85加平衡機(jī)設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1 緒論 火炮是戰(zhàn)場(chǎng)上的火力骨干，以其火力強(qiáng)、靈活可靠、經(jīng)濟(jì)性和通用性好等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中得到了廣泛的應(yīng)用?；鹋诩瓤纱輾У孛娓鞣N目標(biāo)，也可以擊毀空中的飛機(jī)和海上的艦艇。因此，作為提供進(jìn)攻和防御火力的基本手段，火炮在常規(guī)兵器中占有牢固的地位1,2?，F(xiàn)代火炮除迫擊炮和無后坐力炮外基本都采用彈性炮架。早期的野戰(zhàn)炮系單腳炮架，靠移動(dòng)架尾改變方向射界。第一次世界大戰(zhàn)以來，炮架由單腳過渡到開腳，隨著方向機(jī)、平衡機(jī)和緩沖裝置的出現(xiàn)與改進(jìn)，開腳炮架的結(jié)構(gòu)逐漸完善?，F(xiàn)代高射炮、坦克炮、航空炮與艦炮，為適應(yīng)對(duì)活動(dòng)目標(biāo)射擊，炮架上采用了機(jī)械、液壓和電氣技術(shù)，使其性能更加完善?；鹋谟?/p>

2、于需要在較大的射角范圍變換射角（坦克炮、反坦克炮除外），在結(jié)構(gòu)布置上起落部分的質(zhì)心不與耳軸中心重合，一般均位于耳軸前方，使得火炮的起落部分對(duì)耳軸中心形成很大的重力矩。在將炮身打高時(shí)，起落部分的重力矩與慣性力矩相同，使得手輪力很大，甚至無法進(jìn)行高低瞄準(zhǔn)3。在將炮身打低時(shí)，起落部分的重力矩與慣性力矩反向，由于瞄準(zhǔn)機(jī)的自鎖性要求，使得高低瞄準(zhǔn)不平穩(wěn)，炮身抖動(dòng)，甚至產(chǎn)生沖擊。于是，為了解決這一問題，平衡機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生了。1.1 平衡機(jī)的作用隨著現(xiàn)代火炮威力的日益提高，炮身增長。為了保證火炮射擊穩(wěn)定性，減小后坐阻力需要盡量降低火線高，增大后坐長；為了避免大射角時(shí)跑位后坐碰地，以及便于裝填炮彈和安裝其他機(jī)構(gòu)

3、等，這些需要將炮耳軸向炮尾附近布置，于是就引起起落部分質(zhì)心前移。起落部分重力Fq相對(duì)于耳軸形成一個(gè)重力矩Mq，在這種情況下，起落部分會(huì)自然下垂，為了不是其下垂，就要給高低機(jī)齒弧以相當(dāng)大的力。這樣要增加炮身射角時(shí)，則十分費(fèi)力，以致人力不能勝任；而需要打小射角時(shí)，由于重力矩作用，會(huì)在高低齒弧減產(chǎn)上猛烈沖擊和跳動(dòng)。為了避免這種情況，就需要在耳軸前方對(duì)耳軸部分外加一個(gè)推力，形成對(duì)耳軸的平衡力矩，其方向與重力矩相反，并使這兩個(gè)力矩相等或倆力矩相差不大，從而保證操作高低機(jī)時(shí)，打高輕便，打低平穩(wěn)4,5。 提供平衡力一般有兩種方式：1） 配重平衡在炮耳軸后方炮尾或搖架上附加適量的金屬配重，這種方法簡單便于實(shí)現(xiàn)

4、完全平衡，這種方法廣泛應(yīng)用于坦克，自行火炮和艦艇上；其缺點(diǎn)是起落部分重力增加。2） 平衡機(jī)平衡用專門設(shè)計(jì)的平衡機(jī)裝置產(chǎn)生的拉力來達(dá)到提供平衡力矩的目的。這種方法與配重平衡相比，平衡機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前廣泛應(yīng)用與各種火炮。 由此可知平衡機(jī)的作用就是產(chǎn)生一個(gè)平衡力，形成一個(gè)對(duì)耳軸的力矩，來平衡起落部分對(duì)耳軸的力矩，使操作炮身俯仰或傳動(dòng)時(shí)輕便平穩(wěn)6。1.2 平衡機(jī)的工作原理圖1.1為平衡機(jī)的原理簡圖。為了討論的方便，進(jìn)行了如下的假設(shè)： (1)把起落部分視作一繞耳軸中心回轉(zhuǎn)的剛性梁; (2)起落部分的質(zhì)心任何時(shí)候均處于通過耳軸中心并與炮膛或發(fā)射裝置定向器軸線平行的直線上； (3)起落部

5、分的質(zhì)心任何時(shí)候距耳軸中心的位置不變; (4)起落部分質(zhì)量不變7。根據(jù)以上假設(shè)，得平衡力矩間的關(guān)系如下。 起落部分重力矩 平衡機(jī)平衡力矩圖1.1 平衡原理簡圖式中，作用在起落部分的重力；起落部分質(zhì)心距耳軸中心距離(仰角為0時(shí))；仰角；平衡機(jī)力；平衡機(jī)力作用點(diǎn)距耳軸中心距離；垂直的直線與通過耳軸中心且平行于炮膛軸線的直線的夾角；可知，起落部分重力矩是隨仰角R1的余弦函數(shù)值而變化的;平衡機(jī)平衡力矩M則隨夾角R2的余弦函數(shù)值和平衡機(jī)作用力而變化，與平衡機(jī)型式結(jié)構(gòu)及安裝位置有關(guān)。起落部分重力矩與平衡機(jī)的平衡力矩之差的絕對(duì)值稱為不平衡力矩，它是計(jì)算高低機(jī)手輪力或高低傳動(dòng)裝置輸出扭矩的主要考慮因素 (還包

