曹 亭 ,張相炎

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094; 2.73906部隊(duì),江蘇 南京 210028)

隨著武器裝備的系統(tǒng)化、復(fù)雜化,綜合保障能力的高低成為制約其戰(zhàn)斗力的重要因素。長(zhǎng)期以來(lái),軍隊(duì)對(duì)系統(tǒng)的綜合保障能力大多停留在發(fā)生故障后的維修層面上[1],對(duì)故障發(fā)生機(jī)理沒(méi)有太多的研究,對(duì)故障的處理方法也過(guò)于簡(jiǎn)單。因此,對(duì)火炮進(jìn)行故障分析以及故障處理方案的研究,可以及時(shí)獲得火炮的重要信息,進(jìn)而采取有針對(duì)性的預(yù)防措施,更安全更好地保證任務(wù)的完成。

制退機(jī)用于消耗后坐能量,控制后坐運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其作用在火炮發(fā)射過(guò)程中十分巨大。制退機(jī)發(fā)生故障,對(duì)火炮將產(chǎn)生很大的影響,常導(dǎo)致后坐過(guò)長(zhǎng)、后坐過(guò)短、后坐阻力過(guò)大和后坐速度過(guò)快等現(xiàn)象,導(dǎo)致火炮作戰(zhàn)效能不能正常地發(fā)揮,甚至導(dǎo)致重大安全事故。常見(jiàn)故障有液量調(diào)節(jié)器漏液、液量調(diào)節(jié)器內(nèi)液體回不到制退機(jī)內(nèi)、制退機(jī)注液不足、制退機(jī)漏液和制退機(jī)磨損等。

制退機(jī)磨損故障主要有節(jié)制環(huán)磨損、節(jié)制桿磨損、制退機(jī)活塞套與制退筒磨損、節(jié)制桿調(diào)整筒磨損等。其中,節(jié)制桿活塞套磨損導(dǎo)致節(jié)制桿活塞與制退筒之間產(chǎn)生間隙,導(dǎo)致液壓阻力減小;節(jié)制桿磨損使節(jié)制桿在漏口處截面積變小,使漏口處環(huán)形面積增大,導(dǎo)致漏口液壓阻力減小;節(jié)制環(huán)磨損則直接導(dǎo)致漏口處環(huán)形面積增大。節(jié)制桿磨損和節(jié)制桿活塞套磨損可等效于節(jié)制環(huán)環(huán)形漏口面積增大。因此分析節(jié)制環(huán)磨損故障具有一定代表性。

1 節(jié)制環(huán)磨損故障

節(jié)制環(huán)磨損主要分為氣蝕磨損和沖蝕磨損[3]。氣蝕磨損,主要是當(dāng)制退液從節(jié)制環(huán)與節(jié)制桿間的環(huán)形流液孔高速流向非工作腔時(shí),液道突然減小導(dǎo)致環(huán)形流液孔處流速大大增加。由 Bernoulli方程可知液體壓強(qiáng)急劇降低。當(dāng)壓強(qiáng)降至制退液的飽和蒸汽壓強(qiáng)時(shí),局部液體會(huì)沸騰生成充滿蒸汽的游移型空泡。另外,空化數(shù)很快達(dá)到臨界空化數(shù)并繼續(xù)減小,所以在節(jié)制環(huán)表面形成可見(jiàn)的固定型空穴。復(fù)進(jìn)時(shí)非工作腔壓強(qiáng)增大,游移型空泡和固定型空穴逐漸縮小凝結(jié)。當(dāng)空泡潰滅時(shí),液體質(zhì)點(diǎn)形成的微射流沖擊節(jié)制環(huán)金屬表面。較強(qiáng)沖擊力引起機(jī)械損壞,較弱沖擊力引起疲勞損壞。沖蝕則主要因?yàn)殚L(zhǎng)期使用增加了節(jié)制環(huán)塑性,使得有碎屑脫落混在制退液里形成液固兩相流,反復(fù)沖擊和擠壓加劇了節(jié)制環(huán)表面的脫落[5]。另外還有化學(xué)腐蝕和熱作用等原因。

