梁興旺， 李 強， 徐新奇

(中北大學機電工程學院， 山西太原 030051)

引言

反后坐裝置被譽為現(xiàn)代火炮的“心臟”，反后坐裝置性能的好壞直接關(guān)系到火炮的設計穩(wěn)定性[1]。通常反后坐裝置設計完成后通過液壓試驗機等來完成初步驗證，甚至直接通過實彈射擊實驗來驗證其性能。通過液壓試驗機的方法無法達到反后坐裝置的高速后坐要求，而實彈射擊實驗具有一定的危險性。

劉林等[2]設計了以液壓為動力源的后坐模擬試驗裝置，并進行了仿真分析，為火炮動力后坐模擬試驗裝置的物理樣機研制提供了依據(jù)。孫也尊等[3]通過分析反后坐裝置的結(jié)構(gòu)和動作原理，并建立虛擬樣機，對樣機進行了優(yōu)化分析。黃振全等[4]設計了一種反后坐裝置液壓試驗機，同時可以對液量進行檢查。吳國東等[5]設計了一種以火藥氣體為能源的反后坐裝置試驗機，通過試驗表明試驗壓力與計算結(jié)果相近。高躍飛等[6]建立了火藥氣體模擬后坐試驗的理論計算模型并進行了數(shù)值計算，通過試驗驗證了理論模型的正確性。

本研究通過分析火炮后坐過程，設計了一種氣壓式的后坐模擬實驗系統(tǒng)，并且通過分析模擬后坐過程中的氣缸壓力變化過程，推導出氣缸充氣壓力計算公式，并以某反后坐裝置為原型進行了模擬試驗，驗證了模擬實驗系統(tǒng)的可行性。

1 模擬試驗系統(tǒng)組成

如圖1所示，模擬試驗系統(tǒng)主要有架體、滑軌、套箍、配重滑塊、反后坐裝置、氣缸等組成。當發(fā)出開始后坐指令后，氣缸上的電磁單向閥被打開，氣缸中的高壓氣體從噴嘴以聲速流出，使得小氣缸中的壓力迅速降低，因此大氣缸中的高壓氣體推動活塞運動，從而推動配重滑塊以及反后坐裝置向后運動，當氣缸活塞桿向后運動到規(guī)定距離后與配重滑塊上的推桿分離，此時，模擬后坐部分的速度達到反后坐裝置的設計最大速度，氣缸完成模擬炮膛合力的作用，在之后的行程中反后坐裝置依靠慣性繼續(xù)向后運動，完成剩余的后坐與復進過程。

圖1 系統(tǒng)總體方案組成

2 氣缸壓力設計

2.1 氣缸工作原理

如圖2所示，氣缸主要由大氣缸、小氣缸、活塞、進氣閥、放氣閥等組成[7]。氣缸作為模擬后坐的動力源，用來推動后坐裝置的后坐及復進。

1.大氣缸 2.電磁作動閥 3.壓力傳感器SP 4.氣源 5.活塞 6.小氣缸 7.電磁單向放氣閥

氣缸原理為：氣缸首次工作時，打開電磁作動閥2，給大氣缸和小氣缸充氣，達到工作氣壓，充氣完畢；關(guān)閉電磁作動閥2，繼續(xù)充氣，使活塞回位，活塞回位完畢后關(guān)閉氣源；打開單向放氣閥7，小氣缸放氣，大氣缸與小氣缸形成壓差使活塞向前運動，試驗完畢。非首次工作：大氣缸氣體重復使用，電磁作動閥2始終關(guān)閉；小氣缸充氣，使活塞回位，活塞回位完畢；打開單向放氣閥7，小氣缸放氣，大氣缸與小氣缸形成壓差使活塞向前運動，試驗完畢。

2.2 模擬后坐過程分析

反后坐模擬測試裝置是為了模擬后坐過程中加速過程的后坐速度以及后坐位移，隨著后坐過程的進行，反后坐裝置中的液體會產(chǎn)生相應的后坐阻力，因此，模擬測試裝置需要克服加速過程中的后坐阻力來推動模擬后坐部分向后運動。其中制退后坐速度位移曲線如圖3所示。

圖3 制退后坐速度位移曲線

其主要模擬膛內(nèi)時期火藥氣體對火炮后坐部分的作用力，因此對氣缸活塞的運動進行分析：

(1)

