變阻力火炮制退機結構設計

肖本勇，鄭建國

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

圖1 制退機結構簡化圖

火炮射擊后，炮身在火藥氣體壓力下后坐，制退桿活塞壓迫制退液通過流液孔流出，形成“主流”和“支流”。此時，由于制退液由靜止狀態轉化為高速流動狀態，產生了很大的慣性阻力；同時，液體的高速流動使液體與液體之間，液體與金屬壁面之間形成了黏性摩擦阻力。這兩部分阻力合稱液壓阻力，其作用方向與后坐方向相反，起到阻礙火炮后坐的作用，以保證火炮發射的穩定性[2]。由于火炮射擊后都需要射手觀察火炮后坐距離指標器的后坐距離，以便決定下一發是否可以射擊。但火炮在進行遠距離打擊和近距離壓制敵人時，裝藥量是改變的，故火炮后坐距離也會隨之改變，這將影響火炮的射擊效率。通過設計一種新的制退機模型可有效控制火炮的后坐位移，提高射擊效率。

1 變阻力制退機結構設計

通過在傳統制退機上增加一個旁路，旁路上設有調節裝置和檢測裝置，對后坐位移起到調節和監控的作用，其簡化模型如圖2所示。

圖2 變阻力制退機模型

調節裝置由壓力傳感器和液壓閥組成，調節變阻力下火炮的后坐位移大小。檢測裝置由位移傳感器和單片機等組成，顯示并記錄火炮的后坐位移，以提高火炮的射擊效率。

1.1 總體設計方案

在火炮炮身和后坐指示器上分別安裝壓力傳感器和距離傳感器，當火炮的裝藥量發生變化后，由壓力傳感器檢測到炮膛合力的變化，從而對閥門的開口做出相應的改變[3]，以確保后坐位移基本保持不變，并以后坐指示器的游標作為獲取信號的對象。在后坐指示器的指示尺的起始位置安裝位移傳感器，當火炮后坐時，傳感器的接收器接受信號送至單片機，單片機收到信號通過D/A轉換將模擬信號轉換為數字信號并在數碼管中顯示[4]。裝置的總體方案如圖3所示。

圖3 裝置的總體方案

1.2 傳感器信號的采集與處理

位移傳感器采用超聲測距獲取信號，火炮后坐時，帶動后坐游標向后移動；停止后，單片機通過檢測輸入引腳的電平變化來判斷是否計數。計數器所記錄的數據可通過換算得到傳感器與被測物之間的距離。結構框圖如圖4所示。

圖4 結構框圖

1.3 放大電路設計

系統使用的主電源電路原理圖如圖5所示。

圖5 電路原理圖

圖5為一個三端集成穩壓電源應用電路圖，電源電壓經分壓后得到的 + 12 V電壓，經轉化后即可在輸出端輸出電壓為+ 5 V的穩定電壓。在輸出端上接入一個值為 50 μF電容 C0，以改善負載的瞬態響應。為防止輸出電壓過高，在輸入端和輸出端之間跨接一個保護二極管 V2，型號為 IN4007 ，以保護集成穩壓器內部電源。

2 帶旁路制退機模型的理論推導

采用控制體上的積分型能量方程來推導流體的流動控制方程，假設制退液體為一維定常流，根據質量守恒方程和能量守恒得到液體流動的阻力方程。

火炮后坐時，后坐部分以速度V沿導軌向后運動，制退桿活塞以同樣的速度向后運動，設移動距離為dx，則流動的連續方程為：

(1)

ρAfjdx=ρA1w2dt

(2)

(3)

對于主流、旁路和支流分別有如下方程：

(4)

(5)

(6)

式中：pi、wi分別為制退機內各腔的壓力和流速；ρ為制退機內液體的密度；Hri為各流液孔處液體流動的比動能損失。根據制退機工作時的情形，可將p1、p2、w0的值定為0，可以把比能損失寫成比動能的形式，引入因數k1=1+ε1，k2=1+ε2，k3=1+ε3，且z0g=z1g=z2g=z3g，則式(4)、式(5)、式(6)可分別簡化為：

(7)

(8)

(9)

(10)

將式(3)代入式(9)，得：

(11)

把式(10)代入式(7)，得到：

(12)

