楊玉棟,張培林,傅建平,田 鋮,吳曉明

(1.軍械工程學(xué)院 一系,石家莊,050003;2.武漢軍械士官學(xué)校 四系,武漢,430075)

1 傳統(tǒng)理論對(duì)制退機(jī)壓力的預(yù)測(cè)

傳統(tǒng)反后坐理論基于非工作腔真空段假設(shè),認(rèn)為火炮復(fù)進(jìn)前期是真空段排除過(guò)程,非工作腔不提供復(fù)進(jìn)阻力,由復(fù)進(jìn)節(jié)制腔提供的復(fù)進(jìn)阻力小于復(fù)進(jìn)剩余力,因而是復(fù)進(jìn)加速時(shí)期;真空段排除后,制退液在制退桿活塞擠壓下流回工作腔,產(chǎn)生很大的液壓阻力,使得復(fù)進(jìn)液壓阻力大于復(fù)進(jìn)剩余力,復(fù)進(jìn)開(kāi)始減速[1]。目前,火炮制退機(jī)內(nèi)流場(chǎng)仿真也沿用這一假設(shè)[2],然而,實(shí)際測(cè)試結(jié)果與上述理論并不相符。

2 制退機(jī)壓力測(cè)試中的異?，F(xiàn)象

筆者利用安裝在制退機(jī)注液孔處和制退桿末端的壓力傳感器分別對(duì)火炮發(fā)射時(shí)的制退機(jī)非工作腔壓力和復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖1、圖2所示(該型試驗(yàn)火炮后坐時(shí)間約為0.15 s,復(fù)進(jìn)時(shí)間約為0.7 s),圖中,p2為非工作腔壓力,p3為復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力。

測(cè)試復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力時(shí),壓力傳感器采用文獻(xiàn)[3]中沿制退桿徑向安裝的方法,排除了液流壓力波疊加效應(yīng)可能帶來(lái)的影響。

圖1 制退機(jī)非工作腔壓力

圖2 制退機(jī)復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力

由圖1可見(jiàn),在后坐最初階段傳感器測(cè)量到一個(gè)約2.1 MPa的壓力峰值,持續(xù)約0.02 s。這是由于該型試驗(yàn)火炮的制退機(jī)注液孔與制退筒末端有一定距離,在后坐初期該位置位于工作腔中,傳感器測(cè)量到的是工作腔壓力,還未等壓力達(dá)到最大值,傳感器已越過(guò)制退機(jī)活塞,開(kāi)始測(cè)量非工作腔內(nèi)壓力。

分析可知,該壓力測(cè)試結(jié)果有三點(diǎn)異常:①通常認(rèn)為,火炮復(fù)進(jìn)至真空消失點(diǎn)時(shí),制退液回流會(huì)產(chǎn)生一較大的液壓阻力,導(dǎo)致非工作腔壓力迅速升高。然而實(shí)測(cè)非工作腔壓力并未出現(xiàn)急劇升高,這與傳統(tǒng)理論不符。②非工作腔壓力在0.45 s(對(duì)應(yīng)的復(fù)進(jìn)時(shí)間約0.3 s,復(fù)進(jìn)位移約0.48 m)處出現(xiàn)一短暫的小幅度升高,但是該時(shí)刻明顯滯后于制退機(jī)“真空消失點(diǎn)”(該型火炮后坐位移670 mm時(shí)“真空消失點(diǎn)”約在復(fù)進(jìn)行程0.19 m處,對(duì)應(yīng)復(fù)進(jìn)時(shí)間約為0.154 s),且該壓力峰值僅有約0.38 MPa,遠(yuǎn)小于該時(shí)刻非工作腔壓力計(jì)算值1.33 MPa,與傳統(tǒng)理論不符。③實(shí)測(cè)的復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力明顯高于傳統(tǒng)反后坐理論計(jì)算值。

