楊玉棟，張培林，傅建平，張曉東，王 成

(1.軍械工程學院一系，石家莊 050003;2.63926部隊，北京 102202;3.陸軍指揮學院 軍事運籌中心，石家莊 050084)

制退機是火炮的重要組成部分，起著消耗火炮后坐動能和保持火炮射擊穩(wěn)定的作用。典型的筒后坐節(jié)制桿式制退機工作原理如圖1所示。火炮發(fā)射時，火藥氣體產(chǎn)生的沖擊作用力使制退筒隨著炮身一起快速后坐，迫使工作腔Ⅰ中的制退液在制退筒的擠壓作用下通過制退桿活塞上的多個圓柱形斜孔和節(jié)制環(huán)與節(jié)制桿構(gòu)成的流液孔高速射入非工作腔Ⅱ，另有一部分制退液向后流經(jīng)制退桿與節(jié)制桿之間的流液孔，推開節(jié)制桿末端的活門流入復(fù)進節(jié)制腔Ⅲ，在此過程中，制

退液由靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)化為高速流動狀態(tài)，產(chǎn)生很大的慣性阻力，同時，高速流動的制退液內(nèi)部，以及制退液與金屬表面也形成了摩擦阻力，這兩部分阻力合稱為液壓阻力，其作用方向與后坐方向相反，通過制退筒作用在炮身上，對后坐運動進行制動，消耗了絕大部分后坐動能[1]。由于后坐時，制退桿從制退筒中抽出，使非工作腔中壓力不斷降低，有出現(xiàn)真空的趨勢(圖1中p2處的空腔為非工作腔內(nèi)部由于制退桿抽出而增大的空間示意，并非內(nèi)部的空氣)。

傳統(tǒng)反后坐理論認為，火炮后坐結(jié)束時非工作腔內(nèi)有真空段，復(fù)進最初階段是真空排除階段，復(fù)進阻力主要來自復(fù)進節(jié)制腔Ⅲ內(nèi)制退液回流時產(chǎn)生的液壓阻力，在此過程中復(fù)進液壓阻力小于復(fù)進剩余力，因此是復(fù)進加速時期;待非工作腔內(nèi)真空排除后，制退液在制退桿活塞推擠下回流到工作腔，突然產(chǎn)生一較大的液壓阻力，使得復(fù)進液壓阻力大于復(fù)進剩余力，從而復(fù)進進入減速時期[2]。

圖1 筒后坐節(jié)制桿式制退機工作原理圖Fig 1 .Recoil mechanism working principle diagram

目前，對火炮后坐復(fù)進運動的數(shù)值模擬研究中也假設(shè)后坐結(jié)束時制退機非工作腔內(nèi)存在一真空段，制退機在真空段排除后才開始提供液壓阻力[3]。然而，在火炮射擊的沖擊作用下，制退液在非工作腔內(nèi)會發(fā)生劇烈的空化，空化后的制退液特性與空化前相比有很大差異，采用以上處理方法會導(dǎo)致對復(fù)進阻力的錯誤估計，無法反映制退機的實際工作性能。

1 制退機非工作腔內(nèi)部空化理論分析

1.1 制退機非工作腔內(nèi)部空化機理分析

空化是由于液流系統(tǒng)中的局部低壓(低于相應(yīng)溫度下該液體的飽和蒸汽壓)使液體快速蒸發(fā)而引起的微汽泡爆發(fā)性生長現(xiàn)象，通常也包括空化泡的形成、發(fā)展及潰滅過程[4]。

制退機在裝配時，制退液中不可避免地溶解有少量空氣，在制退機的使用過程中，密封裝置的氣密性變差也會導(dǎo)致空氣的滲入和溶解，根據(jù)穩(wěn)定氣核機理假說[5]，這些空氣會以微氣泡(即空化核)的形式長久存在于制退機中，為空化產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

火炮后坐時，工作腔中的制退液通過節(jié)制環(huán)與節(jié)制桿構(gòu)成的流液孔高速射入非工作腔，由于此處液流通道面積突然縮小，液流速度急劇提高，該處制退液平均流速可達140 m/s，由伯努利方程可知該處壓強急劇降低，局部壓力甚至接近于0，文獻[3]和文獻[6]中對制退機后坐過程的數(shù)值模擬結(jié)果確切地反映出了制退機非工作腔內(nèi)的低壓。本文研究的某型制退液在20℃時的飽和蒸汽壓為5.69 kPa，遠遠高于火炮后坐時非工作腔內(nèi)的最低壓力。

