毕业设计（论文）-100炮摇摆炮塔总体方案设计.doc

中北大学2008届本科毕业设计说明书1 绪论1.1 引言坦克是把强大直射火力、高度越野机动性和坚强装甲防护能力集于一身的重型陆战武器。坦克做为陆军的主要突击力量，同时也是最好的反坦克武器，在陆战中发挥着极其重要的作用，被称为陆战之王。而目前为了适应新的战场环境，进一步解决好诸兵种的协同作战，满足未来战争纵深突击、空地一体和快速反应的要求以及应付局部战争冲突的可能，各国力求通过对武器的总体优化设计，达到体积和质量较小、效能费用比更高的目的。而光电技术和新材料、新的制造工艺在兵器工业中发展和应用为武器的智能化、通用化、系列化提供了很好的条件。而坦克的火力、机动性和防护能力将在一个更高水平上达到平衡，新结构形式的坦克也将可能出现。广义上说，有人将陆战机动武器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、吊篮及相关的构件。狭义上，将炮塔本体和吊篮及相关的构件合称为炮塔，如图1.1。也有将炮塔本体简称为炮塔。炮塔作为坦克的重要的结构部件，炮塔内集中了坦克的主要战斗人员和战斗装置，它可以为车内人员提供一定的防护，免受小口径枪弹和炮弹破片的伤害。它通过座圈和车体联结为一个系统，可以绕座圈旋转为火炮射击提供正确的方位角，同时也将发射时的后坐力传递给整个车体。此外，火炮身管、观瞄装置、后坐制动装置(制退机，复进机等)以及摇架等也都要安装在炮塔上。据统计，炮塔质量约占整个战斗车辆质量的48%左右。而目前也出现了各式各样的新型炮塔，新炮塔研制的热点集中在供轻型及中型装甲战车使用的小型炮塔上。现在已经出现有CATI公司设计的“武士”双人炮塔、瑞士的“风雪”单人炮塔、爱里奥公司的“蜂群”无人顶置式炮塔等。图1.1 狭义上的炮塔1.2 本论文研究的背景坦克作为当今各国军队一种重要的地面武器装备，它的发展十分迅速，这当中炮塔的发展是最重要的一方面。一般的坦克炮普遍是具有长后坐、较大的后坐阻力、普遍配有炮口制退器、射角小、机动性强、有一定的防弹能力等特点，因此炮塔在设计过程中必须要考虑到这些因素。此外，为了满足使用的要求，炮塔上除了发射装置外还需要安装一系列其他设备，具体如下:火控装置:火控计算机，传感器(高低、方向、纵倾、横倾)；操瞄装置:自动，半自动，手动(瞄准装置、高低方向转轮)；随动伺服装置:方向，高低；诸元装置:弹道计算机；定位定向导航设备:GPs，SIGMA；炮位显示装置:炮长，瞄准手，装填手等；弹药舱，弹药，引信，底火；炮口测速雷达；通信设备:电台，通话器；观察装置:夜视仪，潜望镜；防护:三防装置，抑爆瓶，12.7mm机枪，装甲防护体，空调；身管固定器；炮塔在设计过程中必须要考虑到上述各方面的使用要求，另一方面，保证足够的强度和刚度更不容马虎，因此，合理布置炮塔成为工程技术人员重点要解决的问题。作为一种一线作战武器，坦克直接面对敌人的机会很大，因此一般要求其炮塔有一定的防护能力。但随着战场上的威胁进一步的增强，坦克炮塔需要不断提高其整体防护能力，以满足越来越高的战场使用要求。同时，未来的发展趋势是轻型化，但又不能以牺牲火力威力的代价来实现轻型化，所以如何在轻型化的基础上保证火炮的威力和自身的生存能力是一个必须思考和解决的问题。