6、括高低傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力矩等)，因此不平衡力矩要限制在一定范圍內(nèi)。根據(jù)不平衡力矩的情況有:(1) 完會(huì)平衡:在仰角范圍內(nèi)，任何仰角處不平衡力矩均等于零的平衡。要設(shè)計(jì)此種平衡機(jī)是困難的，實(shí)踐中一般規(guī)定在仰角范圍內(nèi)不平衡力矩的最大值不超過某一規(guī)定值。 (2) 三點(diǎn)平衡:在仰角范圍內(nèi)，有三個(gè)仰角處不平衡力矩等于零的平衡。 (3) 兩點(diǎn)平衡:在仰角范圍內(nèi)，有兩個(gè)仰角處不平衡力矩等于零的平衡，三點(diǎn)平衡和兩點(diǎn)平衡均可稱為不完全平衡8。1.3 本設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)和主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：在考慮射角，溫度對(duì)平衡機(jī)性能的影響，在滿足手輪力要求的前提下盡可能的設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理的平衡機(jī)。本文主要內(nèi)容包括以下幾部分：

7、(1) 平衡機(jī)類型的選擇；(2) 平衡機(jī)性能計(jì)算；(3) 考慮溫度對(duì)手輪力的影響；(4) 平衡機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(5) 主要元件強(qiáng)度驗(yàn)算。2 平衡機(jī)結(jié)構(gòu)方案2.1 平衡機(jī)的類型平衡機(jī)是一種平衡某些火炮起落部分的重力矩，使俯仰操作或動(dòng)力傳動(dòng)輕便、平穩(wěn)的裝置。平衡機(jī)的位置應(yīng)該是在搖架與上架之間。平衡機(jī)一端鉸接于上架或托架上，一端直接或通過撓性體(如鏈條、鋼纜等)與起落部分連接。根據(jù)總體要求，平衡機(jī)一般制成單件裝于上架或托架一側(cè)或兩件對(duì)稱裝于兩側(cè)。根據(jù)產(chǎn)生平衡機(jī)力的彈性元件不同，分為彈簧式、氣壓式、氣液式和彈簧液體式。按平衡機(jī)對(duì)起落部分施力情況的不同分為拉式平衡機(jī)(即對(duì)起落部分的作用力為拉力的平衡機(jī)，見圖

8、2.1)和推式平衡機(jī)(即對(duì)起落部分的作用力為推力的平衡機(jī)，見圖2.2)。具有平衡機(jī)和高低機(jī)雙重功能的裝置稱為高低平衡機(jī)。此外，還有變行程平衡機(jī)和考慮起落部分質(zhì)心位置變化因素的萬能平衡機(jī)11。 圖2.1 拉式平衡機(jī) 圖2.2 推式平衡機(jī) 彈簧式平衡機(jī)是由彈簧提供平衡力矩的平衡裝置，按所用彈簧類型不同分為螺旋彈簧和扭桿彈簧兩類。螺旋彈簧又分為圓柱螺旋彈簧式平衡機(jī)和平面渦卷彈簧式平衡機(jī)。圓柱螺旋彈簧式平衡機(jī)，隨仰角的增大(或減小)，彈簧壓縮量相應(yīng)減小(或增大)，平衡機(jī)即可向起落部分提供一隨仰角而變化的平衡力矩。此類平衡機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，不受氣溫變化影響，便于維修，應(yīng)用較廣。有拉式和推式二種。拉式的隨施力方

9、向和施力點(diǎn)位置不同又有上拉式和下拉式之分。平面渦卷彈簧式平衡機(jī)，平面渦卷彈簧的一端與上架相連，另一端通過與鏈鼓連接的軸、鏈拉桿與起落部分相連。炮身俯仰時(shí)，彈簧旋緊程度相應(yīng)改變，并通過曲臂、連桿等中間構(gòu)件向起落部分提供一隨仰角而改變的平衡力矩。桿彈簧平衡機(jī)是由彈性桿件的扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生平衡力矩的平衡裝置。彈性桿件可以是圓截面的整體式扭桿彈簧或多層疊板式扭桿彈簧。扭桿彈簧的一端固定連接于上架，另一端通過中間構(gòu)件(如連桿機(jī)構(gòu))與起落部分鉸連。起落部分俯仰時(shí)，通過連桿機(jī)構(gòu)使扭力桿彈簧兩端產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，扭轉(zhuǎn)變形隨仰角的變化而改變，并通過中間機(jī)構(gòu)向起落部分提供一個(gè)隨仰角而變化的平衡力矩。為縮短扭桿彈簧的軸向尺

10、寸，可與扭力筒串聯(lián)使用，而成為扭桿一扭筒式平衡機(jī)，此類平衡機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，維修簡單，壽命較長。另外還有扭桿為多件平行并連的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造較復(fù)雜但傳遞扭矩較大。 氣壓式平衡機(jī)是由被壓縮的氣體產(chǎn)生平衡力矩的平衡裝置。由活塞、外筒、緊塞裝置及開閉器、補(bǔ)償器等組成。外筒和活塞桿用球軸或鉸鏈與上架及搖架鉸接。筒內(nèi)充有高壓氣體(空氣或氮?dú)?，用緊塞裝置和液體進(jìn)行密封。起落部分俯仰時(shí)，活塞桿與外筒相對(duì)移動(dòng)，筒內(nèi)容積及氣體壓強(qiáng)隨仰角而改變。氣體壓力通過活塞桿連接點(diǎn)作用在起落部分上，對(duì)耳軸形成一個(gè)平衡力矩，用以平衡起落部分重力矩，這種平衡機(jī)體積小，重量輕，但密封氣體的緊塞裝置摩擦阻力大且氣體壓強(qiáng)易受環(huán)境溫度影響，通常要

