85加平衡机设计

1、中北大学2010届毕业设计说明书1 绪论 火炮是战场上的火力骨干，以其火力强、灵活可靠、经济性和通用性好等优点，在现代战争中得到了广泛的应用。火炮既可摧毁地面各种目标，也可以击毁空中的飞机和海上的舰艇。因此，作为提供进攻和防御火力的基本手段，火炮在常规兵器中占有牢固的地位1,2。现代火炮除迫击炮和无后坐力炮外基本都采用弹性炮架。早期的野战炮系单脚炮架，靠移动架尾改变方向射界。第一次世界大战以来，炮架由单脚过渡到开脚，随着方向机、平衡机和缓冲装置的出现与改进，开脚炮架的结构逐渐完善。现代高射炮、坦克炮、航空炮与舰炮，为适应对活动目标射击，炮架上采用了机械、液压和电气技术，使其性能更加完善。火炮由

2、于需要在较大的射角范围变换射角（坦克炮、反坦克炮除外），在结构布置上起落部分的质心不与耳轴中心重合，一般均位于耳轴前方，使得火炮的起落部分对耳轴中心形成很大的重力矩。在将炮身打高时，起落部分的重力矩与惯性力矩相同，使得手轮力很大，甚至无法进行高低瞄准3。在将炮身打低时，起落部分的重力矩与惯性力矩反向，由于瞄准机的自锁性要求，使得高低瞄准不平稳，炮身抖动，甚至产生冲击。于是，为了解决这一问题，平衡机就应运而生了。1.1 平衡机的作用随着现代火炮威力的日益提高，炮身增长。为了保证火炮射击稳定性，减小后坐阻力需要尽量降低火线高，增大后坐长；为了避免大射角时跑位后坐碰地，以及便于装填炮弹和安装其他机构

3、等，这些需要将炮耳轴向炮尾附近布置，于是就引起起落部分质心前移。起落部分重力Fq相对于耳轴形成一个重力矩Mq，在这种情况下，起落部分会自然下垂，为了不是其下垂，就要给高低机齿弧以相当大的力。这样要增加炮身射角时，则十分费力，以致人力不能胜任；而需要打小射角时，由于重力矩作用，会在高低齿弧减产上猛烈冲击和跳动。为了避免这种情况，就需要在耳轴前方对耳轴部分外加一个推力，形成对耳轴的平衡力矩，其方向与重力矩相反，并使这两个力矩相等或倆力矩相差不大，从而保证操作高低机时，打高轻便，打低平稳4,5。 提供平衡力一般有两种方式：1） 配重平衡在炮耳轴后方炮尾或摇架上附加适量的金属配重，这种方法简单便于实现

4、完全平衡，这种方法广泛应用于坦克，自行火炮和舰艇上；其缺点是起落部分重力增加。2） 平衡机平衡用专门设计的平衡机装置产生的拉力来达到提供平衡力矩的目的。这种方法与配重平衡相比，平衡机结构紧凑，质量小，但结构复杂。目前广泛应用与各种火炮。 由此可知平衡机的作用就是产生一个平衡力，形成一个对耳轴的力矩，来平衡起落部分对耳轴的力矩，使操作炮身俯仰或传动时轻便平稳6。1.2 平衡机的工作原理图1.1为平衡机的原理简图。为了讨论的方便，进行了如下的假设： (1)把起落部分视作一绕耳轴中心回转的刚性梁; (2)起落部分的质心任何时候均处于通过耳轴中心并与炮膛或发射装置定向器轴线平行的直线上； (3)起落部

