火炮發(fā)射沖擊載荷對制退機(jī)性能的影響研究

楊玉棟，張培林，郭化平，田 鋮，吳曉明，王 成

(1.軍械工程學(xué)院 七系，石家莊 050003；2.武漢軍械士官學(xué)校 四系，武漢 430075；3.陸軍指揮學(xué)院 軍事運(yùn)籌中心，石家莊 050084)

傳統(tǒng)反后坐理論不考慮制退液的空化效應(yīng)，這是對實(shí)際情況的一種理想化近似。然而，大口徑火炮后坐速度可達(dá)10m/s，制退液最快流速可達(dá)140m/s，受后坐沖擊作用和制退桿抽出的影響，制退液會發(fā)生空化，空化后的制退液流動特性和宏觀力學(xué)特性與空化前相比極為不同。本文對沖擊載荷作用下的制退液實(shí)際特性和制退機(jī)實(shí)際性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并與人工后坐條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析，揭示制退液空化對制退機(jī)實(shí)際性能的影響，以期提高火炮復(fù)進(jìn)運(yùn)動計算精度，并為制退機(jī)液壓阻力計算和制退機(jī)設(shè)計提供參考。

1 節(jié)制桿式制退機(jī)工作原理

野戰(zhàn)火炮一般采用帶復(fù)進(jìn)節(jié)制溝槽的節(jié)制桿式制退機(jī)，其工作原理如圖1所示?；鹋诎l(fā)射時，制退桿隨炮尾向后運(yùn)動，壓迫工作腔Ⅰ中的制退液通過節(jié)制環(huán)流液孔射入非工作腔Ⅱ，此液流稱為“主流”；另一部分制退液向后流動，推開調(diào)速筒末端的活門進(jìn)入復(fù)進(jìn)節(jié)制腔Ⅲ，此液流稱為“支流”?；鹋趶?fù)進(jìn)時，節(jié)制桿末端的活門關(guān)閉，復(fù)進(jìn)節(jié)制腔內(nèi)的制退液只能通過制退桿內(nèi)側(cè)的4條溝槽回流，此過程中會產(chǎn)生復(fù)進(jìn)液壓阻力以消耗復(fù)進(jìn)剩余能量。

圖1 節(jié)制桿式制退機(jī)工作原理圖

傳統(tǒng)反后坐理論認(rèn)為，由于制退桿從制退筒中抽出，火炮后坐結(jié)束時非工作腔內(nèi)有真空段，復(fù)進(jìn)最初階段是真空排除階段，制退機(jī)復(fù)進(jìn)液壓阻力來自復(fù)進(jìn)節(jié)制腔，在此過程中復(fù)進(jìn)液壓阻力小于復(fù)進(jìn)剩余力，因此是復(fù)進(jìn)加速時期；非工作腔內(nèi)真空排除后，制退液在制退桿活塞擠壓下回流到工作腔，突然產(chǎn)生一較大的液壓阻力，使得復(fù)進(jìn)液壓阻力大于復(fù)進(jìn)剩余力，使復(fù)進(jìn)進(jìn)入減速時期[1]。目前，火炮后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動數(shù)值仿真和火炮復(fù)進(jìn)制動圖的制訂多基于以上假設(shè)[2-3]，然而，當(dāng)考慮沖擊載荷對制退液的影響時，采用上述分析方法將會造成對制退機(jī)復(fù)進(jìn)液壓阻力的錯誤估計，影響火炮后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動計算精度。

2 制退液空泡力學(xué)特性及潰滅過程分析

制退液空化機(jī)理可參見文獻(xiàn)[4]。趙建新等[5-6]對制退液空化及空蝕破壞機(jī)理進(jìn)行過研究，但并未研究過空化后的制退液泡沫特性。本文研究的制退機(jī)后坐結(jié)束時非工作腔內(nèi)制退液泡沫的液體體積分?jǐn)?shù)約為77%，屬于一種典型的泡沫流體，流變特性復(fù)雜：當(dāng)制退液泡沫受壓時內(nèi)部的空泡體積會縮小，以適應(yīng)外部壓力變化，表現(xiàn)出彈性流體特性；當(dāng)制退液泡沫所受壓力繼續(xù)增大或受到剪切作用時，其內(nèi)部的空泡將會潰滅而“溶化”為液體[4]。

