道的圆弧半径、滚道深度、滚道厚度、装填系数等。为了保证滚珠受力均匀、正常运转、减少摩擦力，常采用隔离圈来保证滚珠（柱）间的正常距离。在一些轻型的座圈中常采用简单的隔离器来保持滚珠的均匀分布。滚珠座圈的设计除结构设计之外，主要是控制接触应力、塑性变形以及最大弹性变形。为保证滚珠座圈的强度和使用寿命，对滚珠和滚道的一般要求为：（1）滚珠（柱）要选用标准的直径，其直径公差在0.02mm以下；（2）滚珠的硬度要比滚道大一些（HRC62～66）。对直角形滚道要求表面硬度不小于HRC52（一般HRC52～56）。当采用圆弧形滚道时，滚道表面的硬度要求HRC35～47。然后再进行滚压，使滚道表层产生硬化层来提高耐用度。§5.6自行火炮炮塔设计座圈的刚强度分析为了计算座圈的刚强度，首先要明确座圈所受负荷。为分析方便，只考虑炮塔受力最大时的座圈负荷，并假设：1）由于火炮后坐引起的炮塔回转部分重心位置变化略去不计；2）火炮后坐力直接作用在炮耳轴上；3）炮塔固定齿圈的反力与座圈径向反力在同一水平上；4）自行火炮放置在水平地面上。§5.6自行火炮炮塔设计R：后坐力G：回转部分重力N1：炮塔齿圈对方向机主齿轮的反作用力，作用点在啮合节点，小齿轮的方位角为ψ1，压力角为αN2：座圈各滚体的径向反力之合力，通过座圈中心，方位角为ψ2N0：座圈各滚体的轴向反力之合力，作用线距坐标原点为ρ，方位角为ψ0§5.6自行火炮炮塔设计22110:cossincosxFNNR22110:sincos0yFNN00:sinzFNRG000:sinsinxMNRaGd010:coscos2zDMNRa000:coscossinyMNRhRbGc吊篮作为炮塔内部的支撑构件，主要用作安装炮长座椅、枪炮弹箱、供输弹系统以及部份传动装置。吊篮一般以多根可调节长度的吊杆与炮塔本体连接。吊篮的结构设计，主要考虑紧凑性、维修性和可靠性，及人机工程学。吊篮的结构形式主要由多个吊杆和上下两层吊篮组成。它们分别由焊接件组成，其间由螺栓连接，以便于装卸和调整。为了保证可靠性和维修性，设计时应注意：（1）保证足够的强度和刚度，一般应考虑动载影响，设计时可以选择动载荷为静载荷的3倍。（2）注意可达性设计，各组件单层排列，避免了交叉拆卸。（3）注意标准化和互换性设计，优先考虑采用标准件和通用件。（4）注意维修性设计，维修工具为常用工具，减少维修内容，降低维修技术要求。（5）注意模块化设计，结构可以进行模块化组合，但应设计具有完善的防差错措施和识别标记。（6）