5、分的质心任何时候距耳轴中心的位置不变; (4)起落部分质量不变7。根据以上假设，得平衡力矩间的关系如下。 起落部分重力矩 平衡机平衡力矩图1.1 平衡原理简图式中，作用在起落部分的重力；起落部分质心距耳轴中心距离(仰角为0时)；仰角；平衡机力；平衡机力作用点距耳轴中心距离；垂直的直线与通过耳轴中心且平行于炮膛轴线的直线的夹角；可知，起落部分重力矩是随仰角R1的余弦函数值而变化的;平衡机平衡力矩M则随夹角R2的余弦函数值和平衡机作用力而变化，与平衡机型式结构及安装位置有关。起落部分重力矩与平衡机的平衡力矩之差的绝对值称为不平衡力矩，它是计算高低机手轮力或高低传动装置输出扭矩的主要考虑因素 (还包

6、括高低传动系统的摩擦力矩等)，因此不平衡力矩要限制在一定范围内。根据不平衡力矩的情况有:(1) 完会平衡:在仰角范围内，任何仰角处不平衡力矩均等于零的平衡。要设计此种平衡机是困难的，实践中一般规定在仰角范围内不平衡力矩的最大值不超过某一规定值。 (2) 三点平衡:在仰角范围内，有三个仰角处不平衡力矩等于零的平衡。 (3) 两点平衡:在仰角范围内，有两个仰角处不平衡力矩等于零的平衡，三点平衡和两点平衡均可称为不完全平衡8。1.3 本设计关键技术和主要内容本设计的关键技术主要有：在考虑射角，温度对平衡机性能的影响，在满足手轮力要求的前提下尽可能的设计出结构合理的平衡机。本文主要内容包括以下几部分：

7、(1) 平衡机类型的选择；(2) 平衡机性能计算；(3) 考虑温度对手轮力的影响；(4) 平衡机结构设计；(5) 主要元件强度验算。2 平衡机结构方案2.1 平衡机的类型平衡机是一种平衡某些火炮起落部分的重力矩，使俯仰操作或动力传动轻便、平稳的装置。平衡机的位置应该是在摇架与上架之间。平衡机一端铰接于上架或托架上，一端直接或通过挠性体(如链条、钢缆等)与起落部分连接。根据总体要求，平衡机一般制成单件装于上架或托架一侧或两件对称装于两侧。根据产生平衡机力的弹性元件不同，分为弹簧式、气压式、气液式和弹簧液体式。按平衡机对起落部分施力情况的不同分为拉式平衡机(即对起落部分的作用力为拉力的平衡机，见图

8、2.1)和推式平衡机(即对起落部分的作用力为推力的平衡机，见图2.2)。具有平衡机和高低机双重功能的装置称为高低平衡机。此外，还有变行程平衡机和考虑起落部分质心位置变化因素的万能平衡机11。 图2.1 拉式平衡机 图2.2 推式平衡机 弹簧式平衡机是由弹簧提供平衡力矩的平衡装置，按所用弹簧类型不同分为螺旋弹簧和扭杆弹簧两类。螺旋弹簧又分为圆柱螺旋弹簧式平衡机和平面涡卷弹簧式平衡机。圆柱螺旋弹簧式平衡机，随仰角的增大(或减小)，弹簧压缩量相应减小(或增大)，平衡机即可向起落部分提供一随仰角而变化的平衡力矩。此类平衡机结构简单，不受气温变化影响，便于维修，应用较广。有拉式和推式二种。拉式的随施力方

9、向和施力点位置不同又有上拉式和下拉式之分。平面涡卷弹簧式平衡机，平面涡卷弹簧的一端与上架相连，另一端通过与链鼓连接的轴、链拉杆与起落部分相连。炮身俯仰时，弹簧旋紧程度相应改变，并通过曲臂、连杆等中间构件向起落部分提供一随仰角而改变的平衡力矩。杆弹簧平衡机是由弹性杆件的扭转变形产生平衡力矩的平衡装置。弹性杆件可以是圆截面的整体式扭杆弹簧或多层叠板式扭杆弹簧。扭杆弹簧的一端固定连接于上架，另一端通过中间构件(如连杆机构)与起落部分铰连。起落部分俯仰时，通过连杆机构使扭力杆弹簧两端产生相对转动，扭转变形随仰角的变化而改变，并通过中间机构向起落部分提供一个随仰角而变化的平衡力矩。为缩短扭杆弹簧的轴向尺