11、用溫度補(bǔ)償器，維護(hù)較麻煩。如果需用兩個(gè)氣壓式平衡機(jī)時(shí)，常左右對(duì)稱布置，且用導(dǎo)管連通，以使兩者工作壓力相同。液體氣壓式平衡機(jī)是利用壓縮氣體作儲(chǔ)能介質(zhì)，由液體傳遞和氣體壓力產(chǎn)生平衡力矩的平衡機(jī)。主體部分裝于火炮上架與搖架間，包括接續(xù)器、活塞桿、活塞、缸體、液壓室、氣壓室及密封環(huán)等。置于上架附近的其它部件有柔性軟管與蓄力器(按需要設(shè)置一個(gè)或多個(gè))。柔性軟管一端與接續(xù)器液體入口連接，另一端通到蓄力器。蓄力器上部為壓縮空氣。搖架仰角增大時(shí)，氣壓室容積增大，壓力下降，油液在蓄力器壓縮空氣作用下經(jīng)柔性軟管、接續(xù)器、活塞桿、活塞流入液壓室，此時(shí)壓縮空氣壓力較小。反之，搖架仰角變小時(shí)，油液反向流動(dòng)，壓縮空氣壓力

12、增大。這種平衡機(jī)較氣壓式平衡機(jī)密封好，摩擦阻力小，便于調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的影響，但結(jié)構(gòu)不緊湊。高低平衡機(jī)是具有高低機(jī)和平衡機(jī)雙重作用的機(jī)構(gòu)。有機(jī)械式和液體氣壓式兩種。機(jī)械式的由螺桿(或滾珠絲桿)式高低機(jī)與彈簧式平衡機(jī)組成。平衡機(jī)的螺旋彈簧套在高低機(jī)螺桿外面，靠螺桿的伸縮實(shí)現(xiàn)仰角變化，由彈簧提供平衡力矩。目前用于大口徑自行炮和牽引炮的多為液體氣壓式的，由作用筒、平衡蓄能器、高低液泵(手動(dòng)或電動(dòng))、補(bǔ)液泵、儲(chǔ)液箱、各種控制閥及管路等液壓元件組成。某大口徑牽引炮高低平衡機(jī)有兩個(gè)相同的作用筒，裝在火炮兩側(cè)，筒體端與上架相連，活塞桿和搖架相連。平衡蓄能器接于雙向高低手搖泵。整個(gè)系統(tǒng)管路及作用筒上下腔都充滿液體

13、時(shí)，搖動(dòng)高低手輪，平衡蓄能器內(nèi)的氣壓就將使作用筒上下腔壓強(qiáng)相等，靠活塞兩面的面積差所產(chǎn)生的總推力來克服起落部分的重力矩。高低手輪與高低手搖泵同軸，手輪不動(dòng)時(shí)，液控單向閥關(guān)閉，火炮起落部分被液力閉鎖，可以進(jìn)行射擊。這時(shí)，緩沖蓄能器與作用筒之間液路仍相通，可起緩沖作用。搖高低手輪時(shí)，雙向高低手搖泵產(chǎn)生的壓力使液控單向閥打開，隨手輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，可使作用筒上下兩腔的液體內(nèi)一腔流向另一腔，火炮仰角即隨之抬高或降低。平衡蓄能器與一般火炮平衡機(jī)作用相同，可克服火炮起落部分重力矩的絕大部分;不平衡力矩、耳軸摩擦力矩和管路阻力由雙向高低手搖泵克服。這種高低平衡機(jī)與獨(dú)立的高低機(jī)和平衡機(jī)相比，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量小，設(shè)

14、計(jì)、調(diào)整得當(dāng)時(shí)高低手輪力很小。缺點(diǎn)是液壓管路較多，不易維護(hù)。液體氣壓式高低平衡機(jī)是大口徑火炮簡化高低機(jī)和平衡機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)12。變行程平衡機(jī)是與起落部分連接端的位移大于平衡機(jī)中活動(dòng)部分位移的平衡機(jī)。高射炮和榴彈炮高低射界大，在某些情況下，平衡機(jī)(拉式)總長度過大，難于布置，所以采用變行程的。這種平衡機(jī)中活動(dòng)部件的位移只有起落部分連接端位移的一半，而可減小平衡機(jī)總長度。萬能平衡機(jī)是能使火炮起落部分在任意仰角下瞄準(zhǔn)或射擊時(shí)都能完全平衡的平衡機(jī)。是與常規(guī)平衡機(jī)的原理不同的新型平衡機(jī)。主要由彈簧筒、兩根對(duì)稱的鏈索和聯(lián)結(jié)裝置組成。平衡彈簧可用圓柱螺旋彈簧或碟形彈簧。彈簧筒固定在炮身正上方的炮架上，彈簧后端

15、與鏈索連接。鏈索繞過滑輪，切點(diǎn)假定為一固定點(diǎn)(實(shí)際有微小變動(dòng))，位于耳軸中心的鉛垂線上。鏈索另一端與后坐部分(炮尾側(cè)面)連接于點(diǎn)，此點(diǎn)位置是隨后坐變化的。這種平衡機(jī)可實(shí)現(xiàn):(1) 射擊前在任意仰角下的瞄準(zhǔn)平衡; (2) 射擊時(shí)在任意仰角下的后坐平衡;(3) 射擊時(shí)在任意仰角下的射擊穩(wěn)定。各類平衡機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)可根據(jù)結(jié)構(gòu)簡便性、緊湊性、維護(hù)保養(yǎng)性、操作靈活性、適應(yīng)性、可靠性及最低費(fèi)用來評(píng)價(jià)。2.2 平衡機(jī)類型選用原則平衡機(jī)作為主要解決火炮起落部分相對(duì)于耳軸產(chǎn)生的不平衡力矩的主要功能部件，它已成為現(xiàn)今中大口徑火炮的基本組成部分。根據(jù)不同形式平衡機(jī)各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求，它們也具有不同的適用場(chǎng)合。 彈