1.3 论文研究内容本课题以摇摆炮塔为研究对象，根据坦克炮特点要求，分析、讨论并设计一种理想的摇摆炮塔总体结构，要求具有良好的防弹性能和工艺性能，具有较轻的重量、较高的可靠性。对100毫米摇摆炮塔炮塔的结构设计，在了解掌握100毫米摇摆炮塔总体结构性能的情况下，按给定的技术数据和工作要求，通过综合分析计算，对炮塔结构进行强度计算和结构分析。本论文主要研究内容如下：l 炮塔的作用分类分析l 本课题的炮塔总体方案分析l 抗弹能力计算分析l 摇摆机构实施方案分析l 高低射角计算分析l 系统重量设计计算l 本方案结构优缺点分析第 43 页 共 39 页2. 炮塔的作用及其结构特点分析2.1 炮塔分类炮塔可以按照不同的分类方法分为如下几类：a、 按照工艺特点分为铸造炮塔、焊接炮塔和混合式炮塔b、 按照搭载乘员不同分为单人炮塔、双人炮塔和无人炮塔c、 按照装甲防护类型分为普通炮塔和复合装甲炮塔2.2 炮塔的作用和特点炮塔内集中了坦克的主要战斗人员和战斗装置，其特点是孔口多，受力大，需要灵活回转运动，并且处在最高的暴露位置。和车体上的固定的战斗塔相比，炮塔的特点是可以周转，因而塔下有底板和座圈与车体相联结，支承条件较差。炮塔设计的可能变化比较大。影响的原因不但在于武器种类变化多，和二次大战以来的火控系统发展迅速，并且由于复合装甲等防护发展对炮塔的影响比对车体的影响更大，以及突破传统坦克总体方案的突破点趋于集中在炮塔处等有关。坦克一般都以火炮为主要攻击武器，所以炮塔自然就是必不可少的，坦克炮塔都能360旋转，对来自各个方向的威胁目标实施攻击。炮塔处于全车最高位置，所以具有最厚的装甲，最好的倾斜角和矮小而流线的良好外形。坦克装有炮塔威武雄壮，具有威慑力，战斗中也便于火力机动和行进间射击，同时也为坦克乘员和火炮控制提供一定的空间。但炮塔装甲厚，所以重量较大，有的达十余吨重，这对坦克的机动性非常不利。炮塔虽然防护力较强，但坦克要坦克高度也要高出很多，所以遭受炮弹袭击的概率就要高一些。2.3 炮塔工艺特点对比炮塔主要有铸造和焊接两种形式。以下从几个方面对两种工艺特点进行对比：a、生产周期铸造炮塔是预先根据炮塔的形状制作好模具，将钢水倒入模具，冷却后再进行一些必要的修整，为整体铸造成型，生产比较容易，周期短。焊接炮塔是由多块匀质装甲板（或者铸件）焊接组成的，工艺比铸造炮塔复杂。焊接炮塔的生产需要大型设备来完成装甲板的轧制和成型，并且在组焊过程中需要使用工装来完成定位，而且需要大量熟练的焊接人员和焊接设备。而焊接炮塔各部分厚度差别较大的装甲板的组焊，还需要特殊的设备和熟练的技术工人来完成加工。所以，焊接炮塔的生产周期一般都比铸造炮塔要长。b、防弹能力铸造炮塔的各部分装甲整体圆滑过渡，炮塔各部分的厚度和倾斜角能得到合理配置，可以形成良好的防护外形，通过形体防护来提高装甲的抗弹能力。装甲具有一定的倾斜角，不但能使普通穿甲弹易于跳飞，而且能使弹丸穿过装甲所经过的距离增长。在防弹外形上，铸造炮塔更有优势，这一点对于防护普通穿甲弹尤其有效。铸造炮塔都具有良好的防弹外形。另外，铸造炮塔的装甲利用率高，在达到同样的装甲厚度条件下，铸造炮塔的重量要比焊接炮塔轻。但是，铸造装甲钢的密度要比轧制装甲钢低，即同样厚度的装甲板，铸造装甲的抗弹能力比轧制装甲差。