制退機后坐時，把制退桿當作自由體，液壓阻力可表示為：

Fφh=p0(A0-Ap)+(p0-p3)Afj

(13)

把式(11)和式(12)代入式(13)得：

(14)

從式(14)中可以看出，調節旁路開口af的大小可以改變液壓阻力Fφh的大小，而后坐阻力公式為：

FR=Fφh+Ff+F+FT-mhgsinφ

(15)

由式(15)可以看出，增加旁路的開口面積，可減小后坐阻力，而當其他條件不變時，后坐阻力和炮膛合力決定著后坐位移的大小。因此，當火炮的裝藥量發生變化時，可通過改變旁路開口的大小，來緩沖由裝藥量改變引起的炮膛合力的變化，達到調節后坐阻力的效果，從而控制整個后坐位移基本保持不變。

3 后坐仿真計算

仿真是以某型號榴彈炮的制退機為例[6]， 在20 ℃的溫度下進行。設定制退液為不可壓縮粘性流體，密度取ρ=1 100m3/s，運動粘度取μ=0.020Pa·s。采用標準的k-ε模型，壓力項采用PRESTO方法進行離散，動量項釆用一階迎風格式離散，其他項均采用二階迎風格式進行離散。運用動網格分別對改進前后制退機進行三維流場仿真，時間步長選擇為5×10-5s，整個迭代次數為8 000次，計算時間為0.16s。

由前文推導的閥門開口面積與炮膛合力的關系式來調整在不同裝藥量的情況下閥門的開口大小，得到傳統制退機分別在全裝藥、半裝藥和3/4裝藥下的仿真結果圖6-圖8所示。

圖6 全裝藥位移圖

圖7 半裝藥位移圖

圖8 3/4裝藥位移圖

從圖6-圖8可以看出，傳統制退機模型下，火炮在全裝藥、3/4裝藥和半裝藥下的最大后坐位移分別為0.613m、0.527m、0.406m。

火炮由全裝藥轉變為3/4裝藥后后坐位移改變量為：

由全裝藥轉變為半裝藥后坐位移改變量為：

由計算得出，傳統制退機在改變裝藥量后后坐位移改變量較大，不利于火炮的快速射擊。

帶旁路制退機分別在全裝藥、半裝藥、3/4裝藥情況下的后坐位移仿真結果如圖9-圖11所示。

圖9 全裝藥位移圖

圖10 3/4裝藥位移圖

圖11 半裝藥位移圖

從圖9-圖11可以看出，帶旁路制退機模型下，火炮在全裝藥、3/4裝藥、和半裝藥下的最大后坐位移分別為0.605m、0.593m、0.578m。

由全裝藥變為3/4裝藥后坐位移改變量為：

由全裝藥轉變為半裝藥后坐位移改變量為：

通過計算結果可以看出，在傳統制退機上增加一旁路，通過改變旁路上閥門開口的大小可使變阻力制退機的后坐位移變化量減小，從而實現火炮的快速射擊。

4 結語

在不改變火炮總體性能的情況下，在火炮制退機上加一旁路，旁路上裝有液壓閥等裝置，當火炮裝藥量發生變化后可通過調節閥門的開口來減小后坐位移的變化量。通過理論推導和數值仿真得出在傳統制退機模型下裝藥量由全裝藥變為半裝藥后后坐位移變化量為34%，變化量較大，而帶旁路制退機在同樣條件下變化量僅為4.5%，后坐位移基本趨于穩定，對火炮的快速射擊具有較大的實際意義。

[1] 談樂斌，張相炎，管紅根，等．火炮概論[M]. 北京：北京理工大學出版社，2005.

[2] 高躍飛. 火炮反后坐裝置設計[M]. 北京：國防工業出版社，2010.

[3] 張平格. 液壓傳動與控制[M]. 北京：冶金工業出版社，2009.

[4] 何立明，萬光一，嚴義. 單片機試驗與實踐教程[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社，2003.

[5]雷鳴震，馮祖仁. 超聲傳感器調制特性及收發電[J]. 國外電子測量技術，2007，26(4): 15-17.

[6] 張曉東,張格林，傅建華，等. 基于動網格的火炮制退機內部流場數值[J]. 南京理工大學學報，2010,34(4):533-546.