火炮復(fù)進(jìn)時，制退液泡沫受到擠壓，其體積縮小的同時向工作腔回流，當(dāng)其流經(jīng)節(jié)制環(huán)流液孔時會受到很強(qiáng)的剪切作用，并同時與復(fù)進(jìn)節(jié)制腔回流的高壓制退液流相遇，制退液空泡在節(jié)制環(huán)流液孔處潰滅，復(fù)進(jìn)結(jié)束時空泡潰滅完畢，制退液恢復(fù)到射擊前的狀態(tài)。在制退液泡沫回流過程中，其表觀粘度和內(nèi)部空泡潰滅壓力與制退液泡沫質(zhì)量分?jǐn)?shù)、空泡平均直徑和制退液粘度等多種因素有關(guān)[7]，受研究條件所限，尚無法得出制退液泡沫表觀粘度和空泡的具體潰滅壓力數(shù)值，但制退液泡沫作為制退機(jī)復(fù)進(jìn)時的工作介質(zhì)，復(fù)進(jìn)過程中產(chǎn)生的液壓阻力可由實(shí)測的非工作腔壓力間接換算得出。

低壓泡沫的潰滅微觀機(jī)理及其影響主要體現(xiàn)在制退液空化泡對制退機(jī)活塞等結(jié)構(gòu)的空蝕破壞效應(yīng)上，這并不是本文的研究重點(diǎn)，且在文獻(xiàn)[5-6]中已有所述及，本文主要針對其宏觀力學(xué)性能及其對火炮后坐和復(fù)進(jìn)性能的影響進(jìn)行研究。

3 制退機(jī)非工作腔內(nèi)部空化的對比研究

3.1 實(shí)彈射擊條件下的空化超聲試驗(yàn)

制退機(jī)內(nèi)部空化試驗(yàn)的具體原理與方法參見文獻(xiàn)[8]，超聲探頭在制退筒上的安裝位置如圖2所示?；鹋诎l(fā)射前，將探頭接收的首列回波能量值標(biāo)定為0.8(無量綱)，在火炮45°射角時，發(fā)射過程中探頭接收到的回波能量值曲線見圖3。

圖2 空化試驗(yàn)中所用的超聲探頭

圖3 實(shí)彈射擊時界面處反射的回波能量值曲線

分析圖3可知，非工作腔內(nèi)的制退液在火炮發(fā)射的沖擊載荷作用下確實(shí)發(fā)生了空化，空化后的制退液內(nèi)夾雜著很多包含著制退液蒸汽的空泡，聲阻抗急劇下降，使得交界面處的聲壓反射率明顯增大?；鹋诤笞Y(jié)束時非工作腔內(nèi)并無真空段，因?yàn)槿绻枪ぷ髑粌?nèi)存在真空段，在火炮大射角射擊時，制退液受重力作用位于非工作腔底部，真空段必定位于上部，然而筆者在不同火炮射角下進(jìn)行了多次測試，并在同一射角下改變超聲探頭的安裝位置，使其對準(zhǔn)制退機(jī)非工作腔的不同區(qū)域，多次測試得到的結(jié)果與圖3相比并無明顯差異，這說明空化形成的制退液泡沫已經(jīng)均勻分布在非工作腔內(nèi)，填補(bǔ)了由于制退桿抽出而形成的“真空段”。據(jù)試驗(yàn)結(jié)果還可得出，制退液空泡是在復(fù)進(jìn)過程中逐漸潰滅的，這與復(fù)進(jìn)過程中回波能量值的逐漸降低相吻合。

3.2 人工后坐條件下的空化超聲試驗(yàn)