一般认为，同样厚度的装甲板，铸造装甲的抗弹能力是轧制装甲板的90%，即100毫米铸造装甲板抗弹能力约相当于90毫米轧制装甲板。而且铸造装甲对铸造的质量要求很高，在铸造过程中形成的砂眼、气孔和夹砂等缺陷都会严重的影响装甲的防护能力。同时铸造装甲对热处理的要求也很严格。在二战时期生产的苏式坦克，因为生产场地和设备条件不好，以及为增加产量而简化了生产的工艺，生产出的坦克铸造炮塔内部缺陷较多，理论上无法被穿甲弹穿透的装甲，在战斗中却经常被击穿。焊接炮塔采用的轧制装甲板不会出现砂眼、气孔和夹砂等问题，防护能力稳定而且一致。但是如果在生产中处理不好或者出现焊接缺陷，焊接炮塔的焊缝是一个弱点，在战斗中被动能穿甲弹命中时，即使装甲没有被击穿，焊缝也有可能崩裂。 c、发展前景铸造炮塔加装复合装甲不如焊接炮塔简单。早期采用复合装甲的坦克，由于复合材料技术上的不足，在防护水平上焊接炮塔与铸造炮塔相比并不占优势，美国M1和早期德国“豹”2坦克的炮塔防护水平就不如同时期的苏联T72、T80坦克的炮塔防护。但是因为采用焊接结构的装甲比铸造装甲间的夹层厚度要大，而且夹层空间比较规则，从而可以采用更加复杂的复合材料结构和更多的高性能材料。随着金属和非金属复合材料性能的提高，焊接炮塔在防护上的优势得到更好体现。美国采用贫铀装甲的M1A1HA坦克和德国“豹”2A4坦克列装后，装甲防护能力就开始超过苏式坦克，而且采用焊接炮塔的坦克的装甲防护力还有近一步提高的空间，并且便于采用模块装甲组件。而采用铸造结构的复合装甲就很难在防护上取得进一步发展。焊接炮塔因为内部空间较大，而且夹层空间规整，有利于采用比较复杂的复合材料结构，通过不同材料以不同形式的组合来提高装甲抗弹能力。所以在采用复合装甲的情况下，焊接炮塔与铸造炮塔相比具有较大的优势，目前各国新研制的坦克多数都采用焊接炮塔。铸造炮塔与焊接炮塔比具有生产工艺简单、整体结构完整的优点，而焊接炮塔在采用复合装甲的情况下防护能力比铸造炮塔要高。所以目前在俄罗斯T系列采用的铸造炮塔和美、欧采用的焊接炮塔这两种主要炮塔结构外，还出现了一种铸造和焊接混合结构的炮塔，即炮塔基本结构采用铸造的形式（称为基体或基础装甲），充分发挥整体铸造结构的优势，同时在主迎弹面上采用焊接结构的复合装甲模块（这种复合装甲模块与M1上的固定面板和模块化夹层组成的结构不同，是把面、背板和复合夹层组合成整体的装甲模块组件）。复合装甲模块可以更换，便于采用新研制的复合装甲，使装甲防护能力得到不断的提高，也便于更换损坏的装甲模块，尽快修复战伤坦克。这样就可以使铸造和焊接结构互相取长补短，形成整体上优于单纯的铸造或者焊接炮塔的新结构形式。3 摇摆炮塔简况3.1 摇摆炮塔历史普遍认为，德国人最先生产了一辆装有摇摆式炮塔的车辆。这个设计用在装有两门30毫米炮的防空坦克上，但是一直没有别的设计师仿效这种设计，直到最后才在法国AMX13坦克和“庞阿尔”装甲车上采用。第二次世界大战结束后，法国在海外仍然拥有相当多的殖民地，因此决定发展一种可以空运的轻型坦克。当时没有可以利用的运输机，只是设计了一些能空运15吨物资的运输机。因此，AMX13坦克一直没有成为可空运的坦克，但是它的75毫米高速炮使它成为一种很有效的自行反坦克炮。虽然按现代标准衡量它的防护力是很差的，但是在1949年第一辆样车出现时，它的防护水平与当时服役的某些主战坦克比较是不相上下的。