10、寸，可与扭力筒串联使用，而成为扭杆一扭筒式平衡机，此类平衡机结构紧凑，维修简单，寿命较长。另外还有扭杆为多件平行并连的结构，构造较复杂但传递扭矩较大。 气压式平衡机是由被压缩的气体产生平衡力矩的平衡装置。由活塞、外筒、紧塞装置及开闭器、补偿器等组成。外筒和活塞杆用球轴或铰链与上架及摇架铰接。筒内充有高压气体(空气或氮气)，用紧塞装置和液体进行密封。起落部分俯仰时，活塞杆与外筒相对移动，筒内容积及气体压强随仰角而改变。气体压力通过活塞杆连接点作用在起落部分上，对耳轴形成一个平衡力矩，用以平衡起落部分重力矩，这种平衡机体积小，重量轻，但密封气体的紧塞装置摩擦阻力大且气体压强易受环境温度影响，通常要

11、用温度补偿器，维护较麻烦。如果需用两个气压式平衡机时，常左右对称布置，且用导管连通，以使两者工作压力相同。液体气压式平衡机是利用压缩气体作储能介质，由液体传递和气体压力产生平衡力矩的平衡机。主体部分装于火炮上架与摇架间，包括接续器、活塞杆、活塞、缸体、液压室、气压室及密封环等。置于上架附近的其它部件有柔性软管与蓄力器(按需要设置一个或多个)。柔性软管一端与接续器液体入口连接，另一端通到蓄力器。蓄力器上部为压缩空气。摇架仰角增大时，气压室容积增大，压力下降，油液在蓄力器压缩空气作用下经柔性软管、接续器、活塞杆、活塞流入液压室，此时压缩空气压力较小。反之，摇架仰角变小时，油液反向流动，压缩空气压力

12、增大。这种平衡机较气压式平衡机密封好，摩擦阻力小，便于调节环境温度的影响，但结构不紧凑。高低平衡机是具有高低机和平衡机双重作用的机构。有机械式和液体气压式两种。机械式的由螺杆(或滚珠丝杆)式高低机与弹簧式平衡机组成。平衡机的螺旋弹簧套在高低机螺杆外面，靠螺杆的伸缩实现仰角变化，由弹簧提供平衡力矩。目前用于大口径自行炮和牵引炮的多为液体气压式的，由作用筒、平衡蓄能器、高低液泵(手动或电动)、补液泵、储液箱、各种控制阀及管路等液压元件组成。某大口径牵引炮高低平衡机有两个相同的作用筒，装在火炮两侧，筒体端与上架相连，活塞杆和摇架相连。平衡蓄能器接于双向高低手摇泵。整个系统管路及作用筒上下腔都充满液体

13、时，摇动高低手轮，平衡蓄能器内的气压就将使作用筒上下腔压强相等，靠活塞两面的面积差所产生的总推力来克服起落部分的重力矩。高低手轮与高低手摇泵同轴，手轮不动时，液控单向阀关闭，火炮起落部分被液力闭锁，可以进行射击。这时，缓冲蓄能器与作用筒之间液路仍相通，可起缓冲作用。摇高低手轮时，双向高低手摇泵产生的压力使液控单向阀打开，随手轮转动方向不同，可使作用筒上下两腔的液体内一腔流向另一腔，火炮仰角即随之抬高或降低。平衡蓄能器与一般火炮平衡机作用相同，可克服火炮起落部分重力矩的绝大部分;不平衡力矩、耳轴摩擦力矩和管路阻力由双向高低手摇泵克服。这种高低平衡机与独立的高低机和平衡机相比，结构简单，质量小，设

