張本軍， 鄭立評， 李 玥， 韋有民

(軍械工程學院， 河北 石家莊 050003)

火炮復(fù)進機液量自動變?nèi)莘乓簻y試方法研究

張本軍， 鄭立評， 李 玥， 韋有民

(軍械工程學院， 河北 石家莊 050003)

為使復(fù)進機液量檢測精度與效率較好地統(tǒng)一， 基于基本原理， 構(gòu)建了滿足精度要求時需放液量與火炮種類、 復(fù)進機自身狀態(tài)及測試設(shè)備誤差之間關(guān)系的數(shù)學模型； 依據(jù)該模型， 設(shè)計了自動變?nèi)莘乓簻y試系統(tǒng)； 經(jīng)與目前部隊使用的液量檢測設(shè)備比較， 驗證了所設(shè)計系統(tǒng)的先進性， 為部隊快速、 準確地測試復(fù)進機液量提供了方法和手段； 所構(gòu)建的數(shù)學模型， 能夠指導(dǎo)放液式液量檢查設(shè)備的精度研究.

復(fù)進機； 液量檢測； 放液法； 自動變?nèi)?/p>

0 引 言

復(fù)進機是火炮關(guān)鍵件之一， 其主要功能是為射擊后的火炮后坐部分復(fù)進提供能量及保持炮身在任何仰角不會下滑， 這就要求復(fù)進機需儲存能量. 現(xiàn)代大、 中口徑火炮多采用液體氣壓式復(fù)進機[1]， 液體用于密封， 氣體為儲能介質(zhì). 在火炮存儲、 使用及保養(yǎng)過程中， 復(fù)進機氣體、 液體會發(fā)生變化， 致使復(fù)進機不能正常完成相應(yīng)機構(gòu)動作. 因此， 復(fù)進機的氣壓、 液量檢查是火炮射前技術(shù)檢查的必檢內(nèi)容.

復(fù)進機液量檢查實質(zhì)上是檢查一個密閉容器中液體的容積， 針對這個問題的研究多集中在對液面或液位的檢測上， 如K Brajesh利用磁致伸縮液位傳感技術(shù)檢測液體液面[2]； 侯鈺龍、 D Sengupta等人利用光纖液位傳感技術(shù)測試、 監(jiān)控液體液面[3-5]； V.B. Zhukov、 張朋、 劉迎新等人利用聲波測試液體液面[6-8]； Frank May利用機械共振測量密閉空間揮發(fā)性強的液體的液位[9]， 通過對液面或液位的測量， 進而可求得液體容積， 這些檢測手段和方法為復(fù)進機液量檢查設(shè)備的開發(fā)和研制提供了很好的思路， 但受戰(zhàn)場環(huán)境、 技術(shù)條件及測試對象復(fù)雜性的限制， 上述技術(shù)開發(fā)的檢測設(shè)備很難廣泛應(yīng)用于部隊， 目前在研和使用的液量檢測設(shè)備基本上都是基于玻意耳-馬略特定律開發(fā)的[10-13]. 為了便于編制液量檢查表或開發(fā)相應(yīng)程序， 上述設(shè)備大部分是基于定容開發(fā)的， 即氣體的壓縮量和膨脹量為一定值， 這樣造成的后果是效率和精度沒有較好地統(tǒng)一. 有些文獻研究了變?nèi)莘乓悍╗14]， 但其變?nèi)菔且罁?jù)不同的炮種壓力變化0.1 MPa時放液量不同而進行展開的， 而不是以測試精度為出發(fā)點進行分析研究的， 且沒有考慮復(fù)進機自身的狀態(tài).

基于此， 本文從測試基本原理出發(fā)， 推導(dǎo)滿足精度要求時需放液量與火炮種類、 復(fù)進機自身狀態(tài)及測試設(shè)備誤差之間的函數(shù)關(guān)系， 研究自動變?nèi)莘乓簩崿F(xiàn)的方法和手段， 以便為高效準確地檢測復(fù)進機液量提供保障.