作为一种机动性很强的轻型车辆，它的生产成本较低，但是效能却较高，因此大约受到19个国家的欢迎。3.2 摇摆炮塔结构特点和优、缺点分析摇摆式炮塔将传统的炮塔“一分为二”，即上塔体和下塔体。火炮刚性地安装在上塔体上，二者成一体绕火炮耳轴作俯仰运动，是谓“摇”；上塔体靠耳轴支承在下塔体上；下塔体支承在炮塔座圈上，带动整个炮塔及火炮作旋转运动，是谓“摆”。合在一起，就成为摇摆式炮塔了。4. 摇摆炮塔总体方案设计4.1 炮塔无人化方案分析对于装甲武器来说，未来的发展趋势是轻型化，但又不能以牺牲火力威力的代价来实现轻型化，所以如何在轻型化的基础上保证火炮的威力和自身的生存能力是一个必须思考和解决的问题。现在的坦克和装甲车辆都采用有人炮塔，在战场上，坦克和装甲车的炮塔是被击中概率最大的部位，炮塔内的有生力量也面临很大的危险。然而采用无人炮塔，也就是车体上只有身管和炮尾机构后，乘员(包括射手)位于车体内，炮塔的体积明显变小，受打击的概率显著降低，因而可以极大地提高装备的战场生存率和乘员的生存率。从防护角度来说，低矮的炮塔体积较小，相应的装甲板也比较小，这样可以降低装甲车的重量，增强装甲车的机动性。这些特点都能够和摇摆炮塔的独特结构特点很好结合起来，并且摇摆炮塔便于实现自动装弹的特点更能解决无人炮塔的一大难题。5 炮塔内部炮弹布置根据炮弹布置原则:A位置尽量低和不靠车前，以免被命中后出现“二次效应”破坏。要能可靠安全地固定放置，不容易和其他物体碰撞。B取弹方便、迅速、省力。距装填手最好在一手臂远处，炮塔转到不同方位时也能取到不同的弹种，取出后不需换手颠倒头尾就能装弹入膛。C允许少部分炮弹布置在需要先搬动其他部件或设备才能取出的位置。这要求在战斗间歇中倒换一次位置。D不妨碍火炮俯仰、战斗部分回转和人员的操作。5.1 无人炮塔对装弹系统的要求 所有自动装弹系统都应该满足的战技术要求是: (1)连续自动装弹的发数较多。 (2)至少有2种可以选择的弹种，入膛后的弹未发射时应能退换或退出废弹，弹壳应能处理，如抛出车外，要求不能严重影响三防。 (3)火炮在任意方位都能装弹，以免丢失目标，最好也要能在任意俯仰角度装弹。 (4)每发炮弹从弹舱到入炮膛的运动次数最少，机构迅速、可靠、简便。 (5)体积小，弹舱之外的装弹机构单独占用空间不大于装填手。 (6)最好是电动，但不能耗电太大超过供应可能。 炮尾与乘员完全分离，小炮塔的作用仅限于保护炮尾，不再与车体相通。在这种情况下，要求装弹系统在基本符合上述6条要求的基础上，还必须符合以下要求: (1)自动装弹系统的主要部分应位于车体内部，所有部件应与火炮分开。 (2)装填机构简单，可靠性强。 (3)战术技术性能指标不能低于现有自动装弹系统的水平。 (4)装弹系统操作完全实现自动化，不再有手动操作部分。5.2 主要性能指标 确定无人炮塔自动装弹系统性能指标如下:(1)适用100 mm炮的穿甲弹、破甲弹、榴弹。其存放比例为4:3:30；(2)旋转输弹盘装弹基数为14发，旋转输弹盘外弹药基数为6发，3种弹任意；(3)自动装弹速度6-8发/min；(4)车辆可在左、右倾15，前、后倾15的条件下自动装弹；(5)车辆速度在15-25 km/h，中等起伏地面运动时自动装弹；(6)大修寿命1,000发。