14、计、调整得当时高低手轮力很小。缺点是液压管路较多，不易维护。液体气压式高低平衡机是大口径火炮简化高低机和平衡机的发展趋势12。变行程平衡机是与起落部分连接端的位移大于平衡机中活动部分位移的平衡机。高射炮和榴弹炮高低射界大，在某些情况下，平衡机(拉式)总长度过大，难于布置，所以采用变行程的。这种平衡机中活动部件的位移只有起落部分连接端位移的一半，而可减小平衡机总长度。万能平衡机是能使火炮起落部分在任意仰角下瞄准或射击时都能完全平衡的平衡机。是与常规平衡机的原理不同的新型平衡机。主要由弹簧筒、两根对称的链索和联结装置组成。平衡弹簧可用圆柱螺旋弹簧或碟形弹簧。弹簧筒固定在炮身正上方的炮架上，弹簧后端

15、与链索连接。链索绕过滑轮，切点假定为一固定点(实际有微小变动)，位于耳轴中心的铅垂线上。链索另一端与后坐部分(炮尾侧面)连接于点，此点位置是随后坐变化的。这种平衡机可实现:(1) 射击前在任意仰角下的瞄准平衡; (2) 射击时在任意仰角下的后坐平衡;(3) 射击时在任意仰角下的射击稳定。各类平衡机的优缺点可根据结构简便性、紧凑性、维护保养性、操作灵活性、适应性、可靠性及最低费用来评价。2.2 平衡机类型选用原则平衡机作为主要解决火炮起落部分相对于耳轴产生的不平衡力矩的主要功能部件，它已成为现今中大口径火炮的基本组成部分。根据不同形式平衡机各自的结构特点和使用要求，它们也具有不同的适用场合。 弹

16、簧式平衡机一般主要用于不平衡力矩相对较小的火炮上，例如我国的59式57毫米高炮、65式双管37毫米高炮、54式122毫米榴弹炮和152毫米榴弹炮均采用了弹簧式平衡机:气压(液)式平衡机多用于不平衡力矩较大的大口径火炮上，例如我国的56式85毫米加农榴弹炮、73式100毫米滑膛反坦克炮、66式152毫米加榴炮;扭杆式平衡机也多用于不平衡力矩较大的大口径火炮和武器上，例如我国的122毫米自行火箭炮和德国的PzH2000式155毫米自行加榴炮初样炮都采用了扭杆式平衡机方案。根据不同火炮对平衡机的特殊使用要求，有些火炮则采用了高低机、平衡机“二机合一”的结构，如美M102式105毫米榴弹炮采用滚珠丝杠

17、与弹簧组成的推式高低平衡机，美M109A155毫米自行加榴炮采用了气液拉式高低平衡机结构等。所有的平衡机都必须在全部的可变行程和火炮的高低射界内为火炮提供必要的平衡力矩。这个力是由平衡机的弹性储能介质提供的。与气压(液)式平衡机相比较，弹簧式平衡机和扭杆式平衡机结构简单、可靠性和维修性好、勤务操作简便，但是重量和空间要求方面的矛盾比较突出。所以对平衡机种类的合理选取并不是一个随意、简单的过程，它将受到火炮武器总体要求的限制和战场使用与维护等多方面因素的制约13,14,15。2.3 平衡机的结构方案 考虑到弹簧式平衡机和气压式平衡机优缺点如下。1) 弹簧式平衡机的优缺点 优点： 在任何射角下都能

18、保证起落部分基本平衡；与气压式平衡机相比，摩擦力矩较小，因此手轮力较易保证；弹簧力不受气温影响； 维护保养方便。 缺点: 体积大，重量大； 弹簧制作成本高，容易疲劳，折断； 调整不易。 2) 气压式平衡机优缺点 优点： 重量轻，外形小： 加工和调整比较容易。 缺点: 平衡性能差。由于紧塞装置增加了摩擦力，使手轮力加大； 其压强随温度影响而变化，需要设调整装置，经常调节压力；维护保养麻烦15，17。综合考虑，本设计若选用弹簧式平衡机，则平衡机的尺寸和重量会很大，会影响火炮的机动性，而选用气压式平衡机可减小平衡机的尺寸和质量，这样就可以满足火炮的结构和机动性要求，所以，本次设计选用气压式平衡机（如