1.2 制退機非工作腔內(nèi)部空化過程分析

火炮后坐時由于制退桿的抽出，總是有使非工作腔內(nèi)出現(xiàn)真空的趨勢，同時，節(jié)制環(huán)流液孔處的液流速度急劇升高，局部壓強迅速降低到5.69 kPa以下，制退液發(fā)生劇烈空化，產(chǎn)生很多包含著制退液蒸汽和膨脹空氣的空化泡，這些空化泡被高速流經(jīng)此處的制退液流沖散到非工作腔內(nèi)，使非工作腔內(nèi)壓強升高到5.69 kPa，火炮后坐過程中非工作腔不斷被空化泡填補，達到動態(tài)平衡，在后坐結(jié)束時，制退機非工作腔內(nèi)充滿制退液泡沫，內(nèi)部壓強應(yīng)為制退液的飽和蒸汽壓5.69 kPa，而并不存在通常所說的真空段。

根據(jù)火炮制退機的結(jié)構(gòu)參數(shù)可計算得出，后坐結(jié)束時生成的制退液泡沫中液體體積分數(shù)約為69%，是一種典型的泡沫流體，流變特性較為復(fù)雜[7－9]，當其受壓時會表現(xiàn)出彈性流體行為，其內(nèi)部的氣泡體積會縮小以使制退液泡沫總體積減小，從而適應(yīng)外部壓力變化，當泡沫所受壓力繼續(xù)增大或受剪切作用時氣泡將會發(fā)生潰滅而“溶化”為液體[10]。制退液空化泡的潰滅壓力與氣泡平均直徑、制退液粘度以及制退液表面張力等因素有關(guān)[11]，由于尚缺乏有效手段確定制退液氣泡的平均直徑，暫無法給出制退液空化泡潰滅壓力精確值，由于本文主要關(guān)注的是制退液泡沫回流時的整體力學性能及其對火炮復(fù)進運動的影響，可以非工作腔壓力測試為手段加以研究。

火炮復(fù)進過程中，制退筒在炮尾帶動下向前運動，擠壓非工作腔內(nèi)的制退液泡沫，制退液空化泡受壓縮體積縮小的同時開始向工作腔內(nèi)回流，當泡沫流經(jīng)節(jié)制環(huán)流液孔時，制退液空化泡受到剪切作用，同時與復(fù)進節(jié)制腔回流的高壓制退液相遇，在二者共同作用下空化泡發(fā)生潰滅，直至復(fù)進結(jié)束時全部潰滅完畢，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，其表觀粘度與泡沫質(zhì)量分數(shù)和泡沫平均直徑等因素有關(guān)[12]，其產(chǎn)生的液壓阻力值可以通過非工作腔壓力的測量值計算得出。

2 非工作腔內(nèi)空化檢測試驗與壓力測試

為驗證前述理論分析結(jié)論，本文設(shè)計了一種基于超聲檢測的空化試驗，利用安裝在制退機鋼筒外的超聲探頭，通過分析界面回波能量的方法檢測火炮后坐與復(fù)進過程中的制退液狀態(tài)，同時還對制退機非工作腔內(nèi)壓力進行了測試。

2.1 超聲檢測非工作腔空化的原理與方法

當超聲波垂直入射到聲阻抗不同的兩介質(zhì)界面時，會在界面處發(fā)生透射與反射。一般常用反射波聲壓pr與入射波聲壓p0的比值表示聲壓反射率r，且有:

式中:z1和z2為兩種介質(zhì)的聲阻抗值。

已知鋼對縱波的聲阻抗為4.6×106kg/m2·s，制退液對縱波的聲阻抗為2.1×106kg/m2·s，則超聲波從鋼入射到制退液時界面處聲壓反射率約為91.67%;而超聲縱波在真空中無法傳播，由式(1)可知，當z1遠大于z2時，聲波在界面上幾乎全反射而透射極少，如果制退機內(nèi)部存在真空，則超聲波在鋼和真空的界面處應(yīng)為全反射，理論反射率應(yīng)為100%。制退液泡沫根據(jù)其內(nèi)部氣體體積分數(shù)不同，超聲波入射到鋼與其界面上時，反射率應(yīng)在91.67%到100%之間。