1 放液量的確定

圖 1 復(fù)進機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of recuperator structure

如圖 1 所示為一復(fù)進機示意圖， 圖中A區(qū)域與大氣連通， 活塞與復(fù)進桿固接. 復(fù)進機內(nèi)充滿液體和氣體， 液體用于密封氣體， 氣體用于存儲或釋放能量. 后坐時， 復(fù)進桿與內(nèi)、 外筒產(chǎn)生相對運動， 壓縮復(fù)進機內(nèi)氣體， 儲存能量； 復(fù)進時， 氣體膨脹， 釋放能量， 迫使復(fù)進桿或外筒帶動后坐部分復(fù)進到位.

火炮復(fù)進機液量檢查一般在常溫下進行， 氣室內(nèi)壓力不高， 所以復(fù)進機內(nèi)氣體可按理想氣體處理[15]； 液量檢查過程時間較長， 系統(tǒng)可以充分熱交換而保持等溫， 因此可以認為氣室內(nèi)氣體滿足玻意耳-馬略特定律， 即

W氣=W總-W液，

(2)

式中：P1為復(fù)進機內(nèi)初始壓強，W總、W氣和W液分別為復(fù)進機內(nèi)腔總?cè)莘e、 氣體體積及液體體積.

當放出容積為W變的液體之后， 復(fù)進機內(nèi)氣體容積增加W變， 氣體的壓強則變?yōu)镻2， 且P1，P2之間存在如式(3)關(guān)系

P1(W總-W液)=P2(W總-W液+W變).

(3)

確定體積改變量之后， 測出P1，P2； 由于內(nèi)腔容積已知， 則可由式(3)計算出W液

W液=W總

令W標為復(fù)進機標準液量， 則需要補充的液量為

W補=W標-W液.

(5)

在式(4)中，W總為復(fù)進機結(jié)構(gòu)參數(shù)， 是與火炮的類型相關(guān)的已知量；P1，P2和W變均為測量值， 不可避免地存在測量誤差， 令ΔP1， ΔP2， ΔW變分別為它們的測量誤差， 則復(fù)進機內(nèi)真實的液體量為

(6)

按照式(5)計算結(jié)果進行注液， 則注液后復(fù)進機內(nèi)腔實際的液體量為

W實=W標-W液

此時， 由于測量過程中誤差引起的復(fù)進機內(nèi)液量的誤差

式中：X=(P1,P2,W變, ΔP1, ΔP2, ΔW變). 結(jié)合式(4)可得： 放液量確定的依據(jù)是選取合適的W變使得f(X) 滿足復(fù)進機液量精度的要求， 即

W標-W上≤f(X)≤W標-W下，

(9)

式中：W上，W下分別為液量標準的上限和下限， 對于確定型號的火炮這兩個值是確定的. 只要式(8)的極值滿足式(9)， 則放液量就滿足精度的要求， 選擇此時的最小放液量即為要確定的放液量. 這樣， 上述問題就轉(zhuǎn)化成數(shù)學上的求極值問題. 式(8)中， ΔP1， ΔP2， ΔW變?yōu)闇y量誤差， 與X中其它參數(shù)不相關(guān)， 又因為其主值測量為獨立測量， 所以3者之間也不相關(guān).f(X)對3者求偏導(dǎo)， 可以得到

以上各種誤差的范圍在測試設(shè)備標定自身精度時可以得到， 且其最大值和最小值符號是相反的. 令mi(i=1,2,3)分別代表ΔP1， ΔP2和ΔW變的最大值，ni(i=1,2,3)分別代表ΔP1， ΔP2和ΔW變的最小值， 則有mi≥0，ni≤0. 在實際測試過程中， (W變+ΔW變) >0， (P2+ΔP2)>0， (P1+ΔP1)>0， 且|P2-P1|?|ΔP2-ΔP1|. 顯然由式(10)可得f(X)是關(guān)于ΔP1的單調(diào)減函數(shù)， 由式(11)可得f(X)是關(guān)于ΔP2的單調(diào)增函數(shù)， 由式(12)可得f(X)是關(guān)于ΔW變的單調(diào)增函數(shù). 所以

f(P1,P2,W變

P1，W液為復(fù)進機內(nèi)液體兩個不相關(guān)初始狀態(tài)，W變是液體變化量， 也與P1，W液不相關(guān)， 所以由式(3)可得P2對P1的偏導(dǎo)數(shù)為

f(X)對P1求偏導(dǎo)， 并將式(15)帶入后可得

(16)

將式(13)的誤差值代入式(16)可得g(X)<0， 說明f(X)的最大值函數(shù)關(guān)于P1單調(diào)減， 所以P1最小值時，f(P1,P2,W變,m1,n2,n3)是f(X)關(guān)于W液和W變的最大值函數(shù).