19、图2.3）。图2.3 气压式平衡机由于气压式平衡机难以达到完全平衡，只能采用不完全平衡原理，因此，必须控制其不平衡力矩的最大绝对值在一定范围内。可是对于某些射角范围较大的火炮，平衡机在大射角时能满足规定值的要求，而在小射角时就超过要求，影响了高低机手轮力18。为了解决上述问题需要设置专门的辅助平衡设备进行调节，一般都称作平衡机的补偿装置。其补偿方法也很简单，即在平衡机中只增设一根小弹簧，小弹簧在座筒内，一端顶在座筒下端，座筒固定在内筒上，其上有很多小孔，以沟通内外筒，弹簧杆穿过座筒，杆上端有凸缘被小弹簧顶着，下端有螺帽，防止杆在大射角时因弹力作用而脱离座筒。在射角较大时，小弹簧不起作用，当射角

20、减小到5°以下时，弹簧的凸缘顶在外筒上，小弹簧被压缩，它对起落部分作用一附加力，使平衡性能改善。气压式平衡机的平衡补偿装置一般仅在小仰角部分补偿。起落部分仰角减小至时，平衡机内外筒相对压缩气体至小弹簧右端接触外筒底部时，开始提供一个补偿力矩。但是，由于本设计的火炮力矩很小，而且是小射角，所以不需要平衡补偿装置就能满足手轮力的要求，故本设计并没有平衡补偿装置。3 平衡机设计与计算3.1 已知数据 原始数据： 射角 时，起落部分重心至耳轴的中心的距离为；轴线与水平方向的夹角 ；起落部分的重量为；火炮高低射界min=-70，max=350。3.2 起落部分对于耳轴的重力矩计算图3.1 平衡

21、机示意图取重力加速为： 由重力矩计算公式： ； 参考图3.1，按值每隔50进行一次计算，计算值列入表3.1表3.1 重力矩计算结果 (º)-7-20510 (N·m)4718.74749.34751.44731.44675.4 (º)1520253035 (N·m)4583.94457.64297.34104.43880.33.3 平衡机力臂和压缩行程平衡机传动简图如图3.2所示，图中符号代表意义如下：O为耳轴中心；A为平衡机与摇架铰接中心；B为平衡机与上架铰接中心；是点A与点B之间的距离；r1是点A至点O的距离；r2是点B至点O的距离。参考现有85mm

22、加农炮数据，选取：， ，（射角时候）；图3.2 上下支点位置 则A点与B点之间的距离为, 式中， 最大射角时A点与B点之间的距离；射角为时A点和B点之间的距离；射角为时,O点到AB的垂直距离；平衡机压缩行程；即为上图中的。计算结果列于下表3.2。表3.2 各个射角下力臂和行程(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由表知最大压缩行程为：mm。3.4 选取平衡点，求取平衡抗力3.4.1 两点平衡平衡机产生的抗力矩和重力矩不可能达到完全平衡，为了使不平衡力矩在各种射角条件下尽量减小，通常采用

24、两点平衡来进行设计。即在最小射角和最大射角附近各选一点，是这两点的平衡力矩和重力矩相等。一般最小射角附近平衡点选取为。若最小射角大于零度时，由于勤务要求平衡点也选取零度。最大射角附近平衡点应取得合适，过大或过小，都会增大不平衡力矩，从缩小结构看该点取得大些有利。需要指出，由于气压式平衡机平衡性能差，采用两点平衡后往往有些射角范围内不平衡力矩仍过大，满足不了手轮力要求。在一些射角范围较大的火炮上（如榴弹炮）更为显著的表现出来。因此这些火炮的平衡机计时，平衡点不是选在最大和最小射角附近，而是取在最大射角和中间射角或最小射角和中间射角附近。3.4.2 气体压力和平衡机抗力 气体压力规律 平衡机的抗力