為了保證空化試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者在人工后坐條件下重復(fù)了以上試驗(yàn)，具體方法為：打開復(fù)進(jìn)機(jī)前端蓋，用液壓式人工后坐器的推桿向后推動復(fù)進(jìn)機(jī)活塞，由復(fù)進(jìn)桿帶動炮尾進(jìn)而帶動制退桿向后運(yùn)動，模擬火炮后坐，達(dá)到最大后坐位移后快速卸載人工后坐器推力，讓后坐部分在復(fù)進(jìn)機(jī)力的作用下自行復(fù)進(jìn)到位。試驗(yàn)過程中火炮射角仍設(shè)置為45°，模擬的最大后坐位移同樣為690 mm，后坐時間約為3 min，后坐速度約0.003 8 m/s，試驗(yàn)過程中超聲探頭接收的回波能量值曲線如圖4所示(考慮到人工后坐時間遠(yuǎn)大于復(fù)進(jìn)時間，為方便研究，已將坐標(biāo)橫軸轉(zhuǎn)換為后坐位移，探頭安裝位置同圖2)。

圖4 人工后坐時界面處反射的回波能量值曲線

分析圖4可知，當(dāng)火炮后坐位移達(dá)到約41 mm時，界面處回波能量值從0.8突躍到約0.871，相應(yīng)地，制退液與制退筒交界面處聲壓反射率突然增加到約99.82%，這說明超聲探頭下方開始出現(xiàn)可被識別的真空段，在后坐結(jié)束前回波能量值一直穩(wěn)定在0.871附近，說明直到后坐結(jié)束時該真空段一直存在。復(fù)進(jìn)前期，回波能量值一直保持在0.871附近，當(dāng)復(fù)進(jìn)位移達(dá)到193 mm(圖中對應(yīng)的后坐位移約497 mm)時，回波能量值突降至0.8，并保持該值直至復(fù)進(jìn)到位。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，人工后坐時制退液未發(fā)生空化，制退機(jī)非工作腔內(nèi)確實(shí)形成了真空段，由于回波能量值是突然增大的，可知真空段一直位于制退機(jī)上部；復(fù)進(jìn)時真空段首先消失，待其完全消失時，回波能量值驟降至初始值0.8。分析認(rèn)為，由于人工后坐速度很慢，人工后坐時制退液在節(jié)制環(huán)流液孔的平均流速僅為約0.29 m/s，遠(yuǎn)小于實(shí)彈射擊時制退液流動速度，因此制退液并未空化。

3.3 制退機(jī)非工作腔內(nèi)部壓力測試與結(jié)果分析

分析上面的對比試驗(yàn)結(jié)果可知，制退液是否空化取決于是否受到火炮發(fā)射沖擊載荷作用，傳統(tǒng)反后坐理論中關(guān)于“真空段”的假設(shè)只在火炮后坐速度很低的前提下成立，在實(shí)際火炮發(fā)射時是不適用的。由于制退液空泡在復(fù)進(jìn)過程中逐漸潰滅，意味著非工作腔內(nèi)一直有低壓制退液泡沫存在，非工作腔提供的復(fù)進(jìn)液壓阻力遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)理論中指出的由于排除“真空段”后突然增加的復(fù)進(jìn)液壓阻力，這會對復(fù)進(jìn)阻力的計算帶來較大影響，進(jìn)而影響火炮復(fù)進(jìn)運(yùn)動計算。為驗(yàn)證上述結(jié)論，筆者分別對火炮實(shí)彈射擊時和人工后坐時的非工作腔內(nèi)部壓力進(jìn)行了測試，測試時采用量程為0-5 MPa的壓力傳感器，傳感器安裝在制退機(jī)注液孔處，如圖5所示。實(shí)彈射擊時和人工后坐時的非工作腔壓力測試值與傳統(tǒng)反后坐理論計算值的對比見圖6(由于人工后坐時間很長，已將試驗(yàn)結(jié)果中的坐標(biāo)橫軸轉(zhuǎn)換為復(fù)進(jìn)位移)。