根據(jù)上述分析可知，用超聲探頭向制退機內(nèi)發(fā)射一定能量的超聲波，分析反射回波的能量，即可得知制退機內(nèi)部制退液的狀態(tài)。由于探頭尺寸遠小于制退筒直徑，超聲波從制退筒壁垂直入射時，相當于入射到一定厚度的鋼板內(nèi)，在筒壁內(nèi)將不斷反射，探頭將接收到多個回波，考慮到超聲波在傳播途中的能量損失，為減小誤差，特選取首列回波作為試驗記錄對象。在火炮射擊前固定好超聲探頭并調(diào)試接收儀器，標定回波能量，超聲探頭的安裝位置如圖2所示。

圖2 空化檢測試驗中所用的超聲探頭Fig.2 Ultrasonic probe in cavitation test

2.2 制退機壓力測試

制退機非工作腔壓力測試選用的是壓電式壓力傳感器，它具有靈敏度高、信噪比高和工作可靠的優(yōu)點。本文中選用的壓力傳感器靈敏度為12.49 pC/105Pa，壓力范圍0－30 MPa，非線性度＜1%FS;過載能力120%，將其安裝在制退筒上的注液孔處，如圖3所示?？紤]到該位置的傳感器在火炮后坐初期測量的是工作腔壓力，為保險起見，選用了量程為0－30 MPa的傳感器。

圖3 壓力傳感器及其安裝位置Fig 3 .Pressure sensor and its fixing position

2.3 火炮后坐與復(fù)進位移測試

為便于非工作腔空化超聲檢測與壓力測試結(jié)果的分析，本文還利用拉線式位移傳感器對火炮射擊時的后坐、復(fù)進位移以及后坐、復(fù)進速度進行了測試?；鹋谏鋼魲l件為氣溫21℃，裝藥量為正裝藥，為保持分析結(jié)果的一致性，除特別指出外，文中所有測試結(jié)果均為火炮在15°射角下測得。

2.4 空化試驗結(jié)果分析

將火炮發(fā)射前交界面處反射的首列回波能量值標定為0.8(無量綱)，火炮發(fā)射過程中儀器接收到界面處的回波能量值曲線如圖4所示。

圖4 界面處反射的回波能量值曲線Fig.4 Echo energy curve

由圖4可見，火炮后坐時的沖擊作用確實會使制退機內(nèi)部的制退液劇烈空化，泡沫化的制退液聲阻抗變小，使得制退機鋼筒與制退液交界面處的聲壓反射率明顯增大，隨著后坐距離從零增大到最大值，探頭接收的回波能量值由發(fā)射前的0.8增加到最大值0.868，相應(yīng)地，根據(jù)回波能量值與聲壓發(fā)射率的對應(yīng)比例關(guān)系，可知制退筒與制退液交界面處的聲壓反射率從發(fā)射前的91.6%增大到99.5%左右，而后又隨著復(fù)進過程逐漸降低到初始水平，這說明泡沫化制退液中的空化泡是在復(fù)進運動過程中逐漸潰滅的，并不是同時潰滅。

如果非工作腔內(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下部，真空段必定位于上部，為此筆者在不同火炮射角下進行了反復(fù)測試，并在同一射角下改變超聲探頭的安裝位置，使其對準制退機非工作腔的不同區(qū)域，多次測試得到的結(jié)果并未出現(xiàn)明顯差異，這說明制退液空化形成的空化泡被流經(jīng)節(jié)制環(huán)流液孔的高速液流沖散，幾近均勻地分布在制退機非工作腔內(nèi)，填補了由于制退桿抽出而形成的真空段。

2.5 制退機壓力測試結(jié)果分析

火炮發(fā)射過程中傳感器測得的制退機內(nèi)部壓力曲線如圖5所示。

圖5 制退機內(nèi)部壓力曲線Fig 5 .Pressure in recoil mechanism

分析圖5可知，制退機內(nèi)部實際壓力與傳統(tǒng)理論預(yù)測值之間存在較大差異，在火炮發(fā)射時，受沖擊作用影響，后坐部分速度在約0.01 s內(nèi)達到最大值，制退筒快速擠壓工作腔內(nèi)制退液，使工作腔壓力急劇升高，由于此時制退筒上的壓力傳感器位于制退機活塞后方，因此測量的仍是工作腔壓力，該脈沖壓力值約為2.1 MPa，僅持續(xù)約0.03 s后，傳感器隨著制退筒的移動越過制退機活塞，開始測量非工作腔壓力，該壓力值約6KPa并保持到后坐結(jié)束，即0.162 s處;在復(fù)進的前0.3 s內(nèi)，即復(fù)進位移達到0.35 m 之前，非工作腔壓力一直保持在6 kPa左右，在復(fù)進運動開始約0.3 s后，非工作腔壓力出現(xiàn)一小幅度快速升高，約在0.33 s時達到最大值0.21 MPa，然后隨著復(fù)進行程的增大逐漸降低，直至恢復(fù)為0。在火炮復(fù)進過程中，非工作腔壓力始終未超過0.21 MPa，這與傳統(tǒng)反后坐理論中的假設(shè)極不相符。