25、规律式中， Pmax对应于射角时，平衡机内气体压力（常以p表示）； P对应于射角时，平衡机内气体压力； n气体状态方程式指数； S0平衡机初容积相当长度； Kmax最大射角时平衡机的抗力（常以K0表示）； K对应于射角时，平衡机的抗力。由于平衡机工作时，气体压缩和扩张很慢，接近于等温过程，故气体状态方程式指数取得很小，一般取n=1.051.10。本设计中平衡机多变指数取n=1.05。本设计拟采取两点平衡原理来设计。确定和两点作为平衡点后，即可计算平衡抗力和,即求得压缩比m为 由到活塞的压缩行程为从而计算平衡机初容积相当长度 平衡机气体的初容积应为 活塞工作面积A根据初压决定，即 本设计采用两点

26、平衡原理，为了使平衡点尽可能选取合理，从而使最大不平衡力矩尽可能的小，选取以下三种平衡点位置方案进行比较:(1) 平衡点位置选在=0°和=35°；(2) 平衡点位置选在=-2°和=35°；(3) 平衡点位置选在=5°和=35°；经过计算比较得，只有方案(2)情况下，最大不平衡力矩最小，故选用此方案，即：平衡点位置选在=-2°和=35°。则平衡点处平衡机的抗力 压缩比m为 由到活塞的压缩行程为 从而计算平衡机初容积相当长度 各个射角下平衡机抗力的值记录表3.3：表3.3 平衡机抗力(º)-7-20510（N

27、）3266631471310012985528759(º)1520253035（N）27722267472583724991242083.4.3 初压力、活塞直径和初容积的选择 气压式平衡机设计中，当平衡机上下支点位置根据总体布置的要求确定后，主要是设计计算平衡机的初压力、活塞直径和初容积.初压力P0为对应最大射角是的气体压力，P0选取的大一些，可以使平衡机的的结构尺寸减小，结构紧凑。但会带来注气困难，当火炮上备有气瓶注气时，P0可取到4070kg/cm2。为了减小平衡机的尺寸，本设计常温下选取初压,则活塞（内筒）工作面积 活塞（内筒）直径 即为平衡机内筒的外径。本设计拟采用斯特封密

28、封圈来动密封与内筒之间的间隙，而采用O型橡胶圈来静密封与外筒间的间隙。采用O型橡胶圈，它具有良好的变形复原性，被压缩时总有趋于恢复其原来截面形状的能力，从而产生压紧力，并在介质压力作用下产生额外的变形，贴近被密封面，达到可靠密封介质的效果。O型圈是目前被广泛使用的静密封结构之一。O型圈也可用于动密封，但对密封面的加工精度要求高，因而较少采用。动密封均采用了斯特封密封。斯特封由具有台阶的密封环和其外侧的O型圈组合而成。其中，O型圈的材料是具有一定弹性的耐油橡胶，密封环是弹性较低、摩擦系数小的材料。这里的O型圈不与运动部件直接接触，起静密封作用；同时提供弹力并对密封环起紧压作用，对密封环的磨损起补

29、偿作用。这样的组合密封具有长寿命、低摩擦、，密封效果好的特点。斯特封主要性能特点是：（1）O形圈不与密封运动面直接接触，不存在密封圈翻转，扭曲及被挤入间隙的问题；（2）密封环具有极低的摩擦系数，且动、静摩擦系数变化小，因此，运动平稳，无爬行；（3）耐压性好，工作压力最高可达80MPa；往复速度可达15m/s；图3.3 斯特封密封圈简图（4）密封性能较好，泄漏量极低；（5）性质稳定，密封环材料为PTEE及其添加物，耐酸、耐碱性好。斯特封密封圈（图3.3）的密封具有方向性，单向密封，密封环的台阶面朝向压力的方向。运动活塞或运动杆时，密封槽采用整体式结构。在静密封的条件下斯特封密封效果更好，动密封时

