火炮制退機壓力測試中的異常現象分析

楊玉棟,張培林,傅建平,田 鋮,吳曉明

(1.軍械工程學院 一系,石家莊,050003;2.武漢軍械士官學校 四系,武漢,430075)

1 傳統理論對制退機壓力的預測

傳統反后坐理論基于非工作腔真空段假設,認為火炮復進前期是真空段排除過程,非工作腔不提供復進阻力,由復進節制腔提供的復進阻力小于復進剩余力,因而是復進加速時期;真空段排除后,制退液在制退桿活塞擠壓下流回工作腔,產生很大的液壓阻力,使得復進液壓阻力大于復進剩余力,復進開始減速[1]。目前,火炮制退機內流場仿真也沿用這一假設[2],然而,實際測試結果與上述理論并不相符。

2 制退機壓力測試中的異常現象

筆者利用安裝在制退機注液孔處和制退桿末端的壓力傳感器分別對火炮發射時的制退機非工作腔壓力和復進節制腔壓力進行了測量,測量結果與傳統方法計算結果的對比如圖1、圖2所示(該型試驗火炮后坐時間約為0.15 s,復進時間約為0.7 s),圖中,p2為非工作腔壓力,p3為復進節制腔壓力。

測試復進節制腔壓力時,壓力傳感器采用文獻[3]中沿制退桿徑向安裝的方法,排除了液流壓力波疊加效應可能帶來的影響。

圖1 制退機非工作腔壓力

圖2 制退機復進節制腔壓力

由圖1可見,在后坐最初階段傳感器測量到一個約2.1 MPa的壓力峰值,持續約0.02 s。這是由于該型試驗火炮的制退機注液孔與制退筒末端有一定距離,在后坐初期該位置位于工作腔中,傳感器測量到的是工作腔壓力,還未等壓力達到最大值,傳感器已越過制退機活塞,開始測量非工作腔內壓力。

分析可知,該壓力測試結果有三點異常:①通常認為,火炮復進至真空消失點時,制退液回流會產生一較大的液壓阻力,導致非工作腔壓力迅速升高。然而實測非工作腔壓力并未出現急劇升高,這與傳統理論不符。②非工作腔壓力在0.45 s(對應的復進時間約0.3 s,復進位移約0.48 m)處出現一短暫的小幅度升高,但是該時刻明顯滯后于制退機“真空消失點”(該型火炮后坐位移670 mm時“真空消失點”約在復進行程0.19 m處,對應復進時間約為0.154 s),且該壓力峰值僅有約0.38 MPa,遠小于該時刻非工作腔壓力計算值1.33 MPa,與傳統理論不符。③實測的復進節制腔壓力明顯高于傳統反后坐理論計算值。

使用不同傳感器進行多次測試,結果表明,上述異常現象并非由傳感器故障或數據采集誤差引起,如系測量誤差,不應如此規律且具有重復性。要解釋這些異常現象需要對火炮發射過程中的制退液實際動態特性進行研究。

3 非工作腔內制退液空化研究

制退液空化泡的力學特性不同于制退液,有可能導致制退機壓力測試異常。以往關于制退液空化的研究大多集中在空化泡潰滅對節制環的微觀物理破壞機理和空蝕效應上,對制退液空化泡的宏觀力學特性鮮有研究[4-5]。

制退液空化機理、空化過程和制退液空化泡潰滅過程分析,以及非工作腔超聲空化檢測原理與方法參見文獻[6]。試驗結果表明,后坐結束時,非工作腔內的制退液已經完全空化,制退液空化泡使制退筒與制退液交界面處的聲壓反射率升高,且從后坐開始至復進結束,該值經歷了一個從低到高,再從高到低的完整變化過程,其變化趨勢與火炮后坐和復進時間完全吻合。筆者在調整火炮射角并改變超聲探頭安裝位置后,將該試驗重復多次,得到的結果并無明顯差異。

4 制退機壓力測試異常原因分析

4.1 非工作腔壓力測試異常原因分析

傳統反后坐理論認為,火炮復進至“真空消失點”時非工作腔會產生一較大的液壓阻力,根據制退機結構與復進速度估算該壓力峰值約為3.04 MPa;然而,實測非工作腔壓力在“真空消失點”并沒有升高。超聲探頭接收的回波能量值逐漸減小意味著制退液空化泡是在向工作腔回流時逐漸潰滅的,并不提供液壓阻力。