式中，x—— 活塞的后坐位移

v—— 活塞的后坐速度

Ft—— 氣缸產(chǎn)生的推力

FR—— 后坐阻力

m—— 模擬后坐部分質(zhì)量

2.3 氣缸推力計算[8]

氣缸輸出的推力為：

F=p0A0-p1A1-f

(2)

式中，A0—— 大氣缸側(cè)活塞面積

A1—— 小氣缸排氣側(cè)活塞面積

f—— 摩擦阻力(包括活塞與氣缸以及活塞桿與氣缸之間的摩擦力)

p0—— 大氣缸側(cè)的壓強

p1—— 小氣缸側(cè)的壓強

式(2)中，活塞與活塞桿的摩擦力可視為后坐阻力的一部分，因此可將摩擦力移至后坐阻力當中，此時，氣缸的純推力可用下式來表示：

Ft=p0A0-p1A1

(3)

1) 大氣缸側(cè)氣壓推力計算

由于后坐過程時間極短，大氣缸側(cè)氣體狀態(tài)為絕熱膨脹，因此，大氣缸側(cè)的氣體規(guī)律服從絕熱過程的氣體狀態(tài)方程：

(4)

式中，p00—— 初始位置時的大氣缸側(cè)壓強

V00—— 初始位置時的大氣缸側(cè)體積

p0x—— 后坐開始后任意時刻的大氣缸側(cè)壓強

V0x—— 后坐開始后任意時刻的大氣缸側(cè)體積

V0x=V0+A0x

x—— 后坐位移

κ—— 比熱容比，一般取1.4

因此，大氣缸側(cè)的氣壓推力變化規(guī)律為：

(5)

2) 小氣缸排氣側(cè)阻力計算

對小氣缸排氣側(cè)，由于放氣時間很短，可視為絕熱放氣，同時由于活塞的后坐運動，小氣缸側(cè)的體積也在不斷縮小，因此，小氣缸側(cè)的放氣過程為變體積的絕熱放氣過程，其氣體狀態(tài)方程為：

-κRTdM=κp1xdV1x+V1xdp1x

(6)

式中，T—— 熱力學溫度

dM—— 氣體質(zhì)量的變化量

p1x—— 放氣過程中小氣缸側(cè)的壓強

V1x—— 放氣過程中小氣缸側(cè)的體積

當外界大氣壓力與小氣缸側(cè)的壓力比值小于0.528時，氣體以聲速流出的質(zhì)量流量為：

(7)

式中，QM—— 質(zhì)量流量

S—— 排氣孔面積

因此，從腔室中流出的氣體的質(zhì)量dM=QMdt，因此小氣缸側(cè)的壓強變化規(guī)律可寫為：

(8)

因此結(jié)合制退后坐的運動規(guī)律，對上式進行積分，可以得到小氣缸中的氣體壓力隨后坐位移的變化規(guī)律:

(9)

式中，L為小氣缸長度。

在放氣過程中，氣體流經(jīng)放氣孔口的時間很短，可以忽略其中的摩擦損失，因此可認為放氣孔口的流動為絕熱過程的等熵流動，故小氣缸內(nèi)的氣體溫度服從絕熱過程的溫度變化規(guī)律：

(10)

式中，T0—— 小氣缸側(cè)初始溫度

Tx—— 任意時刻溫度

3) 推力計算

由以上分析可知，大氣缸側(cè)活塞的工作面積A0與小氣缸側(cè)活塞的工作面積A1由結(jié)構(gòu)確定可知，大氣缸側(cè)的氣體壓強p0x與小氣缸側(cè)的氣體壓強p1x的變化規(guī)律可以計算得出。因此，氣缸的純推力為：

(11)

2.4 氣缸負載阻力計算

反后坐模擬測試裝置主要用于測試反后坐裝置的后坐阻力是否滿足要求。因此氣缸的負載為理論后坐阻力FR。后坐阻力是由制退機液壓阻力FΦh，復進機力Ff，滑軌的摩擦力FT，密封裝置的摩擦力f，以及后坐部分重力的分力等組成。在該測試裝置中，只模擬反后坐裝置在0°射角下的后坐過程，因此可以不考慮后坐部分重力的分力。故后坐阻力可由下式表示:

FR=FΦh+Ff+f+FT

(12)

在反后坐模擬測試裝置中，搖架導軌的摩擦力可用模擬后坐部分在滑軌上的摩擦力代替，密封裝置的摩擦力包括反后坐裝置密封裝置以及氣缸密封裝置的摩擦力。

2.5 氣缸壓力計算

進行試驗之前，活塞兩側(cè)受力平衡，對活塞進行受力分析，可以得出p00與p10的關(guān)系如下:

(13)

因此，氣缸的推力為:

(14)

已知氣缸活塞的運動規(guī)律后，可由活塞的理論運動規(guī)律求出所需要的氣缸推力，進而得出大氣缸側(cè)的初始壓力p00。

此時求得的大氣缸初始壓力p00為開始工作前活塞在工作位置時的大氣缸壓力，在向大氣缸充氣時，活塞受到高壓氣體的作用，其在靠后的位置上。此時大氣缸的壓力為充氣壓力p，其值比p00小。當大氣缸側(cè)的充氣壓力達到p時，向小氣缸中開始充氣，直到活塞位置回到工作位置，此時的大氣缸側(cè)的壓力為p00，這一過程可視為等溫過程，因此p與p00之間的關(guān)系可用下式求出:

p(V0+V1)=p00V0

(15)

(16)

3 模擬試驗

3.1 大氣缸充氣壓力計算

以某型火炮反后坐裝置為原型，進行后坐模擬試驗。該反后坐裝置設計某火炮制退后坐速度位移曲線如圖4所示。

圖4 某火炮制退后坐速度位移曲線

由圖4可以看出，該反后坐裝置設計后坐位移為300 mm，最大后坐速度為2.56 m/s。由模擬試驗裝置的工作原理可知，氣缸工作過程為模擬后坐加速部分，即在后坐開始的34 mm行程內(nèi)速度達到2.56 m/s。因此，根據(jù)前述分析，結(jié)合氣缸相應尺寸，可以計算得出模擬該反后坐裝置后坐過程所需要的大氣缸側(cè)充氣壓力為4 MPa。

3.2 模擬試驗測試

依據(jù)前期設計加工，模擬試驗裝置如圖5所示。為直觀的觀測模擬反后坐裝置的后坐過程參數(shù)，運用LabVIEW編制相應的軟件控制界面，進行后坐模擬試驗的控制與測試，如圖6所示。試驗開始前，點擊大氣缸充氣，通過空氣壓縮機向大氣缸中充入4 MPa高壓氣體，然后點擊小氣缸回位，向小氣缸中充氣，使得活塞回到初始位置，此時，試驗前準備完畢。點擊后坐開始，放氣閥被打開，小缸中的氣體排出，活塞推動反后坐裝置進行模擬后坐過程，軟件界面同時檢測反后坐裝置的各個參數(shù)。

圖5 試驗設備現(xiàn)場

圖6 模擬實驗界面

3.3 結(jié)果對比

對反后坐裝置而言，其最重要的參數(shù)為工作腔壓力，工作腔壓力與后坐行程以及后坐速度有很大的關(guān)系。后坐模擬試驗裝置的主要功能為模擬后坐行程以及后坐速度，因此，對于已知參數(shù)的反后坐裝置，其在同樣地后坐行程及速度上應有相同的工作腔壓力。因此，將試驗所得數(shù)據(jù)與設計參數(shù)相對比，可得出模擬試驗裝置設計是否準確合理，如圖7、圖8所示。

圖7 制退后坐速度位移曲線對比

由圖7可以看出，模擬實驗裝置后坐位移與后坐速度峰值基本與設計值相同，但峰值相對滯后，這種情況是由于小氣缸側(cè)電磁放氣閥排氣速度較慢所致。由圖8可以看出，試驗工作腔壓力與設計工作腔壓力值基本相同，但試驗工作腔壓力后期壓力值比設計壓力值大，這是由于反后坐裝置中節(jié)制桿調(diào)整造成的工作腔壓力降低有一定程度的滯后現(xiàn)象。

圖8 工作腔壓力對比

4 結(jié)論

本研究通過對火炮后坐過程分析，設計了一種氣壓式后坐模擬試驗裝置。該裝置通過氣缸兩側(cè)壓強差來推動活塞，進而推動反后坐裝置模擬后坐運動。并通過分析模擬后坐過程中的氣缸壓力變化過程，推導出氣缸充氣壓力計算公式。以某型火炮反后坐裝置為原型，計算得到其所需要的氣缸壓力，進行后坐模擬實驗。試驗結(jié)果表明，后坐模擬試驗系統(tǒng)設計基本能滿足要求。該系統(tǒng)可以應用于反后坐裝置，緩沖器，懸架等緩沖裝置的試驗與輔助設計。