16、簧式平衡機(jī)一般主要用于不平衡力矩相對(duì)較小的火炮上，例如我國的59式57毫米高炮、65式雙管37毫米高炮、54式122毫米榴彈炮和152毫米榴彈炮均采用了彈簧式平衡機(jī):氣壓(液)式平衡機(jī)多用于不平衡力矩較大的大口徑火炮上，例如我國的56式85毫米加農(nóng)榴彈炮、73式100毫米滑膛反坦克炮、66式152毫米加榴炮;扭桿式平衡機(jī)也多用于不平衡力矩較大的大口徑火炮和武器上，例如我國的122毫米自行火箭炮和德國的PzH2000式155毫米自行加榴炮初樣炮都采用了扭桿式平衡機(jī)方案。根據(jù)不同火炮對(duì)平衡機(jī)的特殊使用要求，有些火炮則采用了高低機(jī)、平衡機(jī)“二機(jī)合一”的結(jié)構(gòu)，如美M102式105毫米榴彈炮采用滾珠絲杠

17、與彈簧組成的推式高低平衡機(jī)，美M109A155毫米自行加榴炮采用了氣液拉式高低平衡機(jī)結(jié)構(gòu)等。所有的平衡機(jī)都必須在全部的可變行程和火炮的高低射界內(nèi)為火炮提供必要的平衡力矩。這個(gè)力是由平衡機(jī)的彈性儲(chǔ)能介質(zhì)提供的。與氣壓(液)式平衡機(jī)相比較，彈簧式平衡機(jī)和扭桿式平衡機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性和維修性好、勤務(wù)操作簡便，但是重量和空間要求方面的矛盾比較突出。所以對(duì)平衡機(jī)種類的合理選取并不是一個(gè)隨意、簡單的過程，它將受到火炮武器總體要求的限制和戰(zhàn)場(chǎng)使用與維護(hù)等多方面因素的制約13,14,15。2.3 平衡機(jī)的結(jié)構(gòu)方案 考慮到彈簧式平衡機(jī)和氣壓式平衡機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)如下。1) 彈簧式平衡機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 在任何射角下都能

18、保證起落部分基本平衡；與氣壓式平衡機(jī)相比，摩擦力矩較小，因此手輪力較易保證；彈簧力不受氣溫影響； 維護(hù)保養(yǎng)方便。 缺點(diǎn): 體積大，重量大； 彈簧制作成本高，容易疲勞，折斷； 調(diào)整不易。 2) 氣壓式平衡機(jī)優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 重量輕，外形小： 加工和調(diào)整比較容易。 缺點(diǎn): 平衡性能差。由于緊塞裝置增加了摩擦力，使手輪力加大； 其壓強(qiáng)隨溫度影響而變化，需要設(shè)調(diào)整裝置，經(jīng)常調(diào)節(jié)壓力；維護(hù)保養(yǎng)麻煩15，17。綜合考慮，本設(shè)計(jì)若選用彈簧式平衡機(jī)，則平衡機(jī)的尺寸和重量會(huì)很大，會(huì)影響火炮的機(jī)動(dòng)性，而選用氣壓式平衡機(jī)可減小平衡機(jī)的尺寸和質(zhì)量，這樣就可以滿足火炮的結(jié)構(gòu)和機(jī)動(dòng)性要求，所以，本次設(shè)計(jì)選用氣壓式平衡機(jī)（如

19、圖2.3）。圖2.3 氣壓式平衡機(jī)由于氣壓式平衡機(jī)難以達(dá)到完全平衡，只能采用不完全平衡原理，因此，必須控制其不平衡力矩的最大絕對(duì)值在一定范圍內(nèi)?？墒菍?duì)于某些射角范圍較大的火炮，平衡機(jī)在大射角時(shí)能滿足規(guī)定值的要求，而在小射角時(shí)就超過要求，影響了高低機(jī)手輪力18。為了解決上述問題需要設(shè)置專門的輔助平衡設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般都稱作平衡機(jī)的補(bǔ)償裝置。其補(bǔ)償方法也很簡單，即在平衡機(jī)中只增設(shè)一根小彈簧，小彈簧在座筒內(nèi)，一端頂在座筒下端，座筒固定在內(nèi)筒上，其上有很多小孔，以溝通內(nèi)外筒，彈簧桿穿過座筒，桿上端有凸緣被小彈簧頂著，下端有螺帽，防止桿在大射角時(shí)因彈力作用而脫離座筒。在射角較大時(shí)，小彈簧不起作用，當(dāng)射角

20、減小到5°以下時(shí)，彈簧的凸緣頂在外筒上，小彈簧被壓縮，它對(duì)起落部分作用一附加力，使平衡性能改善。氣壓式平衡機(jī)的平衡補(bǔ)償裝置一般僅在小仰角部分補(bǔ)償。起落部分仰角減小至?xí)r，平衡機(jī)內(nèi)外筒相對(duì)壓縮氣體至小彈簧右端接觸外筒底部時(shí)，開始提供一個(gè)補(bǔ)償力矩。但是，由于本設(shè)計(jì)的火炮力矩很小，而且是小射角，所以不需要平衡補(bǔ)償裝置就能滿足手輪力的要求，故本設(shè)計(jì)并沒有平衡補(bǔ)償裝置。3 平衡機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1 已知數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù)： 射角 時(shí)，起落部分重心至耳軸的中心的距離為；軸線與水平方向的夾角 ；起落部分的重量為；火炮高低射界min=-70，max=350。3.2 起落部分對(duì)于耳軸的重力矩計(jì)算圖3.1 平衡

21、機(jī)示意圖取重力加速為： 由重力矩計(jì)算公式： ； 參考圖3.1，按值每隔50進(jìn)行一次計(jì)算，計(jì)算值列入表3.1表3.1 重力矩計(jì)算結(jié)果 (º)-7-20510 (N·m)4718.74749.34751.44731.44675.4 (º)1520253035 (N·m)4583.94457.64297.34104.43880.33.3 平衡機(jī)力臂和壓縮行程平衡機(jī)傳動(dòng)簡圖如圖3.2所示，圖中符號(hào)代表意義如下：O為耳軸中心；A為平衡機(jī)與搖架鉸接中心；B為平衡機(jī)與上架鉸接中心；是點(diǎn)A與點(diǎn)B之間的距離；r1是點(diǎn)A至點(diǎn)O的距離；r2是點(diǎn)B至點(diǎn)O的距離。參考現(xiàn)有85mm

