防暴发射器增程设计研究_丁成

2011年第32卷第6期中北大学学报(自然科学版)V ol.32　N o.6　2011 (总第140期)JO URNAL OF NORTH UNIVERSITY OF CH I NA(N ATURAL SCI ENCE EDITIO N)(Sum No.140)文章编号:1673-3193(2011)06-0688-05防暴发射器增程设计研究丁　成1,吴占文2,彭维仕1(1.武警工程学院装备运输系,陕西西安710086; 2.武警工程学院基础部,陕西西安710086)摘　要:　为了拓宽防暴发射器射程覆盖范围,提高其处置大规模群体事件的效能,分析了国产9管38mm防暴弹发射器射程和弹丸初速的影响因素,着重定量分析了装药密度、发射管长度与武器初速的关系,给出了增加装药密度和发射管长度来提高弹丸初速的技术途径;运用实体参数化设计软件Pro/Eng ineer完成了发射管长度增加后防暴发射器的平衡设计;运用有限元分析软件AN SY S分析了弹丸初速提高到75m/s对缓冲钩强度的影响,得出了其强度仍能满足设计要求.研究表明,增加装药密度和发射管长度均可提高防暴发射器初速,从而增大其射程,优化其设计.关键词:　增程设计;定量分析;防暴发射器中图分类号:　T J29 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2011.06.007Extended-Range Design of Anti-Riot Grenade LauncherDIN G Cheng1,W U Zhan-w en2,PEN G Wei-shi1(1.Dept.of Equipment T ra nspor t,A rmed Police Enginee ring Co lleg e,Xi’an710086,China;2.Dept.of Basic Cour se,Armed Po lice Engineering Colleg e,Xi’a n710086,China)Abstract:In order to ex tend the cov erage area on fire rang e of a nti-riot launcher a nd im prov e the efficiency of treating g ro up ev ents,the influence factors of fire range and m uzzle v elocity of pro jectile of the dom estic nine-tube38mm a nti-riot grenade launcher w ere analy zed theoretically.And the rela tionship betw een charge density,ba rrel leng th a nd m uzzle v elocity of pro jectile w ere analy zed quantitativ ely and selectiv ely.A technical way o f increasing cha rg e density and barrel leng th w as giv en to raise the m uzzle v elocity of projectile.The balance desig n of the emitter w as carried out by the parameterized entity mo del-building softw are Pro/Engineer after increasing the barrel leng th.The effect o n the buffer hamulus’streng th w as analy zed by the finite elem ent a nalysis so ftw are ANSYS after increasing m uzzle v elo city of pro jectile to75m/s,a nd its streng th w as still m eet the desig n requirem ent. The research illustra tes tha t bo th cha rg e density increase and barrel leng th increase ca n im prov e muzzle v elocity o f pro jectile of the anti-riot launcher fo r its ex tended-rang e and o ptimization desig n.Key words:ex tended-ra ng e desig n;quantita tiv e analysis;a nti-riot g renade la uncher0　引　言现装备公安和武警部队的国产非致命武器9管38m m防暴弹发射器可单发发射或3发齐射,9枚催泪弹可形成1000m2烟雾散布区域,是一种对群体闹事驱散效果较好的防暴武器[1].但实弹发射表明收稿日期:2011-06-29　作者简介:丁成(1986-),男,硕士生.主要从事警用装备的设计与研究.该发射器平均最大发射距离不能超过100m ,作用距离较短,作战效能受限.本文拟分析发射器射程影响因素,通过保持最大膛压不变延长发射管长度和使弹底膛压尽量接近最大膛压的方法来提高防暴弹出口速度,以有效提高发射器射程.