85加平衡機設(shè)計

1、中北大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計說明書1 緒論 火炮是戰(zhàn)場上的火力骨干，以其火力強、靈活可靠、經(jīng)濟性和通用性好等優(yōu)點，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中得到了廣泛的應(yīng)用。火炮既可摧毀地面各種目標，也可以擊毀空中的飛機和海上的艦艇。因此，作為提供進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、平衡機和緩沖裝置的出現(xiàn)與改進，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)對活動目標射擊，炮架上采用了機械、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耳軸中心形成很大的重力矩。在將炮身打高時，起落部分的重力矩與慣性力矩相同，使得手輪力很大，甚至無法進行高低瞄準3。在將炮身打低時，起落部分的重力矩與慣性力矩反向，由于瞄準機的自鎖性要求，使得高低瞄準不平穩(wěn)，炮身抖動，甚至產(chǎn)生沖擊。于是，為了解決這一問題，平衡機就應(yīng)運而生了。1.1 平衡機的作用隨著現(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；為了避免大射角時跑位后坐碰地，以及便于裝填炮彈和安裝其他機構(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相對于耳軸形成一個重力矩Mq，在這種情況下，起落部分會自然下垂，為了不是其下垂，就要給高低機齒弧以相當大的力。這樣要增加炮身射角時，則十分費力，以致人力不能勝任；而需要打小射角時，由于重力矩作用，會在高低齒弧減產(chǎn)上猛烈沖擊和跳動。為了避免這種情況，就需要在耳軸前方對耳軸部分外加一個推力，形成對耳軸的平衡力矩，其方向與重力矩相反，并使這兩個力矩相等或倆力矩相差不大，從而保證操作高低機時，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；其缺點是起落部分重力增加。2） 平衡機平衡用專門設(shè)計的平衡機裝置產(chǎn)生的拉力來達到提供平衡力矩的目的。這種方法與配重平衡相比，平衡機結(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。 由此可知平衡機的作用就是產(chǎn)生一個平衡力，形成一個對耳軸的力矩，來平衡起落部分對耳軸的力矩，使操作炮身俯仰或傳動時輕便平穩(wěn)6。1.2 平衡機的工作原理圖1.1為平衡機的原理簡圖。為了討論的方便，進行了如下的假設(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)；仰角；平衡機力；平衡機力作用點距耳軸中心距離；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;平衡機平衡力矩M則隨夾角R2的余弦函數(shù)值和平衡機作用力而變化，與平衡機型式結(jié)構(gòu)及安裝位置有關(guān)。起落部分重力矩與平衡機的平衡力矩之差的絕對值稱為不平衡力矩，它是計算高低機手輪力或高低傳動裝置輸出扭矩的主要考慮因素 (還包

6、括高低傳動系統(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)計此種平衡機是困難的，實踐中一般規(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) 三點平衡:在仰角范圍內(nèi)，有三個仰角處不平衡力矩等于零的平衡。 (3) 兩點平衡:在仰角范圍內(nèi)，有兩個仰角處不平衡力矩等于零的平衡，三點平衡和兩點平衡均可稱為不完全平衡8。1.3 本設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)和主要內(nèi)容本設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)主要有：在考慮射角，溫度對平衡機性能的影響，在滿足手輪力要求的前提下盡可能的設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理的平衡機。本文主要內(nèi)容包括以下幾部分：

7、(1) 平衡機類型的選擇；(2) 平衡機性能計算；(3) 考慮溫度對手輪力的影響；(4) 平衡機結(jié)構(gòu)設(shè)計；(5) 主要元件強度驗算。2 平衡機結(jié)構(gòu)方案2.1 平衡機的類型平衡機是一種平衡某些火炮起落部分的重力矩，使俯仰操作或動力傳動輕便、平穩(wěn)的裝置。平衡機的位置應(yīng)該是在搖架與上架之間。平衡機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，平衡機一般制成單件裝于上架或托架一側(cè)或兩件對稱裝于兩側(cè)。根據(jù)產(chǎn)生平衡機力的彈性元件不同，分為彈簧式、氣壓式、氣液式和彈簧液體式。按平衡機對起落部分施力情況的不同分為拉式平衡機(即對起落部分的作用力為拉力的平衡機，見圖