22、加農(nóng)炮數(shù)據(jù)，選?。?， ，（射角時(shí)候）；圖3.2 上下支點(diǎn)位置 則A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的距離為, 式中， 最大射角時(shí)A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的距離；射角為時(shí)A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的距離；射角為時(shí),O點(diǎn)到AB的垂直距離；平衡機(jī)壓縮行程；即為上圖中的。計(jì)算結(jié)果列于下表3.2。表3.2 各個(gè)射角下力臂和行程(º)-7-20510(º)41.833346.833348.833353.833358.8333（mm）355.3183368.1497373.4617387.0993401.1263H（mm）142.9816150.9129153.5472158.8682162.5024F（mm）117.29261

23、04.461299.149285.511671.4846(º)1520253035(º)63.833368.833373.833378.833383.8333（mm）415.4022429.7991444.2010458.5032472.6109H（mm）164.5986165.2991164.7363163.0312160.2931F（mm）57.208742.811828.409914.10770由表知最大壓縮行程為：mm。3.4 選取平衡點(diǎn)，求取平衡抗力3.4.1 兩點(diǎn)平衡平衡機(jī)產(chǎn)生的抗力矩和重力矩不可能達(dá)到完全平衡，為了使不平衡力矩在各種射角條件下盡量減小，通常采用

24、兩點(diǎn)平衡來進(jìn)行設(shè)計(jì)。即在最小射角和最大射角附近各選一點(diǎn)，是這兩點(diǎn)的平衡力矩和重力矩相等。一般最小射角附近平衡點(diǎn)選取為。若最小射角大于零度時(shí)，由于勤務(wù)要求平衡點(diǎn)也選取零度。最大射角附近平衡點(diǎn)應(yīng)取得合適，過大或過小，都會(huì)增大不平衡力矩，從縮小結(jié)構(gòu)看該點(diǎn)取得大些有利。需要指出，由于氣壓式平衡機(jī)平衡性能差，采用兩點(diǎn)平衡后往往有些射角范圍內(nèi)不平衡力矩仍過大，滿足不了手輪力要求。在一些射角范圍較大的火炮上（如榴彈炮）更為顯著的表現(xiàn)出來。因此這些火炮的平衡機(jī)計(jì)時(shí)，平衡點(diǎn)不是選在最大和最小射角附近，而是取在最大射角和中間射角或最小射角和中間射角附近。3.4.2 氣體壓力和平衡機(jī)抗力 氣體壓力規(guī)律 平衡機(jī)的抗力

25、規(guī)律式中， Pmax對(duì)應(yīng)于射角時(shí)，平衡機(jī)內(nèi)氣體壓力（常以p表示）； P對(duì)應(yīng)于射角時(shí)，平衡機(jī)內(nèi)氣體壓力； n氣體狀態(tài)方程式指數(shù)； S0平衡機(jī)初容積相當(dāng)長度； Kmax最大射角時(shí)平衡機(jī)的抗力（常以K0表示）； K對(duì)應(yīng)于射角時(shí)，平衡機(jī)的抗力。由于平衡機(jī)工作時(shí)，氣體壓縮和擴(kuò)張很慢，接近于等溫過程，故氣體狀態(tài)方程式指數(shù)取得很小，一般取n=1.051.10。本設(shè)計(jì)中平衡機(jī)多變指數(shù)取n=1.05。本設(shè)計(jì)擬采取兩點(diǎn)平衡原理來設(shè)計(jì)。確定和兩點(diǎn)作為平衡點(diǎn)后，即可計(jì)算平衡抗力和,即求得壓縮比m為 由到活塞的壓縮行程為從而計(jì)算平衡機(jī)初容積相當(dāng)長度 平衡機(jī)氣體的初容積應(yīng)為 活塞工作面積A根據(jù)初壓決定，即 本設(shè)計(jì)采用兩點(diǎn)

26、平衡原理，為了使平衡點(diǎn)盡可能選取合理，從而使最大不平衡力矩盡可能的小，選取以下三種平衡點(diǎn)位置方案進(jìn)行比較:(1) 平衡點(diǎn)位置選在=0°和=35°；(2) 平衡點(diǎn)位置選在=-2°和=35°；(3) 平衡點(diǎn)位置選在=5°和=35°；經(jīng)過計(jì)算比較得，只有方案(2)情況下，最大不平衡力矩最小，故選用此方案，即：平衡點(diǎn)位置選在=-2°和=35°。則平衡點(diǎn)處平衡機(jī)的抗力 壓縮比m為 由到活塞的壓縮行程為 從而計(jì)算平衡機(jī)初容積相當(dāng)長度 各個(gè)射角下平衡機(jī)抗力的值記錄表3.3：表3.3 平衡機(jī)抗力(º)-7-20510（N

27、）3266631471310012985528759(º)1520253035（N）27722267472583724991242083.4.3 初壓力、活塞直徑和初容積的選擇 氣壓式平衡機(jī)設(shè)計(jì)中，當(dāng)平衡機(jī)上下支點(diǎn)位置根據(jù)總體布置的要求確定后，主要是設(shè)計(jì)計(jì)算平衡機(jī)的初壓力、活塞直徑和初容積.初壓力P0為對(duì)應(yīng)最大射角是的氣體壓力，P0選取的大一些，可以使平衡機(jī)的的結(jié)構(gòu)尺寸減小，結(jié)構(gòu)緊湊。但會(huì)帶來注氣困難，當(dāng)火炮上備有氣瓶注氣時(shí)，P0可取到4070kg/cm2。為了減小平衡機(jī)的尺寸，本設(shè)計(jì)常溫下選取初壓,則活塞（內(nèi)筒）工作面積 活塞（內(nèi)筒）直徑 即為平衡機(jī)內(nèi)筒的外徑。本設(shè)計(jì)擬采用斯特封密