節(jié)制環(huán)磨損使節(jié)制環(huán)孔徑增大,環(huán)形漏口液壓阻力減小。這將導(dǎo)致制退機(jī)液壓阻力減小,從而影響了后坐阻力和后坐速度,最終導(dǎo)致后坐加長(zhǎng)。液壓阻力為

其中,FΦh為制退機(jī)液壓阻力,ax為環(huán)形漏口面積(為未磨損時(shí)環(huán)形漏口面積 ax0與磨損掉的面積 Δax之和),V為后坐速度。

2 故障影響分析

以某型火炮的短節(jié)制桿式制退復(fù)進(jìn)機(jī)為例建立數(shù)學(xué)模型,并以諸故障中較典型的節(jié)制環(huán)磨損故障為例,對(duì)其對(duì)后坐的影響進(jìn)行仿真。

2.1 建模

根據(jù)火炮后坐運(yùn)動(dòng)微分方程[6-7]

建立數(shù)學(xué)模型。其中,m為彈重,mh為后坐部分質(zhì)量,X為后坐位移,t為后坐時(shí)間,Fpt為炮膛合力,FR為后坐阻力。

FR的求解可根據(jù)以下公式:

式(3)-式(6)中,Ff為復(fù)進(jìn)機(jī)力,F為密封裝置摩擦力, P為短節(jié)制桿減速比,Af為游動(dòng)活塞工作面積,A1為支流最小流液面積,Afj為小活塞桿內(nèi)腔截面積,Ap為節(jié)制環(huán)孔面積,A0為大活塞桿活塞工作面積,Ax為節(jié)制桿橫截面積,ρ為制退液密度,K、K1分別為主、支流液壓阻力系數(shù), n為氣體多變指數(shù),νf為游動(dòng)活塞摩擦系數(shù),pf0為復(fù)進(jìn)機(jī)儲(chǔ)氣腔氣體初壓,V0為復(fù)進(jìn)機(jī)儲(chǔ)氣腔氣體初始體積。

Fpt的求解可根據(jù)以下公式:

其中,γ為修正系數(shù),χ為炮口制退器沖量特征量,φ為次要功系數(shù),φ1為僅考慮彈丸旋轉(zhuǎn)和摩擦的次要功系數(shù),ω為全裝藥重,S為炮膛橫斷面積,ppt為炮膛壓力,tg、tk分別為后效期開始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻,pptg、Fptg分別為后效期開始時(shí)刻膛壓和炮膛合力。

由于慣性后坐末期速度為零,為便于求解,將慣性后坐時(shí)期的式(2)變形為

2.2 計(jì)算與模型驗(yàn)證

將某火炮及其制退復(fù)進(jìn)機(jī)基本參數(shù)代入式(2)-式(8)。取射角為零,對(duì)微分方程(2)采用 MATLAB中的四級(jí)五階Runge-Kutta法的ode45函數(shù)求解。得到零射角下的后坐阻力隨后坐位移變化曲線(如圖1)和后坐速度隨后坐位移變化曲線(如圖 2中的實(shí)線)。

圖1 后坐阻力隨后坐位移變化曲線

圖2 后坐速度隨位移變化理論曲線與實(shí)際曲線

由以上曲線可得到火炮后坐的特征量:后坐行程976.2mm,最大后坐速度14.87m/s,最大后坐阻力125.86KN。該火炮實(shí)際參數(shù)中,后坐范圍是920～1050mm,最大后坐阻力不超過(guò) 140KN,最大速度不超過(guò)15.51m/s。后坐特征量符合火炮參數(shù)要求。速度位移曲線也基本與實(shí)際曲線(如圖2中虛線)位置和走向一致。仿真模型可行。

2.3 后坐特征量變化預(yù)測(cè)

