， ，

(1．湖北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院， 湖北 武漢 430068； 2．海軍駐武漢某軍代表局， 湖北 武漢 430063； 3．海軍駐北京某軍代表室， 北京 100032)

引言

某氣動(dòng)不平衡式發(fā)射裝置，是發(fā)射水下對(duì)抗器材的重要裝備，具有結(jié)構(gòu)緊湊、占有空間小、工作可靠、發(fā)射無泡等優(yōu)點(diǎn)。為確保對(duì)抗器材發(fā)射后快速、安全離開發(fā)射平臺(tái)，器材在發(fā)射時(shí)必須具備足夠高的出管速度[1]，同時(shí)，對(duì)抗器材都是電子產(chǎn)品，發(fā)射時(shí)承受的加速度就不能太大。因此，在該裝置上提高發(fā)射速度和控制最大加速度是相互矛盾的，發(fā)射閥等發(fā)射關(guān)鍵部件在出廠前都必須在專用模擬發(fā)射試驗(yàn)臺(tái)架上(俗稱“假?！?進(jìn)行各工作深度的發(fā)射性能調(diào)試。該發(fā)射裝置為開環(huán)控制模式，最佳工作區(qū)間很窄，人工調(diào)試的難度很大。實(shí)踐表明，發(fā)射閥緩沖器調(diào)整墊片厚度、滑閥錐面尺寸等關(guān)鍵影響因素稍有變化就會(huì)導(dǎo)致發(fā)射器材出管性能突變。多年來，這些零件的修配一直沒有明確、定量的指導(dǎo)文件，一般由調(diào)試的工人師傅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行摸索，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也不容易保證性能和質(zhì)量。承制單位在該型發(fā)射裝置制造、修理上頗受困擾。為此，有必要對(duì)影響該裝置發(fā)射性能的關(guān)鍵因素和參數(shù)進(jìn)行了定量、對(duì)比分析，給出詳細(xì)、具體、可操的理論指導(dǎo)，以提高該裝備調(diào)試、修復(fù)質(zhì)量和效率。

圖1 某氣動(dòng)不平衡式發(fā)射裝置原理圖

1 發(fā)射裝置工作原理及內(nèi)彈道分析

該裝置主要有發(fā)射閥、定差組合閥、發(fā)射活塞和發(fā)射管體組成，結(jié)構(gòu)組成及發(fā)射原理如圖1所示，其發(fā)射過程是：啟動(dòng)閥動(dòng)作后，發(fā)射閥Ⅲ腔高壓氣放入大氣，發(fā)射閥閥芯在Ⅱ腔氣體壓力(與艇外海水壓力相同)作用下向下動(dòng)作，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律受到發(fā)射閥底部緩沖器控制，高壓氣瓶中的壓縮空氣在以發(fā)射閥和定差組合閥聯(lián)合控制下進(jìn)入到發(fā)射管后腔膨脹作功，推動(dòng)發(fā)射活塞向前運(yùn)動(dòng)，擠壓由發(fā)射活塞、后管和對(duì)抗器材尾部圍成的密閉腔內(nèi)海水，將發(fā)射活塞機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)換為海水壓力能，推動(dòng)對(duì)抗器材向前運(yùn)動(dòng)直至出管。

發(fā)射時(shí)，對(duì)抗器材在發(fā)射管運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力是非常復(fù)雜的，主要有重力、浮力、迎面阻力、導(dǎo)軌和密封環(huán)的摩擦阻力以及后部海水推力。器材后部的海水與器材一起向前方運(yùn)動(dòng)，故可以把運(yùn)動(dòng)的海水與器材視為一體，則其運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：

(1)

式中：AQ為器材截面積；v為器材在發(fā)射管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度；pw為發(fā)射活塞前腔密閉海水(器材后部)壓力；m為發(fā)射活塞前腔密閉海水及器材的總質(zhì)量；fg為器材與發(fā)射管導(dǎo)軌和密封環(huán)的摩擦力；ρ為海水密度；cx為器材的迎面阻力系數(shù)。從該方程可以看出，在初始條件給定情況下，影響器材運(yùn)動(dòng)參數(shù)的主要物理量是發(fā)射活塞前腔與器材之間海水的壓力，它是一個(gè)隨時(shí)間變化的物理量，其變化規(guī)律對(duì)器材的出管速度及加速度有直接影響。同時(shí)其變化主要是由發(fā)射活塞運(yùn)動(dòng)和器材運(yùn)動(dòng)所引起的體積變化，其方程可以表示：

(2)

式中：xp為發(fā)射活塞的位移；xq為器材的位移；Ap為發(fā)射活塞截面積；Bw為水的彈性模量；Vw為密閉海水的初始體積；Q為前管水密環(huán)處泄漏到發(fā)射管外部的海水流量。

2 發(fā)射系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[2-6]