28、封圈來動(dòng)密封與內(nèi)筒之間的間隙，而采用O型橡膠圈來靜密封與外筒間的間隙。采用O型橡膠圈，它具有良好的變形復(fù)原性，被壓縮時(shí)總有趨于恢復(fù)其原來截面形狀的能力，從而產(chǎn)生壓緊力，并在介質(zhì)壓力作用下產(chǎn)生額外的變形，貼近被密封面，達(dá)到可靠密封介質(zhì)的效果。O型圈是目前被廣泛使用的靜密封結(jié)構(gòu)之一。O型圈也可用于動(dòng)密封，但對(duì)密封面的加工精度要求高，因而較少采用。動(dòng)密封均采用了斯特封密封。斯特封由具有臺(tái)階的密封環(huán)和其外側(cè)的O型圈組合而成。其中，O型圈的材料是具有一定彈性的耐油橡膠，密封環(huán)是彈性較低、摩擦系數(shù)小的材料。這里的O型圈不與運(yùn)動(dòng)部件直接接觸，起靜密封作用；同時(shí)提供彈力并對(duì)密封環(huán)起緊壓作用，對(duì)密封環(huán)的磨損起補(bǔ)

29、償作用。這樣的組合密封具有長壽命、低摩擦、，密封效果好的特點(diǎn)。斯特封主要性能特點(diǎn)是：（1）O形圈不與密封運(yùn)動(dòng)面直接接觸，不存在密封圈翻轉(zhuǎn)，扭曲及被擠入間隙的問題；（2）密封環(huán)具有極低的摩擦系數(shù)，且動(dòng)、靜摩擦系數(shù)變化小，因此，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行；（3）耐壓性好，工作壓力最高可達(dá)80MPa；往復(fù)速度可達(dá)15m/s；圖3.3 斯特封密封圈簡圖（4）密封性能較好，泄漏量極低；（5）性質(zhì)穩(wěn)定，密封環(huán)材料為PTEE及其添加物，耐酸、耐堿性好。斯特封密封圈（圖3.3）的密封具有方向性，單向密封，密封環(huán)的臺(tái)階面朝向壓力的方向。運(yùn)動(dòng)活塞或運(yùn)動(dòng)桿時(shí)，密封槽采用整體式結(jié)構(gòu)。在靜密封的條件下斯特封密封效果更好，動(dòng)密封時(shí)

30、液體壓力越大密封性能越好。在實(shí)際使用中采用兩套斯特封串聯(lián)布置方案，在高速往復(fù)工作狀態(tài)下其泄漏量可達(dá)到近似為零的水平。 活塞直徑計(jì)算所得數(shù)值必須根據(jù)斯特封標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正，然后根據(jù)修正后的數(shù)值重新計(jì)算A和P0的名義值。本設(shè)計(jì)采用的斯特封密封選用深圳東世機(jī)電設(shè)備有限公司的產(chǎn)品，其標(biāo)準(zhǔn)為廠家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。選取，根據(jù)活塞尺寸查廠標(biāo)，選擇產(chǎn)品型號(hào)為：GSJ0750。從而設(shè)計(jì)得出密封槽尺寸：O型圈直徑，槽寬，槽深，被密封運(yùn)動(dòng)面間隙，兩個(gè)密封槽間間隔為20mm，密封環(huán)為廠家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)間件。重新計(jì)算A和P的值。 活塞（內(nèi)筒）工作面積為活塞（內(nèi)筒）直徑為平衡機(jī)氣體初容積為 將各個(gè)射角壓強(qiáng)的值計(jì)算列表表3.4：表3.4 平

31、衡機(jī)氣體壓力規(guī)律（°）-7-20510（MPa）7.39787.12717.02076.76116.5129（°）1520253035（MPa）6.27806.05735.85125.65965.48233.5 摩擦力矩計(jì)算3.5.1 平衡機(jī)內(nèi)筒斯特封密封圈摩擦力矩計(jì)算 平衡機(jī)內(nèi)高壓氣體是通過密封用液體把壓力傳遞給斯特封密封圈和筒壁。作用在密封圈和筒壁上的壓力，可以近似的以為與氣體壓力相等。摩擦力的方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反，因此等火炮打高射角或打低射角時(shí)，摩擦力便起著減小或增大平衡機(jī)抗力的作用。圖3.3 平衡機(jī)內(nèi)筒摩擦力示意圖摩擦力為 ，則摩擦力矩為 式中， 摩擦系數(shù)；活塞直

32、徑（平衡機(jī)內(nèi)筒直徑）； 斯特封密封圈個(gè)數(shù)；斯特封密封圈與內(nèi)筒壁接觸長度（工作部分長度）；平衡機(jī)氣壓；射角時(shí)，耳軸到摩擦力的距離。綜合考慮實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)擬采用一組（兩個(gè)）斯特封來密封與內(nèi)筒的間隙，即取，查詢斯特封標(biāo)準(zhǔn)得知，。將上述數(shù)值帶入公式得各個(gè)射角的摩擦力和摩擦力矩并列入表3.5。表3.5 平衡機(jī)摩擦力摩擦力矩-7-20510 (N)418.1237402.8237396.8100382.1374368.1091(N.m)59.78460.79160.92960.70959.8191520253035 (N)354.8326342.3586330.7098319.8806309.8596(