圖5 壓力傳感器及其安裝位置

分析圖6(a)可知，實(shí)彈射擊時，制退機(jī)非工作腔在后坐初期有一個峰值約0.58 MPa，持續(xù)時間約0.01 s的脈沖壓力，分析認(rèn)為，這是火炮后坐初期制退液以極高的速度突然射入非工作腔，該液流沖擊傳感器表面形成的動壓力被記錄為非工作腔壓力所致。在隨后的后坐過程中，非工作腔內(nèi)始終保持較低壓力范圍，受傳感器測量精度所限，尚無法測量出具體壓力數(shù)值，但推斷其值應(yīng)不會超過傳感器的測量精度值100 kPa；在火炮復(fù)進(jìn)過程中，非工作腔壓力仍保持在該壓力范圍內(nèi)，并沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)反后坐理論中指出的由于“真空段”消失而突然增加的液壓阻力，這說明低壓制退液空化泡在受壓潰滅時在宏觀上并不能提供使得復(fù)進(jìn)運(yùn)動由加速變?yōu)闇p速的較大的液壓阻力，這與依據(jù)傳統(tǒng)反后坐理論得出的計算值不符。

分析圖6(b)可知，人工后坐時，后坐階段非工作腔內(nèi)壓力一直為0(由于該壓力值恒為0，并未在圖中顯示)，結(jié)合3.3的超聲空化試驗(yàn)結(jié)果可知，非工作腔內(nèi)確實(shí)有真空產(chǎn)生。在復(fù)進(jìn)行程達(dá)到193 mm之前(即真空段排除之前)，非工作腔內(nèi)壓力仍保持為0，復(fù)進(jìn)液壓阻力全部來自復(fù)進(jìn)節(jié)制腔；待真空段排除后，非工作腔壓力突然升高到約2.89 MPa，而后隨著復(fù)進(jìn)行程的增加逐漸降低到0，這說明非工作腔在復(fù)進(jìn)后期提供了復(fù)進(jìn)液壓阻力，與依據(jù)傳統(tǒng)反后坐理論得出的計算值相符。

圖6 兩種情況下非工作腔壓力計算值與測試值的比較

4 制退液空化對制退機(jī)性能的影響分析

4.1 考慮制退液空化效應(yīng)時的復(fù)進(jìn)制動圖繪制

復(fù)進(jìn)制動圖是表征復(fù)進(jìn)剩余力Fsh和復(fù)進(jìn)液壓阻力FΦfj隨復(fù)進(jìn)行程變化規(guī)律和特點(diǎn)的圖形，它是指導(dǎo)火炮制退機(jī)流液孔設(shè)計計算的主要依據(jù)[1]。以往繪制復(fù)進(jìn)制動圖依據(jù)的是傳統(tǒng)反后坐理論中的“真空段”假設(shè)，對于全長復(fù)進(jìn)節(jié)制的帶溝槽節(jié)制桿式制退機(jī)，傳統(tǒng)復(fù)進(jìn)制動圖如圖7。

圖7 傳統(tǒng)的復(fù)進(jìn)制動圖

圖8 改進(jìn)的復(fù)進(jìn)制動圖

4.2 制退機(jī)復(fù)進(jìn)液壓阻力系數(shù)的實(shí)際取值分析

傳統(tǒng)反后坐理論中，對于帶溝槽的節(jié)制桿式制退機(jī)，主流液壓阻力系數(shù)一般建議取1.3到1.5之間的值，支流液壓阻力系數(shù)一般取主流液壓阻力系數(shù)的3到4倍[1]。然而，在制退機(jī)壓力測試中發(fā)現(xiàn)，實(shí)測的非工作腔壓力遠(yuǎn)低于主流液壓阻力系數(shù)取較小值1.3時的理論計算值，實(shí)測的復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力則明顯高于支流液壓阻力系數(shù)取最大值6時的理論計算值，如圖9所示。