發(fā)射裝置工作時(shí)，壓縮空氣在其中的變質(zhì)量狀態(tài)變化是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性熱力變化過程，為了便于建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)有關(guān)情況進(jìn)行了合理假設(shè)：做功壓縮空氣滿足理想氣體狀態(tài)方程，各充放氣過程過程近似為一元恒定、絕熱流動(dòng)，發(fā)射閥緩沖器下腔海水和發(fā)射活塞前腔密閉海水為可壓縮流體，發(fā)射閥緩沖器活塞與滑閥之間的間隙流動(dòng)等效為厚壁孔口恒定自由出流，器材與前管水密環(huán)之間的間隙按照?qǐng)A柱環(huán)形間隙流動(dòng)?；谏鲜黾僭O(shè)，借助有關(guān)氣體熱力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)理論建立發(fā)射裝置工作過程的數(shù)學(xué)模型。

2.1 氣瓶壓力變化方程

(3)

式中：ps為發(fā)射氣瓶壓力；k為氣體比熱比；R為氣體常數(shù)；Ts為氣瓶溫度；V0為氣瓶容積；Qf為發(fā)射閥流氣體量。

2.2 發(fā)射閥上部主閥芯受力方程

(4)

式中：mf為閥芯等效質(zhì)量；xf為發(fā)射閥芯位移；Af為發(fā)射閥芯Ⅰ腔上端臺(tái)肩面積；Af1為發(fā)射閥芯上端氣體作用面積；Af2為發(fā)射閥芯Ⅱ腔海水作用面積；ph為舷外海水壓力；Af3為發(fā)射閥芯上端氣體作用面積；pb為發(fā)射閥Ⅲ腔氣體對(duì)主閥芯的背壓；Kf為緩沖器殼體內(nèi)彈簧的剛度；F0為彈簧的預(yù)緊力和閥芯自重的合力；Fsf為穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力；pd為緩沖器殼體內(nèi)下腔水的壓力；Ad為緩沖器活塞下端面積；ff為動(dòng)摩擦力。

2.3 發(fā)射管后管后腔室壓力變化方程

(5)

式中：xp為發(fā)射活塞的位移；pf為發(fā)射管后管壓力；Tf為后管氣體溫度；Ap為發(fā)射活塞截面積；V0為后腔初始容積；Qc為定差組合閥工作時(shí)的放氣流量。

2.4 發(fā)射管活塞動(dòng)力學(xué)方程

(6)

式中：xp為發(fā)射活塞的位移；fp為發(fā)射活塞摩擦力；pw為發(fā)射活塞前腔壓力；mp為發(fā)射活塞質(zhì)量。

2.5 發(fā)射活塞前腔水的壓力變化

(7)

式中：pw為發(fā)射活塞前腔壓力；xq為對(duì)抗器材的位移；Aq為對(duì)抗器材的橫截面積；Vw為發(fā)射活塞前腔水的初始容積；Qm1為后管密封環(huán)泄漏量。

2.6 對(duì)抗器材的運(yùn)動(dòng)方程

(8)

式中：fq為器材的摩擦力；fc為器材運(yùn)動(dòng)的迎面阻力。

3 發(fā)射系統(tǒng)物理仿真情況

基于上述數(shù)學(xué)模型，借助系統(tǒng)仿真軟件MATLAB/Simulink編制了動(dòng)態(tài)仿真模型。結(jié)合某具體產(chǎn)品就10 m、30 m 、50 m、100 m等典型發(fā)射深度實(shí)測(cè)的位移、速度、加速度和發(fā)射后管壓力等有關(guān)參數(shù)曲線，與仿真結(jié)果曲線進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，各發(fā)射深度的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)關(guān)系和吻合度較好，但局部有所不同，局部不同的原因是仿真時(shí)步長較短，計(jì)算的時(shí)間間隔較小，而試驗(yàn)測(cè)試時(shí)傳感器的采集時(shí)間間隔較長。圖2和圖3是發(fā)射深度為50 m時(shí)的對(duì)比實(shí)例。