33、N.m)58.40556.59254.48052.15149.6683.5.2 耳軸軸承的摩擦力矩的計(jì)算對(duì)耳軸軸承的摩擦力矩為耳軸軸承在起落過程中由于摩擦產(chǎn)生的阻力矩，則式中，d耳軸直徑；軸承的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取為0.10.2；瞄準(zhǔn)時(shí)作用在耳軸的徑向合力，對(duì)現(xiàn)有平衡機(jī)的火炮，忽略了高低機(jī)齒輪上的作用力，按下式計(jì)算式中，平衡機(jī)抗力；作用線與垂直線的夾角。從實(shí)際計(jì)算過程可知，耳軸的摩擦力矩?cái)?shù)值相對(duì)于其它摩擦力矩相比小很多，可以用公式代替，對(duì)手輪力的計(jì)算產(chǎn)生的誤差不大，可以認(rèn)為為定值。參考設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取，則代入公式中計(jì)算可得到得耳軸軸承的摩擦力矩為3.5.3 平衡機(jī)上下支點(diǎn)摩擦力矩以表示搖架鉸鏈摩

34、擦力矩，則以表示上架鉸鏈摩擦力矩，則式中，高平機(jī)上支點(diǎn)鉸軸與鉸軸孔的摩擦系數(shù)，查表取為0.1； 高平機(jī)下支點(diǎn)球軸與球軸座的摩擦系數(shù)； 高平機(jī)上支鉸軸孔的直徑； 高平機(jī)下支點(diǎn)球軸的直徑；將各個(gè)射角時(shí)候，上下支點(diǎn)摩擦力矩計(jì)算結(jié)果列表3.6。表3.6 各個(gè)射角時(shí)候上下支點(diǎn)摩擦力矩（°）-7-20510（N.m）71.586755.901060.056562.153740.5927（N.m）22.58768.694413.555017.3716-2.5458（°）1520253035（N.m）25.206733.666949.606248.907732.8456（N.m）-16.3

35、758-6.453710.850811.4212-3.46643.6 平衡機(jī)有效力矩和不平衡力矩3.6.1 有效力矩 各種射角時(shí)平衡機(jī)的抗力為不計(jì)入摩擦力時(shí)候的平衡機(jī)抗力矩為起落部分上升時(shí)平衡機(jī)的有效力矩為起落部分下降時(shí)平衡機(jī)的有效力矩為3.6.2 不平衡力矩 不平衡力矩指重力矩與平衡機(jī)有效力矩之差，則起落部分上升時(shí)不平衡力矩為起落部分下降時(shí)不平衡力矩為 由上述兩公式知：打高時(shí)，不平衡力矩時(shí)，為主動(dòng)力矩；時(shí)，為阻力矩；打低時(shí)，不平衡力矩時(shí)，為主動(dòng)力矩；時(shí)，為阻力矩。3.7 手輪力計(jì)算由高低機(jī)結(jié)構(gòu)得知：手輪半徑高低機(jī)傳動(dòng)比 高低機(jī)效率 起落部分上升時(shí)手輪力 起落部分下降時(shí)手輪力 式中，上升時(shí)候平

36、衡機(jī)最大不平衡力矩；下降時(shí)候平衡機(jī)最大不平衡力矩。上面情況都是在常溫（）下進(jìn)行設(shè)計(jì)的，將計(jì)算的各個(gè)射角下的不平衡力矩和手輪力變化情況列于表3.7中，以便于分析和比較。表3.7 常溫（）時(shí)候的結(jié)果（°）（MPa）(N·m)(N·m)(N·m)(N·m)(N·m)（N）（N）-77.39784718.74509.84831.3-208.876-112.6505-22.2682-12.0096-27.12714749.34594.34904.3-154.949-155.0754-16.5191-16.532607.02074751.4460

37、7.54912.6-143.872-161.2089-15.3382-17.186456.76114731.44596.84889.0-134.574-157.5793-14.3469-16.7995106.51294675.44534.04812.7-141.469-137.2779-15.082-14.6352156.27804583.94430.34695.5-153.642-111.5550-16.3797-11.8929206.05734457.64295.34547.1-162.238-89.5080-17.2962-9.5424255.85124297.34136.94375.5

38、-160.392-78.1770-17.0993-8.3344305.65964104.43961.44187.1-143.038-82.7423-15.2493-8.8211355.48233880.33773.63987.0-106.684-106.7714-11.3736-11.3829注：手輪力為正，表示手輪力方向與運(yùn)動(dòng)方向一致；手輪力為負(fù)，表示手輪力方向與運(yùn)動(dòng)方向相反。 由表3.7的數(shù)據(jù)可知：上升時(shí)候高低機(jī)手輪力最大為： 下降時(shí)候高低機(jī)手輪力最大為： 由此可知，常溫下高低機(jī)的手輪力都很小，沒有超過要求的最大手輪力，故所設(shè)計(jì)的方案可行。3.8 平衡機(jī)的工作曲線和力矩曲線 根據(jù)表3.7的

39、數(shù)據(jù)，可作出平衡機(jī)的力矩變化曲線，如圖3.4。圖3.4 常溫下平衡機(jī)工作曲線圖圖中:Mq起落部分重力矩；Mk不計(jì)摩擦力時(shí)平衡機(jī)力矩；Mc起落部分下降時(shí)，計(jì)入摩擦力在內(nèi)的有效平衡機(jī)力矩；Mg起落部分上升時(shí)，計(jì)入摩擦力在內(nèi)的有效平衡機(jī)力矩。曲線Mg和Mc之間的區(qū)域稱為摩擦區(qū)域。設(shè)計(jì)平衡機(jī)時(shí)應(yīng)該盡量使重力矩曲線夾在上述兩曲線的中間，以保證火炮打高射角和打低射角時(shí)，不平衡力矩相差不大。觀察圖3.4發(fā)現(xiàn)，重力矩曲線在兩不平衡力矩之間，說明本設(shè)計(jì)取得平衡點(diǎn)比較成功，這樣會(huì)使不平衡力矩波動(dòng)差別不大，手輪力力改變量相對(duì)緩慢，使火炮能獲得更好的射擊性能，是有利于設(shè)計(jì)的。根據(jù)表3.7的數(shù)據(jù)，可作出平衡機(jī)的不平衡力