8、2.1)和推式平衡機(即對起落部分的作用力為推力的平衡機，見圖2.2)。具有平衡機和高低機雙重功能的裝置稱為高低平衡機。此外，還有變行程平衡機和考慮起落部分質(zhì)心位置變化因素的萬能平衡機11。 圖2.1 拉式平衡機 圖2.2 推式平衡機 彈簧式平衡機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和平面渦卷彈簧式平衡機。圓柱螺旋彈簧式平衡機，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，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，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(如連桿機構(gòu))與起落部分鉸連。起落部分俯仰時，通過連桿機構(gòu)使扭力桿彈簧兩端產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，扭轉(zhuǎn)變形隨仰角的變化而改變，并通過中間機構(gòu)向起落部分提供一個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，此類平衡機結(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(空氣或氮氣)，用緊塞裝置和液體進行密封。起落部分俯仰時，活塞桿與外筒相對移動，筒內(nèi)容積及氣體壓強隨仰角而改變。氣體壓力通過活塞桿連接點作用在起落部分上，對耳軸形成一個平衡力矩，用以平衡起落部分重力矩，這種平衡機體積小，重量輕，但密封氣體的緊塞裝置摩擦阻力大且氣體壓強易受環(huán)境溫度影響，通常要

11、用溫度補償器，維護較麻煩。如果需用兩個氣壓式平衡機時，常左右對稱布置，且用導(dǎo)管連通，以使兩者工作壓力相同。液體氣壓式平衡機是利用壓縮氣體作儲能介質(zhì)，由液體傳遞和氣體壓力產(chǎn)生平衡力矩的平衡機。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)置一個或多個)。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，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，此時壓縮空氣壓力較小。反之，搖架仰角變小時，油液反向流動，壓縮空氣壓力

12、增大。這種平衡機較氣壓式平衡機密封好，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。高低平衡機是具有高低機和平衡機雙重作用的機構(gòu)。有機械式和液體氣壓式兩種。機械式的由螺桿(或滾珠絲桿)式高低機與彈簧式平衡機組成。平衡機的螺旋彈簧套在高低機螺桿外面，靠螺桿的伸縮實現(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(手動或電動)、補液泵、儲液箱、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有兩個相同的作用筒，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。整個系統(tǒng)管路及作用筒上下腔都充滿液體

13、時，搖動高低手輪，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，手輪不動時，液控單向閥關(guān)閉，火炮起落部分被液力閉鎖，可以進行射擊。這時，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，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。這種高低平衡機與獨立的高低機和平衡機相比，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量小，設(shè)

14、計、調(diào)整得當時高低手輪力很小。缺點是液壓管路較多，不易維護。液體氣壓式高低平衡機是大口徑火炮簡化高低機和平衡機的發(fā)展趨勢12。變行程平衡機是與起落部分連接端的位移大于平衡機中活動部分位移的平衡機。高射炮和榴彈炮高低射界大，在某些情況下，平衡機(拉式)總長度過大，難于布置，所以采用變行程的。這種平衡機中活動部件的位移只有起落部分連接端位移的一半，而可減小平衡機總長度。萬能平衡機是能使火炮起落部分在任意仰角下瞄準或射擊時都能完全平衡的平衡機。是與常規(guī)平衡機的原理不同的新型平衡機。主要由彈簧筒、兩根對稱的鏈索和聯(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，切點假定為一固定點(實際有微小變動)，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，此點位置是隨后坐變化的。這種平衡機可實現(xiàn):(1) 射擊前在任意仰角下的瞄準平衡; (2) 射擊時在任意仰角下的后坐平衡;(3) 射擊時在任意仰角下的射擊穩(wěn)定。各類平衡機的優(yōu)缺點可根據(jù)結(jié)構(gòu)簡便性、緊湊性、維護保養(yǎng)性、操作靈活性、適應(yīng)性、可靠性及最低費用來評價。2.2 平衡機類型選用原則平衡機作為主要解決火炮起落部分相對于耳軸產(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)不同形式平衡機各自的結(jié)構(gòu)特點和使用要求，它們也具有不同的適用場合。 彈