运用实体参数化设计软件Pro /Engineer 和有限元分析软件AN SYS,研究解决防暴发射器发射管增长后带来的平衡问题和初速提高后带来的缓冲钩强度问题,以期提高该武器的作战效能.1　发射器射程影响因素分析根据外弹道学理论,射程X 是弹道系数C ,射角θ和初速v g 的函数,即X =f (C ,θ,v g ),(1)式中:C =id 2m×103;i 为弹形系数;d 为弹丸直径,m;m 为弹丸质量,kg [2].在射角、初速不变的情况下,弹道系数越小,射程越远;在射角、弹道系数不变的情况下,初速越大,射程越远.该防暴发射器使用已定型生产的38mm (电发火)催泪弹、烟雾弹、橡胶弹、染色弹,其弹丸形状、尺寸及质量完全确定,弹道系数C 也就确定,因此弹道系数对防暴发射器射程的影响不予考虑;其发射角度范围为0°～45°[3],防暴弹出口速度一般在100m /s 左右,根据外弹道理论,其最大射程角必定处于此范围内.根据上述分析,提高防暴发射器射程的有效途径是提高发射器初速.2　弹丸初速影响因素分析影响弹丸初速的因素可根据弹丸运动方程进行分析.若弹底压力为p ,弹丸质量为m ,则其运动方程可表示为Sp =h md v d t ,(2)式中:S 为发射管截面积,m 2;h 为阻力系数.用l 表示弹丸的行程,则式(2)可表示为Sp =h m v d v d l ,(3)积分式(3),可得弹丸初速公式v g =2I S hm ,(4)式中:I =∫l g 0p d l .积分上限l g 为弹丸在发射管内的全行程长[4].由式(4)得,影响弹丸初速的因素主要是发射管截面积S 、弹丸质量m ,以及压力曲线下的积分面积I .发射管截面积S 、弹丸质量m 已经确定,下面只讨论压力曲线下的积分面积I .影响压力曲线下的积分面积I 大小的量有弹丸在发射管内的全行程长l g 和弹底压力p .弹底压力p 越高(存在两种情况:一是最大膛压p m 增大;二是保持最大膛压p m 不变,在燃烧结束之前使弹底压力p 尽量接近p m ),积分面积值越高,则弹丸初速就越大;弹丸行程越长,火药气体对弹丸做功时间延长,弹丸动能就越大,初速也就越大.其中,利用增加最大膛压提高弹丸初速产生的问题较复杂,这里不予考虑.3　提高弹丸初速的技术途径由上述分析可知,提高弹丸初速的方法有:①保持最大膛压p m 不变,在发射药燃烧结束之前使弹底689(总第140期)防暴发射器增程设计研究(丁　成等)690中北大学学报(自然科学版)2011年第6期压力p尽量接近p m;②增加弹丸在发射管内的全行程长.第一种方法可采用增加发射器的装填能量或增加发射药装药的渐增特性;第二种方法采用延长发射管长度,增加弹丸在发射管内的全行程长.3.1　装填能量提高技术提高装填能量可以从下述两个技术途径实现:1)提高发射药内能.该发射器采用3号小粒黑火药,如果装填条件不变,在不考虑其它条件下,采用高能量的发射药可以将能量提高10%～15%,提高速度的潜力达到4%～5%左右[5];2)提高发射药装量.目前该型发射器防暴弹已经确定,高压药室容积为1.61cm3,要增加装药量,就必须增加装药密度.它可以通过压实装药、辅助以其他含能可燃装药元件、改变装填方式和发射药形状来实现.当前弹药系统的装药量k为 1.2g[6];弹丸初速为68m/s.利用经验公式Δv=Δk·v0/k,可以估算出增加装药量与初速增长的关系.其中,L m为初速药量修正系数,在估算中不考虑其影响,认为L m=1;Δv为初速增长量;Δk为装药量增长量[7].通过计算得出表1所示结果.表1　增加装药量与弹丸初速增长关系T ab.1　Relationship b etw een charge w eigh t increase and projectile mu zzle velocity increase装药量k/gΔk/g初速v0/(m·s-1)Δv/(m·s-1)装填密度Δ/(g·cm-3)1.206800.7451.30.173.23 5.230.8071.40.277.719.710.870 由表1可以看出,当弹药系统的装药量由 1.2g增加到 1.4g时,初速由68m/s增加到77.71m/ s,增幅为9.71m/s.因此,随着装药量的增加,装填密度随之增加,初速也在变大.目前,炮弹的装填密度可达0.9以上,所以提高防暴弹药装填密度是有潜力行得通的,完全可以达到提高初速的要求.但装药量增加势必会使发射器膛压增高,如果膛压不变而提高速度,就需要发射药的能量释放具有更高的渐增特性.通常提高装药量可与其他措施(如包覆阻燃技术)配套使用,使其膛压维持在可接受的水平上.3.2　增面性火药技术这种发射药在燃烧时,其燃烧面不断增大,如19孔管状发射药.这种药粒燃烧时,各孔的孔径和面积增大,从而使发射药的总燃烧面积增大,所以发射药在单位时间内的气体生成量也在增加.采用多孔火药可按式(5)设计U=3n2+3n+1,(5)式中:U为孔数;n为孔的层数[8].3.3　发射管长度增加技术根据经验公式Δv=(ΔL·v0)/4L[7],可以估算出发射管增长量ΔL和初速增长量Δv的关系.通过计算得出表2所示结果.由表2可以看出,当发射管长度由原长304m m增加到418m m时,初速由68m/s增加到74.375 m/s,增幅为6.375m/s,可有效提高初速.但是,发射管加长后,尺寸增加,整个武器质量变大,质心位置前移,会对防暴发射器的平衡产生影响.表2　发射管增长量和初速增长量的关系Tab.2　Relationship betw een barrel leng th increas e and projectile muzzle v elocity increase图1　9管38mm 防暴弹发射器的重心Fig .1　Center of g ravity of d omes tic nine-tu be 38m m anti-riot g renade launcher 解决发射器平衡问题的方法有:①在发射器后面添加配重,以达到平衡.这种方法虽然可以实现,但是发射器质量会进一步增加,对其机动性影响更大,不予采用.②将发射器支架前移至重心位置.