40、矩變化曲線，如圖3.5。圖3.5 常溫下不平衡力矩圖圖中：OMg上升時(shí)候，不平衡力矩；OMc下降時(shí)候，不平衡力矩；從圖3.5中可以看出：上升時(shí)候，由于重力矩大于平衡機(jī)力矩，不平衡力矩OMg<0，運(yùn)動(dòng)方向相反，不平衡力矩起阻力力矩的作用。下降時(shí)候，由于重力矩小于平衡機(jī)力矩，不平衡力矩OMg<0，運(yùn)動(dòng)方向相反，不平衡力矩仍然起阻力力矩的作用。4 溫度對(duì)手輪力的影響4.1 壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系由于氣壓式平衡機(jī)受溫度變化的影響很明顯，如122mm加農(nóng)炮，當(dāng)氣溫變化56時(shí)，相應(yīng)氣壓改變1kg/cm2，由此造成手輪力的改變達(dá)2kg。為了使火炮能在一定的溫度范圍內(nèi)正常工作，手輪力該變量不超過規(guī)定值，

41、在設(shè)計(jì)過程還必須考慮溫度對(duì)平衡機(jī)。根據(jù)理想氣體的等容定理，有式中， T當(dāng)前溫度； 當(dāng)前溫度對(duì)應(yīng)的氣壓； 對(duì)應(yīng)于溫度為15，射角為時(shí)的氣壓。由此得到則壓強(qiáng)的變化量為引起的力變化量為引起的力矩變化量為故手輪力的變化量為4.2 特定溫度下射角變化對(duì)手輪力的影響由于在各個(gè)溫度下，平衡機(jī)的氣壓均不相同，引起平衡機(jī)手輪力的不同，因此，選取-40，-15，0，30，50五個(gè)特定的溫度下的結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算。有關(guān)計(jì)算結(jié)果見表4.1到表4.6和圖4.1到圖4.10。表4.1 高溫(T=50)時(shí)候的結(jié)果（°）（MPa）(N·m)(N·m)(N·m)(N·m)(N&#

42、183;m)（N）（N）-78.29684718.75077.4 5398.9 358.7297 -680.2557 38.2441 -72.5219 -27.99334749.35171.55481.5422.2255-732.250145.0134-78.065007.87394751.45186.05491.1434.6060-739.687046.3333-78.857957.58284731.45173.25465.4441.8199-733.972947.1023-78.2487107.30454675.45101.95380.7426.4711-705.218245.4660-7

43、5.1832157.04104583.94984.8 5250.0 400.8754 -666.0720 42.7372 -71.0098 206.79344457.64832.65084.4375.0609-626.807139.9852-66.8238256.56234297.34654.24892.7356.8564-595.425138.0444-63.4782306.34744104.44456.54682.3352.0964-577.877137.5369-61.6074356.14863880.34245.24458.6364.8825-578.337938.9001-61.65

44、65圖4.1 高溫（T=50）下Mq、Mg、Mc曲線圖圖4.2 高溫（T=50）下的，曲線圖表4.2 高溫(T=30)時(shí)候的結(jié)果（°）（MPa）(N·m)(N·m)(N·m)(N·m)(N·m)（N）（N）-77.7831 4718.74753.1 5074.6 34.3839 -355.9099 3.6657 -37.9435 -27.49834749.34841.75151.792.4114-402.43609.8520-42.903607.38634751.44855.45160.5104.0470-409.128111.092

45、4-43.617157.11324731.44843.85136.0 112.4522-404.605111.9885-43.1349106.85224675.44777.45056.1101.9338-380.680910.8671-40.5843156.6050 4583.94667.9 4933.1 84.0085 -349.2051 8.9561 -37.2287 206.37284457.64525.64777.368.0328-319.77917.2530-34.0916256.15594297.34358.64597.261.2860-299.85486.5337-31.9675

46、305.95444104.44173.64399.369.1623-294.94297.3734-31.4438355.76783880.33975.74189.195.4160-308.871310.1723-32.9287圖4.3 高溫（T=30）下Mq、Mg、Mc曲線圖圖4.4 高溫（T=30）下的，曲線圖表4.3 低溫(T=0)時(shí)候的結(jié)果（°）（MPa）(N·m)(N·m)(N·m)(N·m)(N·m)（N）（N）-77.0125 4718.74266.6 4588.1 -452.135130.6089 -48.20213.9

47、242 -26.75594749.34347.04657.0-402.3192.2852-42.89029.838506.65504751.44359.64664.7-391.79186.7103-41.76889.244256.40904731.44349.84641.9-381.689.4466-40.68229.5359106.17374675.44290.64569.3-384.872106.1251-41.031211.3140155.9511 4583.94192.6 4457.8 -391.292126.0952 -41.715513.4430 205.74184457.6406

48、5.14316.8-392.509140.7630-41.845315.0067255.54644297.33915.34153.8-382.07143.5008-40.732415.2986305.36494104.43749.23974.9-355.239129.4584-37.87213.8015355.19683880.33571.53784.9-308.78495.3285-32.919410.1630圖4.5 低溫（T=0）下Mq、Mg、Mc曲線圖圖4.6 低溫（T=0）下的，曲線圖表4.4 低溫(T=-15)時(shí)候的結(jié)果（°）（MPa）(N·m)(N·

49、m)(N·m)(N·m)(N·m)（N）（N）-76.6272 4718.74023.3 4344.8 -695.394373.8683 -74.135939.8580 -26.38474749.34099.64409.6-649.67339.6458-69.261236.209606.28944751.44111.74416.8-639.711334.6296-68.199435.674856.05684731.44102.84394.9-628.625336.4724-67.017635.8713105.83454675.44047.24325.9-628.275349.5281-66.980337.2631155.6241 4583.93955.0 4220.2 -628.942363.7454 -67