30、液体压力越大密封性能越好。在实际使用中采用两套斯特封串联布置方案，在高速往复工作状态下其泄漏量可达到近似为零的水平。 活塞直径计算所得数值必须根据斯特封标准进行修正，然后根据修正后的数值重新计算A和P0的名义值。本设计采用的斯特封密封选用深圳东世机电设备有限公司的产品，其标准为厂家生产标准。选取，根据活塞尺寸查厂标，选择产品型号为：GSJ0750。从而设计得出密封槽尺寸：O型圈直径，槽宽，槽深，被密封运动面间隙，两个密封槽间间隔为20mm，密封环为厂家生产标准间件。重新计算A和P的值。 活塞（内筒）工作面积为活塞（内筒）直径为平衡机气体初容积为 将各个射角压强的值计算列表表3.4：表3.4 平

31、衡机气体压力规律（°）-7-20510（MPa）7.39787.12717.02076.76116.5129（°）1520253035（MPa）6.27806.05735.85125.65965.48233.5 摩擦力矩计算3.5.1 平衡机内筒斯特封密封圈摩擦力矩计算 平衡机内高压气体是通过密封用液体把压力传递给斯特封密封圈和筒壁。作用在密封圈和筒壁上的压力，可以近似的以为与气体压力相等。摩擦力的方向与相对运动方向相反，因此等火炮打高射角或打低射角时，摩擦力便起着减小或增大平衡机抗力的作用。图3.3 平衡机内筒摩擦力示意图摩擦力为 ，则摩擦力矩为 式中， 摩擦系数；活塞直

32、径（平衡机内筒直径）； 斯特封密封圈个数；斯特封密封圈与内筒壁接触长度（工作部分长度）；平衡机气压；射角时，耳轴到摩擦力的距离。综合考虑实际情况，本设计拟采用一组（两个）斯特封来密封与内筒的间隙，即取，查询斯特封标准得知，。将上述数值带入公式得各个射角的摩擦力和摩擦力矩并列入表3.5。表3.5 平衡机摩擦力摩擦力矩-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 耳轴轴承的摩擦力矩的计算对耳轴轴承的摩擦力矩为耳轴轴承在起落过程中由于摩擦产生的阻力矩，则式中，d耳轴直径；轴承的滑动摩擦系数，一般取为0.10.2；瞄准时作用在耳轴的径向合力，对现有平衡机的火炮，忽略了高低机齿轮上的作用力，按下式计算式中，平衡机抗力；作用线与垂直线的夹角。从实际计算过程可知，耳轴的摩擦力矩数值相对于其它摩擦力矩相比小很多，可以用公式代替，对手轮力的计算产生的误差不大，可以认为为定值。参考设计手册，选取，则代入公式中计算可得到得耳轴轴承的摩擦力矩为3.5.3 平衡机上下支点摩擦力矩以表示摇架铰链摩

34、擦力矩，则以表示上架铰链摩擦力矩，则式中，高平机上支点铰轴与铰轴孔的摩擦系数，查表取为0.1； 高平机下支点球轴与球轴座的摩擦系数； 高平机上支铰轴孔的直径； 高平机下支点球轴的直径；将各个射角时候，上下支点摩擦力矩计算结果列表3.6。表3.6 各个射角时候上下支点摩擦力矩（°）-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 平衡机有效力矩和不平衡力矩3.6.1 有效力矩 各种射角时平衡机的抗力为不计入摩擦力时候的平衡机抗力矩为起落部分上升时平衡机的有效力矩为起落部分下降时平衡机的有效力矩为3.6.2 不平衡力矩 不平衡力矩指重力矩与平衡机有效力矩之差，则起落部分上升时不平衡力矩为起落部分下降时不平衡力矩为 由上述两公式知：打高时，不平衡力矩时，为主动力矩；时，为阻力矩；打低时，不平衡力矩时，为主动力矩；时，为阻力矩。3.7 手轮力计算由高低机结构得知：手轮半径高低机传动比 高低机效率 起落部分上升时手轮力 起落部分下降时手轮力 式中，上升时候平