3 制退機實際性能分析

3.1 傳統(tǒng)理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比分析

傳統(tǒng)反后坐理論認為，火炮復(fù)進制動圖上有一個復(fù)進合力的突躍點，即制退機非工作腔真空消失點，在此點之前復(fù)進液壓阻力中不包含制退機非工作腔液壓阻力，只含有復(fù)進節(jié)制腔液壓阻力，復(fù)進液壓阻力一般比復(fù)進剩余力小，所以是復(fù)進加速時期;待真空段排除后，非工作腔內(nèi)制退液開始回流，突然增加了制退機非工作腔液壓阻力，復(fù)進液壓阻力大于復(fù)進剩余力，使復(fù)進變成了減速時期。由于沒有對制退液空化過程和高度空化的制退液泡沫特性進行研究，同時缺乏非工作腔內(nèi)的壓力測試數(shù)據(jù)，以上分析是一種理想化假設(shè)，并不能反映制退機的實際工作性能。

分析非工作腔內(nèi)制退液空化試驗和壓力測試的結(jié)果可知，由于制退液發(fā)生劇烈空化，火炮后坐結(jié)束時制退機非工作腔內(nèi)充滿了制退液泡沫，且制退液空化泡沫幾近均勻地分布在其中，并不存在所謂真空段;由于制退液泡沫是在復(fù)進過程中逐漸受壓潰滅，非工作腔在預(yù)期的真空消失點處并未出現(xiàn)壓力的突然升高，相應(yīng)也沒有提供復(fù)進液壓阻力，在復(fù)進開始約0.3 s后非工作腔出現(xiàn)壓力升高現(xiàn)象，但該點明顯滯后于復(fù)進制動圖上的真空消失點，且該壓力峰值僅有0.21 MPa，據(jù)此計算出的制退機非工作腔液壓阻力峰值僅為2.31×103N，遠遠小于該時刻由復(fù)進節(jié)制腔提供的液壓阻力，該液壓阻力峰值僅為復(fù)進節(jié)制腔液壓阻力平均值的8.91%，因此火炮復(fù)進速度從加速轉(zhuǎn)為減速并不是因真空排除后非工作腔突然提供的液壓阻力所致。

為揭示火炮復(fù)進由加速變?yōu)闇p速的原因，本文用Matlab編程計算對比了火炮復(fù)進機力與復(fù)進總阻力的變化情況，如圖6所示。在復(fù)進行程達到真空消失點時(文中所研究的火炮制退機“真空消失點”約在復(fù)進行程0.23m處，對應(yīng)復(fù)進時間約0.21s)，復(fù)進機力仍大于復(fù)進總阻力，因此復(fù)進仍然處于加速階段。由于此時制退液泡沫處于被壓縮階段，非工作腔壓力只有約6 kPa，制退機并不提供復(fù)進阻力，復(fù)進液壓阻力仍來自復(fù)進節(jié)制腔。在復(fù)進時間約0.28 s處，復(fù)進速度已接近最大值，復(fù)進節(jié)制腔液壓阻力達到最大值，復(fù)進總阻力開始大于復(fù)進機力，這才是復(fù)進變?yōu)闇p速運動的真正原因。

3.2 火炮復(fù)進液壓阻力對比分析

火炮復(fù)進過程中，要求后坐部分平穩(wěn)、無沖擊地復(fù)進到位，并切實保證利用復(fù)進能量的半自動機可靠工作[2]，制退機液壓阻力是火炮復(fù)進阻力的主要來源，其變化規(guī)律對保證火炮復(fù)進平穩(wěn)性和靜止性非常重要，有必要對根據(jù)傳統(tǒng)反后坐理論假設(shè)和考慮制退液空化這兩種情況下的復(fù)進液壓阻力進行比較分析，由于火炮實際復(fù)進液壓阻力在試驗條件下較難測得，本文以火炮實測復(fù)進速度為依據(jù)，結(jié)合制退機實際結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照液壓阻力公式用Matlab編程計算，兩種計算方法得出的復(fù)進液壓阻力見圖7。