將式(14)的誤差值代入式(16)可得g(X)>0， 說明f(X)的最小值函數(shù)關(guān)于P1單調(diào)增， 所以P1取最小值P1n時，f(P1,P2,W變,n1,m2,m3)是f(X)關(guān)于P2和W變的最小值函數(shù).

依據(jù)式(3)可以求得P2對W液的偏導(dǎo)數(shù)為

令d(X)為f(X)對W液求偏導(dǎo)的函數(shù)， 并將式(17)帶入化簡后可得

依據(jù)式(3)可得

將式(19)代入式(18)可得

將式(13)、 式(14)兩組參數(shù)代入式(20)， 可得

說明b(P2)為關(guān)于P2的單調(diào)增函數(shù)， 所以

說明c(P2)為關(guān)于P2的單調(diào)增函數(shù)， 所以

綜合以上分析可知， 滿足式(9)精度要求的液體放出量W變與復(fù)進機總?cè)莘eW總、 復(fù)進機氣體初始壓力P1及初始液量W液均有直接的關(guān)系. 復(fù)進機總?cè)莘e與炮種相關(guān)， 是設(shè)計參數(shù)； 復(fù)進機氣體初始壓力和初始液量平常處于一個范圍， 這個范圍可以通過查閱相關(guān)種類火炮技術(shù)資料獲取.

當采用定容放液法放液時， 針對每種火炮需依據(jù)氣體初始壓力和初始液量平常范圍的最小值， 利用式(9)求出放液量的最小值， 而后選出這些火炮中放液量的最大值做為最終放液量， 顯然， 這種放液方式保證了測試精度， 但犧牲了測試效率. 如若采用依據(jù)炮種確定放液量時， 可根據(jù)各炮種氣體初始壓力和初始液量平常范圍的最小值， 求得自身的放液量， 這種方式考慮了復(fù)進機總?cè)莘e的影響， 提高了測試的效率， 但沒有考慮復(fù)進機初始狀態(tài)的影響， 還未達到效率的最優(yōu)， 效率最優(yōu)的是采用自動變?nèi)莘乓旱姆椒?

2 自動變?nèi)莘乓簻y試系統(tǒng)設(shè)計

圖 2 自動變?nèi)莘乓簻y試過程圖Fig.2 Detection procedure of automatic modulation liquid volume exhaust

復(fù)進機液量測試過程中， 氣體初壓可直接測出， 液量是通過測量放液量及放液后壓力求得， 而放液量則是變?nèi)菰O(shè)計的目的. 因此， 在初始測量時， 無法通過氣體初壓、 液量和精度計算放液量. 由第1節(jié)分析知， 液量處于平時狀態(tài)最小值時， 測試誤差可達到最大值和最小值， 因此可利用此值預(yù)估放液量.

測試過程中， 復(fù)進機內(nèi)部與外部有明顯壓力差， 易于放液而不易于注液. 因此， 選擇了如圖 2 所示的自動變?nèi)莘乓哼^程， 其基本思路是： 測量復(fù)進機初始壓力， 結(jié)合該類型火炮復(fù)進機平時液量的最小值， 依據(jù)式(9)、 式(13)和式(14)計算滿足精度要求的最小放液量V1； 根據(jù)第1節(jié)的分析， 該放液量大于最優(yōu)放液量， 因此， 先放出50%的V1， 測量此時復(fù)進機的壓力， 結(jié)合初壓可以計算出復(fù)進機內(nèi)一個液量值； 將這個液量值與初壓重新利用式(9)、 式(13)和式(14)計算滿足精度要求的最小放液量； 將此時計算的放液量與已放出液量相比較， 如果小于已放出的液量， 則說明測試結(jié)果已滿足精度要求； 如果大于已放出的液量， 則將繼續(xù)放液到該值， 測量此時復(fù)進機的壓力， 重復(fù)上述過程.