取不同射角,得到后坐行程、最大后坐阻力和最大后坐速度隨射角變化的關(guān)系曲線(如圖3～圖5)。

圖3 后坐行程隨射角變化曲線

圖4 最大后坐阻力隨射角變化曲線

圖5 最大后坐速度隨射角變化曲線

曲線表明,隨著射角增大,最大后坐阻力減小,最大后坐速度增大,最終后坐行程加長(zhǎng)。當(dāng)射角取最大 65°時(shí)后坐行程和最大后坐速度取得最大值,為1002.2mm和14.95m/s;最大后坐阻力在射角為零時(shí)取得最大,為 125.86KN。三個(gè)特征量在各射角下都能符合火炮參數(shù)要求。

2.4 故障仿真

為簡(jiǎn)化計(jì)算,取零射角,假定其他條件不變,節(jié)制環(huán)磨損后,仿真后得到后坐阻力和后坐液壓阻力對(duì)比如圖 6和圖 7所示(圖 7中可明顯看出后坐加長(zhǎng))。

圖6 節(jié)制環(huán)磨損前后后坐阻力對(duì)比

圖7 節(jié)制環(huán)磨損前后液壓阻力對(duì)比

取磨損量為 0～60mm2,得到后坐行程、最大后坐阻力、最大后坐速度隨磨損量變化曲線(如圖 8～圖10)。

圖8 后坐行程隨磨損量變化曲線

圖9 最大后坐阻力隨磨損量變化曲線

圖10 最大后坐速度隨磨損量變化曲線

仿真表明,隨著節(jié)制環(huán)磨損量的增大,最大后坐速度不斷增大,而最大后坐阻力先變小后變大。其原因可由圖6看出:隨著磨損量增大,后坐前段液壓阻力逐漸降低,后坐后段液壓阻力逐漸抬高,于是形成最大液壓阻力先減小后增大的趨勢(shì),而磨損量在一定程度時(shí)(圖9中磨損約35mm2時(shí))后坐前后段液壓阻力變化相對(duì)較小,曲線較平,這時(shí)最大液壓阻力取得最小值。最終后坐行程加長(zhǎng)。其他故障情況可類似仿真分析,不再贅述。

3 降級(jí)使用及應(yīng)急處理方案

圖8表明零度射角下,假定其他條件不變時(shí),不同磨損量與后坐行程之間的關(guān)系。以此為例,則節(jié)制環(huán)磨損到一定程度,后坐距離達(dá)到極限后坐長(zhǎng)(取1100mm)。為預(yù)留一個(gè)安全系數(shù),在達(dá)到極限后坐長(zhǎng)之前取一條“報(bào)警線”(比如取 1050mm)。該方案的故障處理示意圖如圖11所示。

圖11 故障處理方案示意圖

當(dāng)節(jié)制環(huán)磨損到一定程度時(shí),最大后坐距離加大到達(dá)“報(bào)警線”,火炮開始保警,提醒人員注意。此時(shí)一般可考慮停止射擊并檢修;如戰(zhàn)場(chǎng)條件不允許,可以降級(jí)使用,比如采取降低裝藥量、調(diào)低射角、降低射速等措施。

假定其他條件不變,由圖 11可知,后坐行程與節(jié)制環(huán)磨損量的關(guān)系曲線隨射角的增大而上移。在30°射角下,假定此時(shí)后坐行程已越過(guò)“報(bào)警線”,應(yīng)當(dāng)降級(jí)使用火炮。采用降低射角的方法(比如將射角打到15°),就可達(dá)到降級(jí)繼續(xù)使用的目的。

