戴勁松，劉 振，王茂森，蘇曉鵬

(1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094;2.長安工業(yè)有限責任公司，重慶 400023)

緩沖裝置是高射速及超高射速自動炮的主要裝置之一，對于新一代小口徑高射速自動炮來講，減小后坐力和保持其力值穩(wěn)定對武器的射擊穩(wěn)定性至關重要。尤其對大范圍變射速高射速自動炮，如何對其后坐及復進特性進行有效緩沖控制是目前小口徑高射速自動炮領域研究的重要內(nèi)容[1]。目前適應于高射速和超高射速自動炮后坐力緩沖及控制的有效途徑之一是基于最佳后坐力控制(FORC)原理的緩沖裝置，該緩沖裝置采用浮動原理通過閥孔系統(tǒng)來實時控制自動炮的后坐與復進，實現(xiàn)浮動射擊，對提高射擊精度有重要作用[2]。其工作時主要以流體為工作介質(zhì)，內(nèi)部流場非常復雜，同時由于其工作介質(zhì)的特性受溫度影響，所以溫度對該緩沖裝置的浮動穩(wěn)定性也有一定的影響，而在以往的研究過程中對溫度的考慮并不多，因此為深入研究該緩沖裝置的工作特性，有必要探討溫度對其工作的具體影響，并對緩沖裝置在工作時候內(nèi)部的流場情況進行進一步的研究。

1 最佳后坐力控制理論

某樣機的FORC緩沖裝置如圖1所示，當擊發(fā)后，火炮后坐部分帶動液壓筒主活塞一起后坐。在液壓筒活塞的作用下，液壓腔Ⅰ中的液體受到擠壓而壓力升高，差控閥打開，液體大部分經(jīng)過差控閥孔和復進節(jié)流閥的中心流液孔進入液壓筒Ⅱ。流入液壓腔Ⅱ的液體帶動氣液活塞運動，壓縮氣壓腔中的氣體，氣壓腔存儲能量。由于氣壓腔的氣壓是在后坐開始時低后坐結束時高，而液流所形成的液壓阻力以及氣液活塞的慣性力卻是后坐開始時高后坐結束時低，因此通過設計合理的差控閥可以使得這兩部分的力正好互相補償，即差動補償原理[3]，從而控制后坐過程中的后坐力近似為恒值，實現(xiàn)FORC所要求的特性。

2 FORC緩沖裝置內(nèi)部流場特性分析

FORC緩沖裝置在工作時內(nèi)部流場非常復雜，其主要表現(xiàn)在如下幾個方面[4]：

1)非定常流動。緩沖裝置內(nèi)部的緩沖液在十幾毫秒內(nèi)從靜止狀態(tài)加速到每秒百米計的最大速度，先加速，然后再反向流動，流動的變化非常劇烈，為非定長流動。

2)三維流動。緩沖裝置的結構決定了其內(nèi)部液體的流動為三維流動，流體流動的通道不僅有截面的變化，還有轉(zhuǎn)折、分叉和匯合。

3)運動邊界。在工作時其零件之間有相對運動，使得流場的邊界是運動的，流場的區(qū)域是變化的。

4)高雷諾數(shù)湍流。在差控閥及復進節(jié)流閥處液流的雷諾數(shù)最高可達上百萬，形成高雷諾數(shù)湍流。

因此通過對其特點的分析，可以從不同角度考慮，對緩沖裝置內(nèi)部流場進行仿真。

3 溫度場模型

在緩沖裝置工作時，主活塞的部分后坐動能先轉(zhuǎn)為液體動能和氣體勢能，液體的動能中有一部分由于黏性阻尼力的作用將轉(zhuǎn)換為熱能。其產(chǎn)生的熱能一部分由散熱而損失，大部分熱能將使緩沖液和金屬溫度升高[5]。在計算溫度的變化時由于時間比較短，因此近似認為后坐與復進的液壓阻尼力所作的功全部變?yōu)橐后w與金屬的熱能，使其溫度升高，而把后坐與復進時的摩擦阻力所做的功變?yōu)闊崮芡ㄟ^熱的傳播散失則單發(fā)射擊時產(chǎn)生的熱量如下式所示:

(1)

式中:Cd1為差控閥流量系數(shù);ρ為緩沖液密度;Vs為主活塞速度;AT1為主活塞面積;E為液壓阻尼力;Ash、Asf分別為差控閥后坐與復進時的等效流通面積;A1、A0分別為液流收縮前后的液流截面積;Feh、Fef分別為后坐與復進時的液壓阻尼力。

當連續(xù)射擊n發(fā)時產(chǎn)生的熱量Q及溫度升高值Δt如下式所示：

(2)

式中:η為散熱系數(shù)；c1、c2分別為緩沖器及緩沖液體的比熱容;m1、m2為緩沖器質(zhì)量和緩沖液的質(zhì)量。

4 流場數(shù)值模擬及分析

根據(jù)建立的計算模型在常溫條件下取射速為4 500發(fā)/分對緩沖裝置進行數(shù)值仿真，內(nèi)部流場仿真結果如圖2 所示，從圖中可以看出t=1 ms時，緩沖裝置加速后坐，小孔附近壓力差比較大，緩沖液向后流動，氣壓腔壓縮，腔室內(nèi)壓力快速升高，此時差控閥左側近似為層流流動，右側開始逐漸發(fā)展為渦流場。當t=3 ms時，差控閥右側完全發(fā)展為渦流流動，小孔附近壓力差值達到最大，腔內(nèi)壓力繼續(xù)上升，主活塞坐速度達到最大。t=16 ms時一次后坐復進已經(jīng)完成，差控閥兩側都已經(jīng)充分發(fā)展成渦流場，此時差控閥兩側壓力差也比較大。