依據(jù)圖 2 的測試過程， 設(shè)計自動變?nèi)莘乓簻y試系統(tǒng)， 其結(jié)構(gòu)原理如圖 3 所示. 整個測試系統(tǒng)基于虛擬儀器進行設(shè)計， 以LabWindows/CVI為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺， 將各種型號火炮所需參數(shù)錄入開發(fā)的軟件中； 硬件上， 分別選用CYYB-110型壓力傳感器、CYYB系列差壓式液位傳感器以及PM512型高精度數(shù)據(jù)采集卡. 將設(shè)計的系統(tǒng)在計量站進行壓力和液量精度檢定， 壓力測試精度為[-0.001MPa, 0.001MPa]， 液量測試精度為[-0.001L, 0.001L]， 將最大值和最小值分別輸入開發(fā)的軟件中.

圖 3 自動變?nèi)莘乓簻y試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Structure diagram of liquid volume detection equipment

測試之前， 在主機上選定要測試火炮的型號， 并將測試系統(tǒng)內(nèi)的管道等注滿液體， 以保證放至量筒的液體量與復(fù)進機內(nèi)放出液體量相同. 測試過程中， 打開開閉桿， 使測試系統(tǒng)與復(fù)進機內(nèi)腔連通， 主機控制測試系統(tǒng)按照圖2的過程對液量進行測試， 測試結(jié)束后， 將放出的液體以及需添加的液體通過液壓泵壓入復(fù)進機， 而后關(guān)閉開閉桿， 封閉放液通道.

3 測量效率比較

某型輪式自行榴彈炮是我軍近幾年列裝的新型主戰(zhàn)火炮， 裝備在我軍機械化步兵師、 團. 隨著部隊實戰(zhàn)化訓練強度不斷加大， 裝備動用頻率加快， 復(fù)進機檢查的頻次也越來越多. 目前， 部隊配發(fā)的液量檢測設(shè)備主要由人工后坐設(shè)備、 定容放液0.2L測試設(shè)備、 定容放液0.5L測試設(shè)備三種. 利用上述三種設(shè)備和本文的自動變?nèi)莘乓悍ū容^， 結(jié)果如表 1 所示. 該自行火炮正常液量范圍是10.27±0.1L， 即測試誤差的要求為[-0.1L, 0.1L]. 人工后坐設(shè)備使炮身后坐250mm壓縮氣體空間， 其氣體容積變化量相當大， 經(jīng)計算， 其誤差范圍僅為[-0.014 2L,0.014 3L]， 故可將其作為真值使用.

表 1 4種測試方法效率比較

從表 1 中可以看出， 對于測試對象， 人工后坐法精度較高， 但所需時間過長； 放出0.2 L液體不能完全滿足精度的要求； 放出0.5 L能夠滿足精度要求， 但放出液量過多容易將復(fù)進機內(nèi)的氣體同時放出； 自動變?nèi)莘乓悍▌t在減少放液量的基礎(chǔ)上， 保證了測試精度.

4 結(jié) 論

火炮復(fù)進機液量是火炮射擊前的必檢項目， 本文從測試基本原理出發(fā)， 構(gòu)建了滿足精度要求時需放液量與火炮種類、 復(fù)進機自身狀態(tài)及測試設(shè)備誤差之間的函數(shù)關(guān)系， 設(shè)計了自動變?nèi)莘乓簻y試系統(tǒng)， 較好地實現(xiàn)了測試精度與測試效率的統(tǒng)一， 為部隊快速、 準確地檢查復(fù)進機液量提供了方法和手段； 所構(gòu)建的函數(shù)關(guān)系具有普遍性意義， 為放液式液量檢查設(shè)備的精度研究提供理論基礎(chǔ).

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Automatic Modulation Liquid Volume Exhaust Method for Liquid Volume

ZHANG Benjun, ZHENG Liping, LI Yue, WEI Youmin

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

In order to match the accuracy and efficiency liquid volume detection of artillery recuperator, the mathematical model of relationship between liquid volume exhaust and type of artillery, state of recuperator and error of detection equipment was built based on basic principle of detection. Automatic modulation liquid volume system was designed based on the model, and the superiority of the system was verified by comparing with equipment which is used by troops. So, a new method was provided for fast and accurate detecting liquid volume of artillery recuperator, and the built mathematical model can also guide research on accuracy of liquid volume detection equipment.

recuperator; liquid volume detection; liquid volume exhaust method; automatic modulation

1671-7449(2017)02-0164-06

2016-11-20

張本軍(1984-)， 男， 博士生， 主要從事火炮檢測與維修等研究.

TJ303

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.02.013