使用不同傳感器進(jìn)行多次測(cè)試,結(jié)果表明,上述異?，F(xiàn)象并非由傳感器故障或數(shù)據(jù)采集誤差引起,如系測(cè)量誤差,不應(yīng)如此規(guī)律且具有重復(fù)性。要解釋這些異?，F(xiàn)象需要對(duì)火炮發(fā)射過(guò)程中的制退液實(shí)際動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。

3 非工作腔內(nèi)制退液空化研究

制退液空化泡的力學(xué)特性不同于制退液,有可能導(dǎo)致制退機(jī)壓力測(cè)試異常。以往關(guān)于制退液空化的研究大多集中在空化泡潰滅對(duì)節(jié)制環(huán)的微觀(guān)物理破壞機(jī)理和空蝕效應(yīng)上,對(duì)制退液空化泡的宏觀(guān)力學(xué)特性鮮有研究[4-5]。

制退液空化機(jī)理、空化過(guò)程和制退液空化泡潰滅過(guò)程分析,以及非工作腔超聲空化檢測(cè)原理與方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。試驗(yàn)結(jié)果表明,后坐結(jié)束時(shí),非工作腔內(nèi)的制退液已經(jīng)完全空化,制退液空化泡使制退筒與制退液交界面處的聲壓反射率升高,且從后坐開(kāi)始至復(fù)進(jìn)結(jié)束,該值經(jīng)歷了一個(gè)從低到高,再?gòu)母叩降偷耐暾兓^(guò)程,其變化趨勢(shì)與火炮后坐和復(fù)進(jìn)時(shí)間完全吻合。筆者在調(diào)整火炮射角并改變超聲探頭安裝位置后,將該試驗(yàn)重復(fù)多次,得到的結(jié)果并無(wú)明顯差異。

4 制退機(jī)壓力測(cè)試異常原因分析

4.1 非工作腔壓力測(cè)試異常原因分析

傳統(tǒng)反后坐理論認(rèn)為,火炮復(fù)進(jìn)至“真空消失點(diǎn)”時(shí)非工作腔會(huì)產(chǎn)生一較大的液壓阻力,根據(jù)制退機(jī)結(jié)構(gòu)與復(fù)進(jìn)速度估算該壓力峰值約為3.04 MPa;然而,實(shí)測(cè)非工作腔壓力在“真空消失點(diǎn)”并沒(méi)有升高。超聲探頭接收的回波能量值逐漸減小意味著制退液空化泡是在向工作腔回流時(shí)逐漸潰滅的,并不提供液壓阻力。