16、簧式平衡機一般主要用于不平衡力矩相對較小的火炮上，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:氣壓(液)式平衡機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方案。根據(jù)不同火炮對平衡機的特殊使用要求，有些火炮則采用了高低機、平衡機“二機合一”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，美M109A155毫米自行加榴炮采用了氣液拉式高低平衡機結(jié)構(gòu)等。所有的平衡機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。這個力是由平衡機的彈性儲能介質(zhì)提供的。與氣壓(液)式平衡機相比較，彈簧式平衡機和扭桿式平衡機結(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。所以對平衡機種類的合理選取并不是一個隨意、簡單的過程，它將受到火炮武器總體要求的限制和戰(zhàn)場使用與維護等多方面因素的制約13,14,15。2.3 平衡機的結(jié)構(gòu)方案 考慮到彈簧式平衡機和氣壓式平衡機優(yōu)缺點如下。1) 彈簧式平衡機的優(yōu)缺點 優(yōu)點： 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； 維護保養(yǎng)方便。 缺點: 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) 氣壓式平衡機優(yōu)缺點 優(yōu)點： 重量輕，外形?。?加工和調(diào)整比較容易。 缺點: 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；維護保養(yǎng)麻煩15，17。綜合考慮，本設(shè)計若選用彈簧式平衡機，則平衡機的尺寸和重量會很大，會影響火炮的機動性，而選用氣壓式平衡機可減小平衡機的尺寸和質(zhì)量，這樣就可以滿足火炮的結(jié)構(gòu)和機動性要求，所以，本次設(shè)計選用氣壓式平衡機（如

19、圖2.3）。圖2.3 氣壓式平衡機由于氣壓式平衡機難以達到完全平衡，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值在一定范圍內(nèi)。可是對于某些射角范圍較大的火炮，平衡機在大射角時能滿足規(guī)定值的要求，而在小射角時就超過要求，影響了高低機手輪力18。為了解決上述問題需要設(shè)置專門的輔助平衡設(shè)備進行調(diào)節(jié)，一般都稱作平衡機的補償裝置。其補償方法也很簡單，即在平衡機中只增設(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，防止桿在大射角時因彈力作用而脫離座筒。在射角較大時，小彈簧不起作用，當射角

20、減小到5°以下時，彈簧的凸緣頂在外筒上，小彈簧被壓縮，它對起落部分作用一附加力，使平衡性能改善。氣壓式平衡機的平衡補償裝置一般僅在小仰角部分補償。起落部分仰角減小至?xí)r，平衡機內(nèi)外筒相對壓縮氣體至小彈簧右端接觸外筒底部時，開始提供一個補償力矩。但是，由于本設(shè)計的火炮力矩很小，而且是小射角，所以不需要平衡補償裝置就能滿足手輪力的要求，故本設(shè)計并沒有平衡補償裝置。3 平衡機設(shè)計與計算3.1 已知數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù)： 射角 時，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 起落部分對于耳軸的重力矩計算圖3.1 平衡

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

22、加農(nóng)炮數(shù)據(jù)，選?。?， ，（射角時候）；圖3.2 上下支點位置 則A點與B點之間的距離為, 式中， 最大射角時A點與B點之間的距離；射角為時A點和B點之間的距離；射角為時,O點到AB的垂直距離；平衡機壓縮行程；即為上圖中的。計算結(jié)果列于下表3.2。表3.2 各個射角下力臂和行程(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，求取平衡抗力3.4.1 兩點平衡平衡機產(chǎn)生的抗力矩和重力矩不可能達到完全平衡，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、兩點平衡來進行設(shè)計。即在最小射角和最大射角附近各選一點，是這兩點的平衡力矩和重力矩相等。一般最小射角附近平衡點選取為。若最小射角大于零度時，由于勤務(wù)要求平衡點也選取零度。最大射角附近平衡點應(yīng)取得合適，過大或過小，都會增大不平衡力矩，從縮小結(jié)構(gòu)看該點取得大些有利。需要指出，由于氣壓式平衡機平衡性能差，采用兩點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計時，平衡點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 氣體壓力和平衡機抗力 氣體壓力規(guī)律 平衡機的抗力

25、規(guī)律式中， Pmax對應(yīng)于射角時，平衡機內(nèi)氣體壓力（常以p表示）； P對應(yīng)于射角時，平衡機內(nèi)氣體壓力； n氣體狀態(tài)方程式指數(shù)； S0平衡機初容積相當長度； Kmax最大射角時平衡機的抗力（常以K0表示）； K對應(yīng)于射角時，平衡機的抗力。由于平衡機工作時，氣體壓縮和擴張很慢，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)計中平衡機多變指數(shù)取n=1.05。本設(shè)計擬采取兩點平衡原理來設(shè)計。確定和兩點作為平衡點后，即可計算平衡抗力和,即求得壓縮比m為 由到活塞的壓縮行程為從而計算平衡機初容積相當長度 平衡機氣體的初容積應(yīng)為 活塞工作面積A根據(jù)初壓決定，即 本設(shè)計采用兩點