分析認為,非工作腔壓力在火炮復進約0.32 s(對應復進位移約0.48 m)時出現的小幅度升高現象并不是由制退機活塞擠壓制退液回流造成的。這一小幅度壓力升高或與復進節制腔回流的制退液流逆行射入非工作腔中有關,因為此時火炮復進速度約為1.23 m/s,且制退機節制環流液孔與安裝在制退機注液孔處的壓力傳感器很接近。據估算此時復進節制腔回流的制退液流速可達41.9 m/s,當其通過節制環流液孔射入非工作腔后會對傳感器表面造成沖擊,產生的動壓力被記錄為非工作腔壓力。隨著復進速度的減小,逆行制退液速度隨之下降,該動壓力值也很快下降。待制退機活塞越過注液孔之后,此時傳感器重新開始記錄工作腔壓力,該值基本為零。也就是說,火炮發射過程中制退機非工作腔內始終都維持在低壓狀態,這與文獻[1]中的“在整個復進過程中,制退機中的真空并沒有消失,只有當火炮后坐部分復進到位時,制退機中由于制退桿全部插入制退筒內而使真空最后消失”的描述相吻合,但是文獻中關于“真空段”和“真空消失點”的描述不太準確。該文獻還指出,“復進時,制退機活塞的移動使非工作腔的體積減小,非工作腔的真空逐漸消失,而工作腔的體積逐漸增大,真空由非工作腔逐漸轉移到工作腔”。由于筆者并未測量復進時工作腔的壓力,無法斷言這一真空轉移過程是否存在,但是“非工作腔真空逐漸消失”就意味著非工作腔內一直保持低壓,這與文獻中“制退機真空消失點處突然增加了一項制退機復進液壓阻力”的描述相左,綜合分析可知,本文提出的制退液空化泡潰滅方式更加符合實際情況。

4.2 復進節制腔壓力測試異常原因分析

火炮復進時,復進節制腔壓力實測值明顯高于傳統理論計算值。從制退液空化的角度分析,這一現象不難解釋:傳統反后坐理論中假設了非工作腔內“真空段”的存在,并推斷非工作腔在排除真空后會提供一較大的復進液壓阻力,該阻力是根據此時的復進速度與制退機結構計算得出;而由4.1節中的分析可知,復進時非工作腔并不提供液壓阻力,復進阻力計算中本應由非工作腔提供的那一部分液壓阻力,只能由增加的復進節制腔液壓阻力來補償,因此實測復進節制腔壓力高于傳統理論預測值。

5 制退液空化對火炮制退機性能的影響分析

5.1 制退機復進液壓阻力系數的實際取值分析

用傳統方法計算帶溝槽節制桿式制退機非工作腔和復進節制腔壓力時,主流液壓阻力系數一般取1.3到1.5之間,支流液壓阻力系數一般取主流液壓阻力系數的3到4倍。然而,實測的非工作腔壓力遠低于主流液壓阻力系數取較小值1.3時的理論計算值,復進節制腔壓力則高于支流液壓阻力系數取最大值6時的理論計算值。為提高火炮復進計算精度,筆者對復進液壓阻力系數實際取值進行了分析。

根據4.1節的分析可知,傳感器接收到的壓力信號是制退液流產生的動壓,實際上非工作腔內壓力非常低,受傳感器測量精度所限,未能測量出該壓力的精確值,但結合制退液空化機理可推斷該值應為制退液的飽和蒸汽壓5.69 kPa。由于制退機非工作腔的壓力預測值約為3 MPa;遠大于5.69 kPa,因此,在復進計算時,制退機主流復進液壓阻力系數建議取0。本文中的制退機支流液壓阻力系數K2可根據實測的火炮復進速度值和復進節制腔壓力值進行折算,采用最小二乘法擬合后所得的阻力系數為6.622 8,大于文獻[1]中給出的最大取值6,約為主流后坐液壓阻力系數的4.4倍。