该防暴发射器与支架两部分通过侧板、螺钉、手柄等零件固定,将支架前移至重心是方便可行的.经调研,测绘出了发射器的大小尺寸,了解到其零件材料组成.本文运用实体参数化设计软件Pro /Engineer 仿真出9管38mm 防暴弹发射器,并运用其质量属性功能得出发射器的重心坐标,如图1所示.由表3可以看出,防暴发射器发射管增加量不同,支架前移量也不同,但质量增加变化不大,当发射管长度达到418mm 时,其质量增加 1.06kg ,对武器、防暴车机动性影响较小.因此,只需根据不同的发射管长度来确定支架前移量,具体设计可参照表 3.表3　发射管增加量与支架位移量的关系T ab .3　Relationship b etw een barrel length increas e and s upport displacement 发射管长度L /mm发射器质量(无支架)/kg 增加质量Δm /kg 质心位置(相对缺省值,仅计X 轴)/mm 支架前移量/m m (相对缺省值)30412.20042.93034212.550.3536.19 6.7438012.910.7128.7914.1441813.26 1.0620.7622.174　弹丸初速提高后对发射器的影响经外弹道计算,当初速提高到75m /s 时,射程可达到116m ,有效地提高了防暴发射器射程.但图2　缓冲钩结构模型Fig .2　Structure model of buffer hamulus是,弹丸初速提高后对缓冲钩的影响最大,在齐发状态下瞬间可产生高达3700N 的后坐力.下面运用有限元分析软件AN SYS 进行缓冲钩强度分析.由于直接在ANSYS 中建立复杂模型比较麻烦,效率低,且不易修改.因此,在研究过程中利用AN SYS 与Pro /Engineer 软件数据共享功能,将Pro /Engineer 中建立的缓冲钩结构模型导入到有限元分析软件中进行修改完善,以提高工作效率.缓冲钩结构模型如图2所示.缓冲钩材料采用钢材,其弹性模量E 为 2.2×105M Pa ,泊松比为0.3.在进行静力分析时,只考虑了后坐力所产生的剪切应力,忽略了缓冲钩和后座体组件的重力以及它们之间的摩擦力;在设置边界条件时,顺着轴孔方向予以约束,缓冲钩两侧予以全约束.运用AN SYS 得到缓冲钩应力云图3和位移图 4.由图3可以看出缓冲钩应力主要集中在其钩槽部分.其中最大应力MX 位于缓冲钩与后座体组件接触的钩底部分.此处是缓冲钩所受后坐力的主要部位,最大值为170M Pa.由图4可以看出缓冲钩主要变形集中在钩槽部分,这与应力分析结果一致.图中显示,最大受拉变形量为0.0036mm ,在可接受范围内.进行缓冲钩结构分析的目的是根据有限元分析结果数据对缓冲钩进行强度校核.由经验数据取缓冲钩材料安全系数n 为2,屈服极限W s 为550M Pa [9],因此最大许用应力W max 为691(总第140期)防暴发射器增程设计研究(丁　成等)W max=W s/n.(6)由式(6)得W max=275M Pa.如果得到的最大应力大于W max,说明缓冲钩的结构强度不符合要求,会发生强度破坏;如果得到的最大应力小于W max,说明结构强度符合要求.由图3可知,缓冲钩的最大应力值为170M Pa,小于许用应力275M Pa,因此缓冲钩不会发生强度破坏,无需加强缓冲钩.若强度不足,可增加其尺寸或进行表面热处理来对缓冲钩钩槽部分强度进行增强设计.图3　缓冲钩应力云图Fig.3　Stress contou r plot of bu fferhamulus图4　缓冲钩位移图Fig.4　Dis placemen t diag ram of b uffer h am ulus5　结　语针对9管38mm防暴弹发射器射程不足的缺陷,分析了影响弹丸射程和初速的因素,给出了增加装药密度和发射管长度来提高9管38mm防暴弹发射器弹丸初速的技术途径;运用实体参数化设计软件Pro/Engineer完成了发射管长度增加后的发射器平衡设计,得出了支架前移的解决措施;运用有限元分析软件ANSYS分析了弹丸初速提高后对缓冲钩强度的影响,分析表明其强度仍能满足设计要求.研究工作优化了防暴发射器的设计,可有效提高其作战效能.参考文献:[1]　张惠忠.国产38mm系列防暴武器[J].轻兵器,2003(3):8-11.Zha ng Huizho ng.T he do mestic series o f38mm rio t bo mb emit ter[J].Small A rms,2003(3):8-11.(in Chinese)[2]　801研究室.内弹道学[M].南京:华东工学院,1998.[3]　肖桂云,蔡伟东.国产新型38mm9管车载式防暴发射器[J].轻兵器,2002(9):10-11.Xiao Guiyun,Cai W eido ng.The new do mestic nine-tube38mm riot bomb emit ter mounted o n v ehicle[J].Small Ar ms,2002(9):10-11.(in Chinese)[4]　董晶晶.可控发射能量新型防暴枪关键技术研究[D].南京:南京理工大学,2008.[5]　萧忠良.提高火炮初速(动能)技术途径与潜力分析[J].华北工学院学报,2001,22(4):277-280.Xiao Zho ng liang.T he analysis of the technical w ay and po tentiality o n improving initial v elo city of g un[J].J o urnal o f N o rth China Institute of T echnolog y,2001,22(4):277-280.(in 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