圖6 火炮復(fù)進機力與復(fù)進總阻力變化曲線Fig.6 Recuperator force and resistance during counter-recoiling

圖7 火炮復(fù)進液壓阻力曲線Fig.7 Hydraulic resistance curves during counter-recoiling

圖8 火炮復(fù)進速度曲線Fig.8 Velocity curves during counter-recoiling

分析圖7可知，考慮制退液空化時計算得出的復(fù)進液壓阻力要明顯低于依據(jù)傳統(tǒng)反后坐理論的計算值。前者變化趨勢較為平緩，最大阻力為3.52×105N，出現(xiàn)在復(fù)進時間約0.35 s處;后者在復(fù)進時間約0.21 s時突然升高，變化較為劇烈，最大阻力達6.31×105N，依據(jù)傳統(tǒng)反后坐理論計算得出的液壓阻力峰值遠大于實測的液壓阻力峰值。對兩種情況下的液壓阻力分別求阻力功可得前者阻力功約為1.89×105J，后者阻力功約為1.98×105J，前者比后者小約4.5%。

3.3 火炮復(fù)進速度的對比分析

考慮沖擊作用下的制退液空化效應(yīng)時，火炮復(fù)進過程中受到的實際液壓阻力值比傳統(tǒng)理論計算值要小，因此火炮實際復(fù)進速度和復(fù)進到位速度比理論計算值要大，實測的火炮復(fù)進速度值與兩種方法計算值的對比如圖8所示。在15°射角時，根據(jù)傳統(tǒng)方法計算得出在復(fù)進約0.21 s時，火炮復(fù)進速度達到最大值，約為1.71 m/s，復(fù)進到位速度為 0.245 m/s;而試驗測得火炮在0.32 s時復(fù)進速度達到最大值，約為1.89 m/s，復(fù)進到位速度為0.42 m/s;根據(jù)本文方法計算得火炮在0.3 s時達到最大復(fù)進速度1.87 m/s，復(fù)進到位速度為0.4 m/s，采用本文方法計算得出的火炮復(fù)進速度最大值比傳統(tǒng)方法計算值大10.5%。對比可知，采用本文方法計算出的火炮復(fù)進速度與到位速度與試驗測量值更為接近。

考慮制退液空化效應(yīng)時，計算得出的火炮最大復(fù)進速度與復(fù)進到位速度會大于傳統(tǒng)理論計算值。在火炮小射角射擊時，由于后坐部分的重力分量變小使得復(fù)進摩擦阻力變小，火炮復(fù)進速度的增大表現(xiàn)得更為明顯，這在火炮反后坐裝置設(shè)計時應(yīng)予以充分考慮，防止因復(fù)進速度過大引起復(fù)進過猛故障，造成對炮架的沖擊，甚至發(fā)生機構(gòu)損壞。

4 結(jié)論

通過對制退液空化和制退液泡沫特性的理論分析，結(jié)合非工作腔內(nèi)的空化檢測與壓力測試，指出火炮后坐過程中制退液發(fā)生劇烈空化，后坐結(jié)束時制退機非工作腔內(nèi)并不存在真空段，而是充滿制退液泡沫。由于制退液空化泡是在復(fù)進過程中逐漸潰滅且潰滅過程中幾乎不提供液壓阻力，因此制退機在復(fù)進過程中提供的液壓阻力小于傳統(tǒng)反后坐理論計算值。傳統(tǒng)處理方法并未考慮非工作腔內(nèi)的制退液空化效應(yīng)及制退液泡沫特性，采用的復(fù)進液壓阻力計算方法在理論上是不嚴密的?？紤]制退液空化效應(yīng)時計算出的制退機復(fù)進液壓阻力功比傳統(tǒng)理論計算值小4.5%左右，計算出的火炮最大復(fù)進速度比傳統(tǒng)理論計算值大10.5%左右，這雖然可以保證火炮在復(fù)進阻力異常的情況下仍可完成開閂、抽筒等動作，并順利復(fù)進到位，但在火炮小射角射擊時卻可能導(dǎo)致復(fù)進過猛故障，對機構(gòu)造成損壞。本文結(jié)論可為制退機的合理設(shè)計與故障診斷提供有用的參考。

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