圖2 50 m發(fā)射深度有關(guān)參數(shù)測(cè)試曲線

圖3 50 m發(fā)射深度有關(guān)參數(shù)壓力仿真曲線

4 影響發(fā)射性能的有關(guān)因素分析

基于被驗(yàn)證了的系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)實(shí)際工程需要，定量地研究了發(fā)射閥緩沖器滑閥與緩沖活塞配合間隙、相對(duì)裝配位置關(guān)系變化等對(duì)器材加速度和速度影響。圖4是緩存器滑閥圓柱部分與緩沖活塞初始間隙與理論值相比，分別變化-0.01 mm、0 mm、+0.01 mm、+0.02 mm和+0.03 mm，發(fā)射深度為100 m時(shí)發(fā)射對(duì)抗器材的速度及加速度的變化情況。從圖中可以看出，在發(fā)射深度條件不變的情況下，兩者間隙在理論值時(shí)，發(fā)射器材綜合運(yùn)動(dòng)學(xué)性能較好，最大加速度不太大，而出管速度也較好。配合間隙變大，緩沖器初期的節(jié)流面積偏大，前期緩沖阻力較小，致使上部主閥芯運(yùn)動(dòng)較快，會(huì)很快到達(dá)節(jié)流面積變化較快的工作段，器材的后期加速度和出管速度都變大，但是發(fā)射器材運(yùn)動(dòng)初始階段的加速度波動(dòng)會(huì)很大，甚至超過最大加速度指標(biāo)要求；反之，配合間隙越小，緩沖器初期的節(jié)流面積偏小，前期緩沖阻力較大，致使上部主閥芯運(yùn)動(dòng)較慢，到達(dá)節(jié)流面積變化較大的工作段的時(shí)間較長，器材的后期加速度和出管速度都變小，這就會(huì)導(dǎo)致器材出管速度偏小，但是發(fā)射器材運(yùn)動(dòng)初始階段的加速度波動(dòng)會(huì)小些。

圖4 發(fā)射深度為100 m時(shí)配合間隙對(duì)器材速度、加速度的影響

圖5為通過調(diào)整墊片的厚度實(shí)現(xiàn)滑閥與下緩沖器活塞相對(duì)位置與某一確定值相比分別變化-0.2 mm、-0.1 mm、0 mm、+0.1 mm和+0.2 mm，發(fā)射深度為100 m時(shí)，發(fā)射器材速度及加速度的變化情況。由圖上的仿真結(jié)果可知，對(duì)于滑閥與緩沖活塞的某一對(duì)應(yīng)位置，當(dāng)調(diào)整墊片變薄時(shí)，器材加速度和速度值都會(huì)增大；調(diào)整墊片變厚時(shí)，發(fā)器材加速度和速度值都會(huì)減小。這主要是由于滑閥與緩沖活塞的位置變化改變了下緩沖器節(jié)流縫隙的節(jié)流面積，而且還使滑閥上曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)得到了調(diào)整，從而使得上部主閥芯或運(yùn)動(dòng)變快，或運(yùn)動(dòng)變慢，進(jìn)入發(fā)射管后腔的氣體也就發(fā)生了變化。

5 結(jié)論

針對(duì)某氣動(dòng)不平衡式發(fā)射裝置的工作過程建立了仿真模型，并借助仿真模型進(jìn)行了影響因素分析，結(jié)果表明該裝置在各深度都有對(duì)應(yīng)的最佳工作點(diǎn)，偏離該工作點(diǎn)，加速度和出管速度的矛盾會(huì)凸顯。發(fā)射深度不同時(shí)，調(diào)整滑閥的配合間隙和調(diào)整墊片對(duì)發(fā)射性能的影響作用是不同的，有時(shí)配合間隙的影響是主要的，有時(shí)調(diào)整墊片的厚度影響是主要的，而在有些情況下，兩者的影響又會(huì)突然轉(zhuǎn)換。 受先天的設(shè)計(jì)缺陷影響，該裝置在進(jìn)行假海調(diào)試時(shí)，要想依靠工人師傅的經(jīng)驗(yàn)很快找到兼顧各個(gè)發(fā)射深度的最佳緩沖性能工作點(diǎn)，是非常困難的。本研究緊密結(jié)合工程實(shí)際，定量地研究、分析了發(fā)射閥緩沖器滑閥與緩沖活塞配合間隙、相對(duì)裝配位置關(guān)系等因素變化對(duì)器材加速度和速度影響，對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)制造、調(diào)試試驗(yàn)和使用維護(hù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

圖5 發(fā)射深度為100 m時(shí)調(diào)整墊片對(duì)器材速度、加速度的影響

參考文獻(xiàn)：

[1] 練永慶，王樹宗，陳一雕.氣動(dòng)式水下武器發(fā)射器內(nèi)彈道優(yōu)化研究[J].彈道學(xué)報(bào)，2002，(6):1-5.

[2] 練永慶，王樹宗，陳一雕.氣動(dòng)式水下發(fā)射器的發(fā)射閥仿真設(shè)計(jì)研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2003，24(3)：354-358.

[3] 李志華，王樹宗.潛艇氣動(dòng)發(fā)射裝置發(fā)射閥設(shè)計(jì)分析[J].液壓與氣動(dòng)，2006，(1)：69-72.

[4] 程廣濤，孔巖峰，張振山.液壓平衡式水下武器發(fā)射系統(tǒng)仿真分析[J].兵工學(xué)報(bào)，2009，30(7)：915-919.

[5] 李建藩.氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，1991.

[6] 王正林,等.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.