5.2 考慮制退液空化的火炮復進運動計算

由于火炮復進過程中并沒有排除真空段后突然增加的非工作腔液壓阻力,為了找出火炮復進由加速變為減速的原因,筆者用Matlab編程計算了火炮復進合力F,并將傳統方法計算值和本文方法計算值進行了對比,如圖3所示,圖中,tf為復進時間。

圖3 火炮復進合力曲線

分析圖3可知,傳統方法得出的復進合力在約0.154 s處突然降低,火炮復進由加速變為減速;根據本文方法計算出火炮復進合力在復進約0.189 s時減小到0,隨后復進才變為減速運動。因此火炮復進由加速變為減速是由于復進速度的增加與復進溝槽流液孔面積的縮小使得復進液壓阻力超過復進剩余力導致的。

圖4為2種不同方法得出的火炮復進速度vf與實測速度的對比。

如圖4所示,根據傳統方法計算得出火炮在復進約0.154 s時達到最大復進速度1.88 m/s,復進到位速度約為0.166 m/s;根據本文方法計算得出火炮在復進約0.189 s處達到最大復進速度1.87 m/s,復進到位速度約為0.149 m/s;實測的火炮復進速度在復進約0.184 s處達到最大值1.87 m/s,復進到位速度約為0.131 m/s。對比可知,根據本文方法計算出的復進速度值與實測值更為接近。

圖4 火炮復進速度曲線

6 結論

①火炮復進時制退機非工作腔不提供液壓阻力。

②火炮復進由加速變為減速并不是由于“真空消失點”處突然增加的非工作腔液壓阻力,而是由復進速度的增加與復進溝槽流液孔面積的縮小使得復進液壓阻力超過復進剩余力導致的。

③對于本文所研究的制退機,其主流復進液壓阻力系數取0,支流復進液壓阻力系數取主流后坐液壓阻力系數的約4.4倍時,計算出的火炮復進速度與實測速度具有更好的一致性。該系數的取值方法可以推廣到其它采用節制桿式制退機的火炮復進計算中。

本文采用的空化超聲檢測方法可為密閉液壓阻尼機械中的空化研究提供一種新的思路。

[1] 高樹滋,陳運生,張月林,等.火炮反后坐裝置設計[M].北京:兵器工業出版社,1995:154-191.

GAO Shu-zi,CHEN Yun-sheng,ZHANG Yue-lin, et al.Gun recoil mechanism design[M].Beijing:Ordnance Industry Press,1995:154-191.(in Chinese)

[2] 張曉東,張培林,傅建平,等.基于二維模型的火炮沖擊運動計算[J].振動與沖擊,2011,30(2):115-118.

ZHANG Xiao-dong,ZHANG Pei-lin,FU Jian-ping,et al.Gun shock motion computation based on a two-dimensional model[J].Journal of Vibration and Shock,2011,30(2):115-118.(in Chinese)

[3] 朱勝芬.節制桿式駐退機內腔壓力異常的分析與對策[J].四川兵工學報,2003,24(6):34-36.

ZHU Sheng-fen.Analysis and countermeasures for the pressure anomalies in counter-recoil control chamber of recoil brake[J].Journal of Sichuan Ordnance,2003,24(6):34-36.(in Chinese)

[4] 趙建新.火炮駐退機節制環空蝕模型研究[D].石家莊:軍械工程學院,2000.

ZHAO Jian-xin.Research on governing ring cavitation damage model of gun buffer[D].Shijiazhuang:Ordnance Engineering College,2000.(in Chinese)

[5] 張曉東,張培林,傅建平,等.制退機節制環磨損機理及故障模型研究[J].計算機應用與軟件,2011,28(7):206-208.

ZHANG Xiao-dong,ZHANG Pei-lin,FU Jian-ping,et al.Research on wear mechanism and fault model of governing ring of recoil brake[J].Computer Applications and Software,2011,28(7):206-208.(in Chinese)

[6] 楊玉棟,張培林,傅建平,等.考慮液體空化的火炮制退機性能分析[J].振動與沖擊,2012,31(20):94-98.

YANG Yu-dong,ZHANG Pei-lin,FU Jian-ping,et al.Performance of the recoil mechanism taking into account liquid cavitation[J].Journal of Vibration and Shock,2012,31(20):94-98.(in Chinese)