分析認(rèn)為,非工作腔壓力在火炮復(fù)進(jìn)約0.32 s(對(duì)應(yīng)復(fù)進(jìn)位移約0.48 m)時(shí)出現(xiàn)的小幅度升高現(xiàn)象并不是由制退機(jī)活塞擠壓制退液回流造成的。這一小幅度壓力升高或與復(fù)進(jìn)節(jié)制腔回流的制退液流逆行射入非工作腔中有關(guān),因?yàn)榇藭r(shí)火炮復(fù)進(jìn)速度約為1.23 m/s,且制退機(jī)節(jié)制環(huán)流液孔與安裝在制退機(jī)注液孔處的壓力傳感器很接近。據(jù)估算此時(shí)復(fù)進(jìn)節(jié)制腔回流的制退液流速可達(dá)41.9 m/s,當(dāng)其通過(guò)節(jié)制環(huán)流液孔射入非工作腔后會(huì)對(duì)傳感器表面造成沖擊,產(chǎn)生的動(dòng)壓力被記錄為非工作腔壓力。隨著復(fù)進(jìn)速度的減小,逆行制退液速度隨之下降,該動(dòng)壓力值也很快下降。待制退機(jī)活塞越過(guò)注液孔之后,此時(shí)傳感器重新開(kāi)始記錄工作腔壓力,該值基本為零。也就是說(shuō),火炮發(fā)射過(guò)程中制退機(jī)非工作腔內(nèi)始終都維持在低壓狀態(tài),這與文獻(xiàn)[1]中的“在整個(gè)復(fù)進(jìn)過(guò)程中,制退機(jī)中的真空并沒(méi)有消失,只有當(dāng)火炮后坐部分復(fù)進(jìn)到位時(shí),制退機(jī)中由于制退桿全部插入制退筒內(nèi)而使真空最后消失”的描述相吻合,但是文獻(xiàn)中關(guān)于“真空段”和“真空消失點(diǎn)”的描述不太準(zhǔn)確。該文獻(xiàn)還指出,“復(fù)進(jìn)時(shí),制退機(jī)活塞的移動(dòng)使非工作腔的體積減小,非工作腔的真空逐漸消失,而工作腔的體積逐漸增大,真空由非工作腔逐漸轉(zhuǎn)移到工作腔”。由于筆者并未測(cè)量復(fù)進(jìn)時(shí)工作腔的壓力,無(wú)法斷言這一真空轉(zhuǎn)移過(guò)程是否存在,但是“非工作腔真空逐漸消失”就意味著非工作腔內(nèi)一直保持低壓,這與文獻(xiàn)中“制退機(jī)真空消失點(diǎn)處突然增加了一項(xiàng)制退機(jī)復(fù)進(jìn)液壓阻力”的描述相左,綜合分析可知,本文提出的制退液空化泡潰滅方式更加符合實(shí)際情況。

4.2 復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力測(cè)試異常原因分析

火炮復(fù)進(jìn)時(shí),復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力實(shí)測(cè)值明顯高于傳統(tǒng)理論計(jì)算值。從制退液空化的角度分析,這一現(xiàn)象不難解釋:傳統(tǒng)反后坐理論中假設(shè)了非工作腔內(nèi)“真空段”的存在,并推斷非工作腔在排除真空后會(huì)提供一較大的復(fù)進(jìn)液壓阻力,該阻力是根據(jù)此時(shí)的復(fù)進(jìn)速度與制退機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算得出;而由4.1節(jié)中的分析可知,復(fù)進(jìn)時(shí)非工作腔并不提供液壓阻力,復(fù)進(jìn)阻力計(jì)算中本應(yīng)由非工作腔提供的那一部分液壓阻力,只能由增加的復(fù)進(jìn)節(jié)制腔液壓阻力來(lái)補(bǔ)償,因此實(shí)測(cè)復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力高于傳統(tǒng)理論預(yù)測(cè)值。

5 制退液空化對(duì)火炮制退機(jī)性能的影響分析

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

用傳統(tǒng)方法計(jì)算帶溝槽節(jié)制桿式制退機(jī)非工作腔和復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力時(shí),主流液壓阻力系數(shù)一般取1.3到1.5之間,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。然而,實(shí)測(cè)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(shí)的理論計(jì)算值,復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力則高于支流液壓阻力系數(shù)取最大值6時(shí)的理論計(jì)算值。為提高火炮復(fù)進(jìn)計(jì)算精度,筆者對(duì)復(fù)進(jìn)液壓阻力系數(shù)實(shí)際取值進(jìn)行了分析。

根據(jù)4.1節(jié)的分析可知,傳感器接收到的壓力信號(hào)是制退液流產(chǎn)生的動(dòng)壓,實(shí)際上非工作腔內(nèi)壓力非常低,受傳感器測(cè)量精度所限,未能測(cè)量出該壓力的精確值,但結(jié)合制退液空化機(jī)理可推斷該值應(yīng)為制退液的飽和蒸汽壓5.69 kPa。由于制退機(jī)非工作腔的壓力預(yù)測(cè)值約為3 MPa;遠(yuǎn)大于5.69 kPa,因此,在復(fù)進(jìn)計(jì)算時(shí),制退機(jī)主流復(fù)進(jìn)液壓阻力系數(shù)建議取0。本文中的制退機(jī)支流液壓阻力系數(shù)K2可根據(jù)實(shí)測(cè)的火炮復(fù)進(jìn)速度值和復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力值進(jìn)行折算,采用最小二乘法擬合后所得的阻力系數(shù)為6.622 8,大于文獻(xiàn)[1]中給出的最大取值6,約為主流后坐液壓阻力系數(shù)的4.4倍。