為進(jìn)一步分析,嘗試作出在給定節(jié)制環(huán)磨損量下的后坐行程與射角關(guān)系曲線(如圖12)。

圖12 不同磨損量下后坐行程與射角關(guān)系圖

由圖8可看出,其他條件不變時(shí),隨著節(jié)制環(huán)磨損量的增加,后坐行程與射角關(guān)系曲線將上移。理想條件下,節(jié)制環(huán)磨損量在 20.77 mm2以下時(shí),則無(wú)論射角如何變化,后坐行程都不會(huì)超過(guò)“報(bào)警線”,因此火炮在整個(gè)射角范圍內(nèi)都可以正常使用;當(dāng)磨損量在20.77 mm2和30.5 mm2之間時(shí),可采用降低射角的降級(jí)使用方法,保證后坐行程不超過(guò)“報(bào)警線”(以上假定的 27mm2磨損量可以通過(guò)將射角限制在16.5°以下降級(jí)使用);如磨損量超過(guò)30.5 mm2時(shí),則降低射角的降級(jí)方法已經(jīng)不能使后坐行程低于“報(bào)警線”,必須采取其他降級(jí)方法方可實(shí)現(xiàn)降級(jí)使用。其他降級(jí)使用方法還有限制裝藥量以降低炮膛合力、限制射速以保證溫度不過(guò)高從而保證制退液粘度和后坐阻力等,另外還能給制退復(fù)進(jìn)機(jī)增加氣壓以彌補(bǔ)制退機(jī)阻力的損失。

以上方法定量分析了節(jié)制環(huán)磨損情況下減小多大射角以降級(jí)使用火炮的方法。實(shí)際使用中,故障影響因素復(fù)雜,不會(huì)只有節(jié)制環(huán)磨損故障,因此后坐行程與射角關(guān)系曲線還要偏向上移動(dòng),但是因?yàn)椤皥?bào)警線”到“停止線”有一段余量,所以還是有機(jī)會(huì)采取降級(jí)措施的。這也正是制定“報(bào)警線”,而不是傳統(tǒng)的只根據(jù)“停止線”來(lái)處理故障的原因。

當(dāng)后坐行程達(dá)到極限后坐長(zhǎng)即到達(dá)“停止線”時(shí),火炮應(yīng)立即采取應(yīng)急處理措施并停止射擊,以保障人員和裝備安全。應(yīng)急處理措施分為機(jī)械方面和電氣方面。機(jī)械方面的應(yīng)急處理,可通過(guò)停止發(fā)射和供彈的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn);電氣方面的應(yīng)急處理,主要是通過(guò)檢測(cè)故障狀態(tài),當(dāng)后坐行程達(dá)到“停止線”時(shí)發(fā)出指令,使機(jī)械應(yīng)急處理機(jī)構(gòu)開始工作。兩者配合從而達(dá)到應(yīng)急處理的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)制退機(jī)節(jié)制環(huán)磨損故障進(jìn)行了總體把握和分析,利用了強(qiáng)大的數(shù)值分析工具M(jìn)ATLAB來(lái)編程仿真其磨損對(duì)火炮后坐的影響,得到的結(jié)果符合實(shí)際。另外還提出了發(fā)生故障后的處理方案。本文是一次理論性與嘗試性的實(shí)驗(yàn)和方案思考,具有一定參考意義。

[1] 李三群,郭英軍,陶辰立.漏液對(duì)火炮性能的影響仿真及靈敏度分析[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2005(2)：25-29.

[2] 趙建新,劉海平.火炮反后坐裝置故障機(jī)理研究[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào),2004,16(4)： 35-40.

[3] 杜中華,狄長(zhǎng)春.某火炮復(fù)雜反后坐裝置工作特性仿真分析[J].機(jī)械工程師,2011(2)： 96-99.

[4] 賈長(zhǎng)治,王興貴. 基于 ADAMS的裝備故障仿真及評(píng)估研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2001,13(6)： 781-784.

[5] 黃繼湯.空化與空蝕的理論及應(yīng)用[M].北京： 清華大學(xué)出版社,1991：1-2,16,113-114

[6] 張相炎,鄭建國(guó),楊軍榮.火炮設(shè)計(jì)理論[M].北京：北京理工大學(xué)出版社, 2005：117-118.

[7] 高樹茲,陳運(yùn)生,張?jiān)铝?等.火炮反后坐裝置設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 1984：206-211.