26、平衡原理，為了使平衡點盡可能選取合理，從而使最大不平衡力矩盡可能的小，選取以下三種平衡點位置方案進行比較:(1) 平衡點位置選在=0°和=35°；(2) 平衡點位置選在=-2°和=35°；(3) 平衡點位置選在=5°和=35°；經(jīng)過計算比較得，只有方案(2)情況下，最大不平衡力矩最小，故選用此方案，即：平衡點位置選在=-2°和=35°。則平衡點處平衡機的抗力 壓縮比m為 由到活塞的壓縮行程為 從而計算平衡機初容積相當長度 各個射角下平衡機抗力的值記錄表3.3：表3.3 平衡機抗力(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 氣壓式平衡機設(shè)計中，當平衡機上下支點位置根據(jù)總體布置的要求確定后，主要是設(shè)計計算平衡機的初壓力、活塞直徑和初容積.初壓力P0為對應(yīng)最大射角是的氣體壓力，P0選取的大一些，可以使平衡機的的結(jié)構(gòu)尺寸減小，結(jié)構(gòu)緊湊。但會帶來注氣困難，當火炮上備有氣瓶注氣時，P0可取到4070kg/cm2。為了減小平衡機的尺寸，本設(shè)計常溫下選取初壓,則活塞（內(nèi)筒）工作面積 活塞（內(nèi)筒）直徑 即為平衡機內(nèi)筒的外徑。本設(shè)計擬采用斯特封密

28、封圈來動密封與內(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型圈也可用于動密封，但對密封面的加工精度要求高，因而較少采用。動密封均采用了斯特封密封。斯特封由具有臺階的密封環(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型圈不與運動部件直接接觸，起靜密封作用；同時提供彈力并對密封環(huán)起緊壓作用，對密封環(huán)的磨損起補

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。斯特封主要性能特點是：（1）O形圈不與密封運動面直接接觸，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、靜摩擦系數(shù)變化小，因此，運動平穩(wěn)，無爬行；（3）耐壓性好，工作壓力最高可達80MPa；往復(fù)速度可達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)的臺階面朝向壓力的方向。運動活塞或運動桿時，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，動密封時

30、液體壓力越大密封性能越好。在實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)下其泄漏量可達到近似為零的水平。 活塞直徑計算所得數(shù)值必須根據(jù)斯特封標準進行修正，然后根據(jù)修正后的數(shù)值重新計算A和P0的名義值。本設(shè)計采用的斯特封密封選用深圳東世機電設(shè)備有限公司的產(chǎn)品，其標準為廠家生產(chǎn)標準。選取，根據(jù)活塞尺寸查廠標，選擇產(chǎn)品型號為：GSJ0750。從而設(shè)計得出密封槽尺寸：O型圈直徑，槽寬，槽深，被密封運動面間隙，兩個密封槽間間隔為20mm，密封環(huán)為廠家生產(chǎn)標準間件。重新計算A和P的值。 活塞（內(nèi)筒）工作面積為活塞（內(nèi)筒）直徑為平衡機氣體初容積為 將各個射角壓強的值計算列表表3.4：表3.4 平