36、衡机最大不平衡力矩；下降时候平衡机最大不平衡力矩。上面情况都是在常温（）下进行设计的，将计算的各个射角下的不平衡力矩和手轮力变化情况列于表3.7中，以便于分析和比较。表3.7 常温（）时候的结果（°）（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：手轮力为正，表示手轮力方向与运动方向一致；手轮力为负，表示手轮力方向与运动方向相反。 由表3.7的数据可知：上升时候高低机手轮力最大为： 下降时候高低机手轮力最大为： 由此可知，常温下高低机的手轮力都很小，没有超过要求的最大手轮力，故所设计的方案可行。3.8 平衡机的工作曲线和力矩曲线 根据表3.7的

39、数据，可作出平衡机的力矩变化曲线，如图3.4。图3.4 常温下平衡机工作曲线图图中:Mq起落部分重力矩；Mk不计摩擦力时平衡机力矩；Mc起落部分下降时，计入摩擦力在内的有效平衡机力矩；Mg起落部分上升时，计入摩擦力在内的有效平衡机力矩。曲线Mg和Mc之间的区域称为摩擦区域。设计平衡机时应该尽量使重力矩曲线夹在上述两曲线的中间，以保证火炮打高射角和打低射角时，不平衡力矩相差不大。观察图3.4发现，重力矩曲线在两不平衡力矩之间，说明本设计取得平衡点比较成功，这样会使不平衡力矩波动差别不大，手轮力力改变量相对缓慢，使火炮能获得更好的射击性能，是有利于设计的。根据表3.7的数据，可作出平衡机的不平衡力

40、矩变化曲线，如图3.5。图3.5 常温下不平衡力矩图图中：OMg上升时候，不平衡力矩；OMc下降时候，不平衡力矩；从图3.5中可以看出：上升时候，由于重力矩大于平衡机力矩，不平衡力矩OMg<0，运动方向相反，不平衡力矩起阻力力矩的作用。下降时候，由于重力矩小于平衡机力矩，不平衡力矩OMg<0，运动方向相反，不平衡力矩仍然起阻力力矩的作用。4 温度对手轮力的影响4.1 压强与温度的关系由于气压式平衡机受温度变化的影响很明显，如122mm加农炮，当气温变化56时，相应气压改变1kg/cm2，由此造成手轮力的改变达2kg。为了使火炮能在一定的温度范围内正常工作，手轮力该变量不超过规定值，

41、在设计过程还必须考虑温度对平衡机。根据理想气体的等容定理，有式中， T当前温度； 当前温度对应的气压； 对应于温度为15，射角为时的气压。由此得到则压强的变化量为引起的力变化量为引起的力矩变化量为故手轮力的变化量为4.2 特定温度下射角变化对手轮力的影响由于在各个温度下，平衡机的气压均不相同，引起平衡机手轮力的不同，因此，选取-40，-15，0，30，50五个特定的温度下的结果进行分析计算。有关计算结果见表4.1到表4.6和图4.1到图4.10。表4.1 高温(T=50)时候的结果（°）（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图4.1 高温（T=50）下Mq、Mg、Mc曲线图图4.2 高温（T=50）下的，曲线图表4.2 高温(T=30)时候的结果（°）（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图4.3 高温（T=30）下Mq、Mg、Mc曲线图图4.4 高温（T=30）下的，曲线图表4.3 低温(T=0)时候的结果（°）（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图4.5 低温（T=0）下Mq、Mg、Mc曲线图图4.6 低温（T=0）下的，曲线图表4.4 低温(T=-15)时候的结果（°）（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