7 结论7.1 本文完成的主要工作和结论炮塔的设计过程是一个设计-修改-设计-再修改-再设计的过程，本文以摇摆炮塔为对象，主要从对摇把炮塔的结构功能实现的设计、抗弹能力计算和耳轴强度校核这几个方向着手。在设计过程中，在查阅大量相关质料的同时，并结合炮库的传统炮塔实物尺寸结构方面的测量，并加以修正和改进，在老师的指导帮助下，最后完成了对本课题的论文工作，为摇摆炮塔的设计构造提供了理论依据。本文所完成的工作和得到的结论如下：l 实现了摇摆炮塔的高低射界的设计。火炮与上塔体固结在绕耳轴做俯仰运动，在俯仰过程中暴露出的裙部要有一定的装甲防护，故设计成绕耳轴回转的弧形甲板，实现高低射界-515能要求，也起到了防护作用。l 根据上炮塔中的设备空间结构的布置，实现炮塔上炮塔的结构设计。上炮塔中的装有很多观瞄设备和通讯设备，以及考虑到火炮的反后坐装置、火炮的后坐长、弹药舱布置、自动装弹机及自动抛壳机布置、火炮布置等方面的因素。在空间和结构上设计都要实现这些设备的功能的同时，相互之间不能发生干涉。l 完成了炮塔体的装甲抗弹能力的计算设计。炮塔体由不同的装甲板焊接而成为一个整体。由于各个区的防弹要求和倾角情况不一样，故计算出的装甲厚度不一样，整体上分三种情况（垂直装甲、倾斜装甲、弧形装甲）的装甲计算。l 对炮塔的受力分析完成对耳轴强度的校核。考虑到塔体的动载荷的影响，在射角在-5、0、15三种情况下的受力分析得出结论，射角在15时炮塔所受的合理最大，故在此射角下对耳轴进行强度校核。对耳轴进行剪切应力、弯曲力矩和挤压应力的校核。其中挤压应力的校核主要是针对双滚针轴承校核的。而在实际的制造中考虑到火炮在射击时的应力主要集中在耳轴处和架体处，可在薄弱处添加加强筋增加其强度。7.2 本方案优缺点分析本方案在对摇摆炮塔优缺点进行分析对比的基础上，决定采用无人炮塔方案，以充分利用摇摆炮塔便于实现自动装弹、减小炮塔高度，减轻炮塔重量的特点。并对炮塔方案进行总体设计。以下是对该方案的优缺点分析：A优点：（1）：炮塔采用无人方案，去掉了成员所占炮塔空间，能尽可能的减小炮塔尺寸，减小炮塔正面投影面积，提高防护性能，同时减轻炮塔质量，与未来武器平台轻量化的趋势相符合；（2）:炮塔采用无人方案，可以提高乘员生存能力，改善乘员战斗环境，具有良好的维修性；（3）：摇摆式无人炮塔便于安装自动装弹机，可以提高射速，节省人力；（4）：炮塔采用焊接形式，生产周期短、防弹能力高于铸造炮塔，便于加挂附加装甲和反应装甲；（5）：摇摆炮塔的瞄准装置随上炮塔一起俯仰，可以极大简化火控和瞄准结构。B缺点：（1）炮塔采用无人方案，对于战场观察设备提出更高要求，在现有技术条件下很难达到有人观察效果或造价较高；（2）炮塔采用无人方案，上炮塔俯仰靠车体内乘员遥控，对摇摆机构和相关控制的可靠性要求较高；（3）摇摆炮塔采用自动装弹机，并由车体内乘员遥控，对自动装弹机、输弹装置及控制机构的可靠性提出更高要求；7.3 今后的研究方向本论文只是在上炮塔的结构设计上对上炮塔的结构进行初步的研究，在某些领域还需要继续的深入研究。今后的研究方向主要有以下几个方向：l 摇摆炮塔虽然和传统的设计思想和战略意义不同，但很多设计方法和结构都是借鉴于传统炮塔。摇摆炮塔的一大弱点就是密封困难导致难以应用集体三防装置。今后需要针对如何实现密封的问题进行专题研究，并进行合理的结构设计；l 此次论文