同時通過圖中看出，流體在通過小孔時產(chǎn)生的渦流場具有很強的壓力衰減性，這就是差控閥在緩沖裝置中壓力調(diào)節(jié)作用實現(xiàn)的原理，也是FORC緩沖裝置緩沖性能實現(xiàn)的主要原理。

通過仿真實時求取后坐力隨時間變化的情況，并與試驗結果對比如圖3所示，從圖中可以看出射擊完成后緩沖裝置后坐力迅速上升，在0.1 s后其后坐力在30 kN附近浮動，其仿真結果與實驗情況能較好的吻合。

5 溫度對緩沖裝置的影響

溫度對緩沖特性的影響主要從兩個方面考慮，環(huán)境溫度與射擊過程中液壓阻尼力引起的溫升。在常溫條件下通過溫度場模型求解35連發(fā)射擊過程中其溫度隨時間的變化關系如圖4所示，通過圖中可以看出隨著射擊的進行緩沖裝置內(nèi)的溫度逐漸上升，其內(nèi)部溫度由20°上升到32°左右，溫度升高比較明顯。

因此綜合考慮環(huán)境溫度和緩沖裝置內(nèi)部溫升情況在高溫(60°)及低溫(-40°)條件下對某高射速自動機緩沖裝置進行仿真，緩沖液體選用斯切奧爾-M，得出自動機后坐與復進過程中位移隨時間的變化關系并與試驗情況進行對比，射速為4 200發(fā)/分時其仿真結果與試驗情況如圖5所示。

從圖中可以看出其最大后坐位移控制在12 mm以內(nèi)，并且在開始時刻后坐位移波動范圍比較大。通過高溫與低溫后坐曲線對比分析可以看出，射擊穩(wěn)定后在高溫條件下其最大后坐位移可以在5 mm左右浮動，而在低溫條件下隨著射擊的進行后坐位移逐漸加大，這是因為緩沖裝置液壓阻尼系數(shù)在低溫環(huán)境下比較敏感，受溫度影響比較大，因此隨著液壓阻尼系數(shù)的降低緩沖裝置的后坐位移逐漸加大。

高溫條件下當溫度升高到70℃以后基本上液壓阻尼系數(shù)降低到一個較小的穩(wěn)定值附近，而后阻尼系數(shù)變化很小，因此緩沖裝置的后坐運動也比較穩(wěn)定，從而能夠?qū)崿F(xiàn)一個穩(wěn)定的浮動。由于仿真過程中將緩沖液流動考慮為不可壓縮流動，并且認為氣壓腔和液壓腔已經(jīng)完全密封隔離，但實際試驗中緩沖液在流動過程中由于溫度的升高有膨脹現(xiàn)象，并且在惡劣工作環(huán)境下氣壓腔還有可能出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，因此仿真曲線與實驗測試結果有一定差異。

6 結 論

本文通過對基于最佳后坐力控制的精確緩沖裝置進行動態(tài)仿真及在不同溫度環(huán)境下的仿真與試驗情況對比得出以下結論：

1)通過仿真分析及試驗情況說明通過基于計算流體力學的方法對緩沖裝置內(nèi)部流場進行仿真分析能較好的反應其工作時特性，其仿真情況可以對結構參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

2)環(huán)境初始溫度和射擊過程中引起的溫升對緩沖裝置的工作有一定影響。通過仿真和實驗說明在低溫環(huán)境下的浮動位移是高溫環(huán)境下的1.4倍，并通過仿真分析一次35連發(fā)的射擊可以引起的溫升約12 ℃。因此在以后的長連發(fā)射擊試驗時必須針對其溫度升高情況考慮應對方案，例如增加緩沖裝置的熱容量，使用對溫度敏感度較低的緩沖液或采取冷卻措施等。

[1] 黃君政,戴勁松.三種緩沖裝置減小后坐力的分析和比較[J].彈道學報,2006,18(2),40-43.

HUANG Jun-zheng,DAI Jin-song.Comparison of decreasing recoil force using three buffers[J]. Journal of Ballistics, 2006,18(2),40-43.(in Chinese)

[2] 戴勁松，王文中.內(nèi)源式FORC差動補償原理[J],火炮發(fā)射與控制學報，1998(2)：1-4.

DAI Jin-song,WANG Wen-zhong.The differential compensation principle of FORC[J].Journal of Gun Launch & Control,1998(2)：1-4.(in Chinese)

[3] 馬福球,陳運生.火炮與自動武器[M].北京:北京理工大學出版社,2003.

MA Fu-qiu, CHEN Yun-sheng.Artillery and automatic weapons[M].Beijing: Beijing University of Technology Press,2003.(in Chinese)

[4] 申正賓.自動武器架座設計[M].北京:國防工業(yè)出版社,1988.

SHEN Zheng-bin.Design of automatic weapons mountings[M]. Beijing: National Defense Industry Press,1988.(in Chinese)

[5] 高樹滋，陳運生.火炮反后坐裝置設計[M].北京:兵器工業(yè)出版社.1994.

GAO Shu-zi,CHEN Yun-sheng.Design of recoil system for guns[M].Beijing: Teh Pubishing Hoase of Ordnance Industry,1994. (in Chinese)