5.2 考慮制退液空化的火炮復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算

由于火炮復(fù)進(jìn)過(guò)程中并沒(méi)有排除真空段后突然增加的非工作腔液壓阻力,為了找出火炮復(fù)進(jìn)由加速變?yōu)闇p速的原因,筆者用Matlab編程計(jì)算了火炮復(fù)進(jìn)合力F,并將傳統(tǒng)方法計(jì)算值和本文方法計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比,如圖3所示,圖中,tf為復(fù)進(jìn)時(shí)間。

圖3 火炮復(fù)進(jìn)合力曲線(xiàn)

分析圖3可知,傳統(tǒng)方法得出的復(fù)進(jìn)合力在約0.154 s處突然降低,火炮復(fù)進(jìn)由加速變?yōu)闇p速;根據(jù)本文方法計(jì)算出火炮復(fù)進(jìn)合力在復(fù)進(jìn)約0.189 s時(shí)減小到0,隨后復(fù)進(jìn)才變?yōu)闇p速運(yùn)動(dòng)。因此火炮復(fù)進(jìn)由加速變?yōu)闇p速是由于復(fù)進(jìn)速度的增加與復(fù)進(jìn)溝槽流液孔面積的縮小使得復(fù)進(jìn)液壓阻力超過(guò)復(fù)進(jìn)剩余力導(dǎo)致的。

圖4為2種不同方法得出的火炮復(fù)進(jìn)速度vf與實(shí)測(cè)速度的對(duì)比。

如圖4所示,根據(jù)傳統(tǒng)方法計(jì)算得出火炮在復(fù)進(jìn)約0.154 s時(shí)達(dá)到最大復(fù)進(jìn)速度1.88 m/s,復(fù)進(jìn)到位速度約為0.166 m/s;根據(jù)本文方法計(jì)算得出火炮在復(fù)進(jìn)約0.189 s處達(dá)到最大復(fù)進(jìn)速度1.87 m/s,復(fù)進(jìn)到位速度約為0.149 m/s;實(shí)測(cè)的火炮復(fù)進(jìn)速度在復(fù)進(jìn)約0.184 s處達(dá)到最大值1.87 m/s,復(fù)進(jìn)到位速度約為0.131 m/s。對(duì)比可知,根據(jù)本文方法計(jì)算出的復(fù)進(jìn)速度值與實(shí)測(cè)值更為接近。

圖4 火炮復(fù)進(jìn)速度曲線(xiàn)

6 結(jié)論

①火炮復(fù)進(jìn)時(shí)制退機(jī)非工作腔不提供液壓阻力。

②火炮復(fù)進(jìn)由加速變?yōu)闇p速并不是由于“真空消失點(diǎn)”處突然增加的非工作腔液壓阻力,而是由復(fù)進(jìn)速度的增加與復(fù)進(jìn)溝槽流液孔面積的縮小使得復(fù)進(jìn)液壓阻力超過(guò)復(fù)進(jìn)剩余力導(dǎo)致的。

③對(duì)于本文所研究的制退機(jī),其主流復(fù)進(jìn)液壓阻力系數(shù)取0,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)的約4.4倍時(shí),計(jì)算出的火炮復(fù)進(jìn)速度與實(shí)測(cè)速度具有更好的一致性。該系數(shù)的取值方法可以推廣到其它采用節(jié)制桿式制退機(jī)的火炮復(fù)進(jìn)計(jì)算中。

本文采用的空化超聲檢測(cè)方法可為密閉液壓阻尼機(jī)械中的空化研究提供一種新的思路。

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