31、衡機氣體壓力規(guī)律（°）-7-20510（MPa）7.39787.12717.02076.76116.5129（°）1520253035（MPa）6.27806.05735.85125.65965.48233.5 摩擦力矩計算3.5.1 平衡機內(nèi)筒斯特封密封圈摩擦力矩計算 平衡機內(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運動方向相反，因此等火炮打高射角或打低射角時，摩擦力便起著減小或增大平衡機抗力的作用。圖3.3 平衡機內(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（平衡機內(nèi)筒直徑）； 斯特封密封圈個數(shù)；斯特封密封圈與內(nèi)筒壁接觸長度（工作部分長度）；平衡機氣壓；射角時，耳軸到摩擦力的距離。綜合考慮實際情況，本設(shè)計擬采用一組（兩個）斯特封來密封與內(nèi)筒的間隙，即取，查詢斯特封標準得知，。將上述數(shù)值帶入公式得各個射角的摩擦力和摩擦力矩并列入表3.5。表3.5 平衡機摩擦力摩擦力矩-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算對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；軸承的滑動摩擦系數(shù)，一般取為0.10.2；瞄準時作用在耳軸的徑向合力，對現(xiàn)有平衡機的火炮，忽略了高低機齒輪上的作用力，按下式計算式中，平衡機抗力；作用線與垂直線的夾角。從實際計算過程可知，耳軸的摩擦力矩數(shù)值相對于其它摩擦力矩相比小很多，可以用公式代替，對手輪力的計算產(chǎn)生的誤差不大，可以認為為定值。參考設(shè)計手冊，選取，則代入公式中計算可得到得耳軸軸承的摩擦力矩為3.5.3 平衡機上下支點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，高平機上支點鉸軸與鉸軸孔的摩擦系數(shù)，查表取為0.1； 高平機下支點球軸與球軸座的摩擦系數(shù)； 高平機上支鉸軸孔的直徑； 高平機下支點球軸的直徑；將各個射角時候，上下支點摩擦力矩計算結(jié)果列表3.6。表3.6 各個射角時候上下支點摩擦力矩（°）-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 平衡機有效力矩和不平衡力矩3.6.1 有效力矩 各種射角時平衡機的抗力為不計入摩擦力時候的平衡機抗力矩為起落部分上升時平衡機的有效力矩為起落部分下降時平衡機的有效力矩為3.6.2 不平衡力矩 不平衡力矩指重力矩與平衡機有效力矩之差，則起落部分上升時不平衡力矩為起落部分下降時不平衡力矩為 由上述兩公式知：打高時，不平衡力矩時，為主動力矩；時，為阻力矩；打低時，不平衡力矩時，為主動力矩；時，為阻力矩。3.7 手輪力計算由高低機結(jié)構(gòu)得知：手輪半徑高低機傳動比 高低機效率 起落部分上升時手輪力 起落部分下降時手輪力 式中，上升時候平

36、衡機最大不平衡力矩；下降時候平衡機最大不平衡力矩。上面情況都是在常溫（）下進行設(shè)計的，將計算的各個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動方向一致；手輪力為負，表示手輪力方向與運動方向相反。 由表3.7的數(shù)據(jù)可知：上升時候高低機手輪力最大為： 下降時候高低機手輪力最大為： 由此可知，常溫下高低機的手輪力都很小，沒有超過要求的最大手輪力，故所設(shè)計的方案可行。3.8 平衡機的工作曲線和力矩曲線 根據(jù)表3.7的

39、數(shù)據(jù)，可作出平衡機的力矩變化曲線，如圖3.4。圖3.4 常溫下平衡機工作曲線圖圖中:Mq起落部分重力矩；Mk不計摩擦力時平衡機力矩；Mc起落部分下降時，計入摩擦力在內(nèi)的有效平衡機力矩；Mg起落部分上升時，計入摩擦力在內(nèi)的有效平衡機力矩。曲線Mg和Mc之間的區(qū)域稱為摩擦區(qū)域。設(shè)計平衡機時應(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，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)計取得平衡點比較成功，這樣會使不平衡力矩波動差別不大，手輪力力改變量相對緩慢，使火炮能獲得更好的射擊性能，是有利于設(shè)計的。根據(jù)表3.7的數(shù)據(jù)，可作出平衡機的不平衡力

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上升時候，不平衡力矩；OMc下降時候，不平衡力矩；從圖3.5中可以看出：上升時候，由于重力矩大于平衡機力矩，不平衡力矩OMg<0，運動方向相反，不平衡力矩起阻力力矩的作用。下降時候，由于重力矩小于平衡機力矩，不平衡力矩OMg<0，運動方向相反，不平衡力矩仍然起阻力力矩的作用。4 溫度對手輪力的影響4.1 壓強與溫度的關(guān)系由于氣壓式平衡機受溫度變化的影響很明顯，如122mm加農(nóng)炮，當氣溫變化56時，相應(yīng)氣壓改變1kg/cm2，由此造成手輪力的改變達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)計過程還必須考慮溫度對平衡機。根據(jù)理想氣體的等容定理，有式中， T當前溫度； 當前溫度對應(yīng)的氣壓； 對應(yīng)于溫度為15，射角為時的氣壓。由此得到則壓強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手輪力的影響由于在各個溫度下，平衡機的氣壓均不相同，引起平衡機手輪力的不同，因此，選取-40，-15，0，30，50五個特定的溫度下的結(jié)果進行分析計算。有關(guān)計算結(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