為使火炮復(fù)進(jìn)運(yùn)動計算更為精確，筆者對制退機(jī)復(fù)進(jìn)液壓阻力系數(shù)的實(shí)際取值進(jìn)行了分析。根據(jù)3.3的分析可知，火炮后坐初期，傳感器接收到的脈沖壓力信號是高速制退液流產(chǎn)生的動壓，實(shí)際上非工作腔內(nèi)壓力始終保持在100 kPa以下，制退機(jī)主流復(fù)進(jìn)液壓阻力系數(shù)是按照可能的最大壓力值100KPa折算得出的，采用最小二乘法擬合的值為0.036；制退機(jī)支流復(fù)進(jìn)液壓阻力系數(shù)是根據(jù)實(shí)測的火炮復(fù)進(jìn)速度和復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力折算得出的，擬合值為6.622 8，大于文獻(xiàn)[1]中給出的最大推薦取值6，如圖10所示。因此，對于帶溝槽的節(jié)制桿式制退機(jī)，在進(jìn)行火炮復(fù)進(jìn)運(yùn)動計算時，建議支流復(fù)進(jìn)液壓阻力系數(shù)取主流后坐液壓阻力系數(shù)的4到4.5倍。

圖9 實(shí)彈射擊時的復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力

4.3 考慮制退液空化的火炮復(fù)進(jìn)運(yùn)動計算

為了進(jìn)一步研究沖擊載荷作用下的制退液空化對火炮制退機(jī)性能的影響，筆者用傳統(tǒng)方法和本文方法分別對火炮實(shí)彈射擊和人工后坐時的復(fù)進(jìn)運(yùn)動進(jìn)行了計算，并將計算結(jié)果與兩種情況下實(shí)測的火炮復(fù)進(jìn)速度進(jìn)行了對比，如圖11所示。

分析可知，考慮制退液空化影響時，制退機(jī)主流液壓阻力系數(shù)和支流液壓阻力系數(shù)分別取0和6.622 8，依據(jù)本文方法計算出的復(fù)進(jìn)速度與實(shí)彈射擊的實(shí)測速度非常吻合，二者均在復(fù)進(jìn)約0.19 s時由加速變?yōu)闇p速；而依據(jù)傳統(tǒng)方法計算出的復(fù)進(jìn)速度則與人工后坐的實(shí)測速度更為接近，在復(fù)進(jìn)約0.15 s時，由于真空段排除后突然增加的非工作腔液壓阻力，使得復(fù)進(jìn)運(yùn)動由加速變?yōu)闇p速。然而，雖然火炮人工后坐時會在復(fù)進(jìn)過程中受到更大的液壓阻力，火炮復(fù)進(jìn)到位速度卻高于實(shí)彈射擊時的復(fù)進(jìn)到位速度，這看似違背常理，但卻是對4.1中“復(fù)進(jìn)速度比溝槽深度對復(fù)進(jìn)液壓阻力的影響更明顯”這一論述的極好證明，由于復(fù)進(jìn)運(yùn)動過早進(jìn)入減速時期，復(fù)進(jìn)速度的降低使復(fù)進(jìn)節(jié)制腔液壓阻力隨之迅速減小，在相同的復(fù)進(jìn)剩余力作用下，火炮人工后坐時的復(fù)進(jìn)到位速度比實(shí)彈射擊時要更快一些。

5 結(jié) 論

(1) 受火炮發(fā)射沖擊載荷作用影響，后坐結(jié)束時制退機(jī)非工作腔內(nèi)不存在真空段。制退液空化泡復(fù)進(jìn)過程中并不提供液壓阻力。

(2) 火炮人工后坐條件下制退機(jī)非工作腔后坐結(jié)束時存在真空段，制退機(jī)非工作腔實(shí)測壓力與傳統(tǒng)反后坐理論計算結(jié)果相符，傳統(tǒng)的非工作腔真空段假設(shè)并不適用于有沖擊載荷作用的火炮發(fā)射過程。

(3) 對于采用帶溝槽節(jié)制桿式制退機(jī)的火炮，復(fù)進(jìn)運(yùn)動計算中取制退機(jī)主流液壓阻力系數(shù)擬合值0.036，支流液壓阻力系數(shù)取擬合值6.622 8時，火炮復(fù)進(jìn)速度計算值與實(shí)彈射擊時的實(shí)測值較為符合；按照傳統(tǒng)反后坐理論給出的液壓阻力系數(shù)取值方法，得出的復(fù)進(jìn)速度計算值與人工后坐時的實(shí)測值更為一致。

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