胡延臣，王新穎，宋佳祺

（1.陸軍駐牡丹江地區(qū)軍事代表室，黑龍江 牡丹江 157000； 2.沈陽理工大學(xué)，沈陽 110159；3.陸裝沈陽軍代局，沈陽 110015）

炮彈成品長期儲存在部隊庫房中，炮彈的氣密性直接決定了其長期儲存的可靠性。為防止炮彈因漏氣而失效，炮彈氣密性檢測在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在傳統(tǒng)炮彈檢測中，常通過底火孔向炮彈內(nèi)充高壓氣體來檢測炮彈的氣密性，但當?shù)谆鸢惭b之后，底火處的氣密性無法驗證。因此，當前工藝只對炮彈半成品和發(fā)射裝藥半成品進行氣密性檢測，還無法便捷、批量地實現(xiàn)全彈成品的檢測。由于檢測手段的缺乏，在炮彈生產(chǎn)工藝和倉儲過程中，往往會遺漏部分的檢測內(nèi)容，這必然會引入一定的質(zhì)量風(fēng)險，影響炮彈長期儲存的可靠性。因此，炮彈全彈的氣密性檢驗對進一步保障炮彈長期儲存的可靠性具有重要意義。

目前用氣體流量公式進行氣密性檢測的應(yīng)用較多[2]。首先測量與泄漏量相關(guān)的一些參數(shù)，例如壓力、壓差、超聲波等[3]，然后將這些相關(guān)量通過一定的關(guān)系式轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的泄漏量。為提高泄漏檢測的精度與效率，國內(nèi)外一些研究機構(gòu)提出了一些理論和方法[4-5]，如快速充氣法、溫度補償法、基準曲線法、加裝填充物減少被測工件內(nèi)容積等方法。國內(nèi)外學(xué)者對氣密性檢測理論做了大量的研究，GUNTUR H L等[6]研究了壓差檢測方法；JOHNSON C H等[7]提出了基于聲學(xué)原理的無損檢測方法；CHEN P等[8]通過對聲泄漏信號的研究評估出液壓缸泄漏的情況；GIL PITA R等[9]提出了使用頸項基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)(RBFN)的超聲波探傷方案；合肥智能機械研究所提出了模糊評判標準[10]；南京理工大學(xué)研究了器件的極限泄漏率并將其作為產(chǎn)品氣密性檢測的報廢標準[11]，南京航空航天大學(xué)對復(fù)雜零件腔體的氣密性檢測技術(shù)展開研究，建立了零件腔體泄漏率模型和等效內(nèi)容積的計算模型[12]；張偉等[13]描述了一種密封箱室氣密性驗收檢測方案；上海交通大學(xué)在無損檢測領(lǐng)域展開了超聲波技術(shù)檢測[14]；遲曉銘等利用紅外成像檢測技術(shù)實現(xiàn)了對泄露源的遠距離、大范圍檢測及快速定位[15]。此外，國內(nèi)外研究機構(gòu)一直在尋求一種有效的干式泄漏檢測與定位的方法，主要產(chǎn)品集中在兩類，一類是利用質(zhì)譜檢測的原理[16]，采用稀有氣體作為示蹤介質(zhì)，探頭在被測對象外逐點檢測，當探頭靠近泄漏點時，儀器進行聲光報警；另一類是利用超聲波定向原理[17-18]，向被測對象充入一定壓力的純凈空氣，當被測對象存在較大漏孔時，氣體就會穿過漏孔形成湍流，此時利用檢漏儀的超聲波定向探頭進行掃描，即可完成漏點定位。

綜合比較目前的檢測方法，傳統(tǒng)的示蹤氣體法受檢測原理的限制，存在效率低、無法在線診斷等缺點[19]。超聲波法也只能在泄漏孔較大并且泄漏氣體為湍流時才可以采用[20]。對具有一定體積、外觀完整的炮彈進行現(xiàn)場、局部、非破壞性的氣密性檢測，同時實現(xiàn)最佳的檢測成本控制、效率、性能等，目前尚未實現(xiàn)。本文提出一種基于負壓法的炮彈局部氣密性檢驗方法，詳細說明了該方法的基本原理和檢測算法。該方法可實現(xiàn)定裝式炮彈的全彈檢測，以及分裝式炮彈彈丸和發(fā)射裝藥藥筒的密封性單獨檢測。該方法主要應(yīng)用于炮彈生產(chǎn)環(huán)節(jié)、儲存過保期技術(shù)檢測環(huán)節(jié)的炮彈氣密性檢驗，同時也可促進和指導(dǎo)炮彈氣密性檢驗設(shè)備的研制。

1 炮彈氣密性檢測方法原理

1.1 炮彈氣密性檢測方法的約束

炮彈類生產(chǎn)及存儲在各階段、各個部位都安排有氣密性檢測環(huán)節(jié)，但相應(yīng)的檢驗方法都存在一定的局限性，對于炮彈的成品或長儲的氣密性檢測則較為困難，這主要是由炮彈自身特征所涉及的成本、方法實現(xiàn)難度、檢驗的批量等方面因素決定的。因此，常規(guī)炮彈成品的氣密性檢測方法有一定約束性，需要適應(yīng)炮彈自身的特征，總結(jié)起來大體如下：

1）炮彈內(nèi)腔具有一定量的體積，火藥裝填具有一定的空隙，空隙間不可避免地保有一定數(shù)量的氣體，氣體壓強應(yīng)與裝配時環(huán)境溫度下的壓強相同；

2）適應(yīng)炮彈整體檢測或局部檢測，檢測部位和待檢測部位的形狀根據(jù)炮彈型號不同而存在差異；

3）炮彈氣密性檢測不能破壞原有炮彈的完整性，檢測手段可重復(fù)進行；

4）炮彈拆裝后，重新裝配仍可執(zhí)行同樣的氣密性檢測；

5）炮彈成品在常規(guī)環(huán)境下即可進行氣密性檢測；

6）針對炮彈批量生產(chǎn)工藝，氣密性檢測需要快捷、便捷、安全、可靠、成本低廉。

1.2 炮彈氣密性檢測方法的基本原理

炮彈成品為含內(nèi)腔的完整封閉體，在實際工況下，正壓法檢測無法用于炮彈成品及倉儲過程。根據(jù)炮彈氣密性檢測的實際需求，文中提出了差壓式負壓檢測方法。負壓法可以方便檢測儀器與被測物的接觸，無需外加力即可連接，而且靈敏度比正壓法高。采用負壓法檢測炮彈氣密性時，需要保證負壓腔抽真空不受炮彈內(nèi)腔原有氣體外泄的影響；需要考慮實現(xiàn)該方法的儀器的側(cè)漏率問題，即需要考慮外界空氣進入儀器對檢測結(jié)果的影響。同時，該方法需要針對具有一定空氣容量的炮彈密封檢測，否則會因為容器內(nèi)泄漏氣體少、測量敏感度低而導(dǎo)致檢測不準。

炮彈氣密性檢測方法的基本原理如圖1所示。測試裝置由聯(lián)接腔、測量腔、基礎(chǔ)腔三個真空腔組成，其體積分別為Q1、Q2、Q3。聯(lián)接腔覆蓋被測對象，內(nèi)裝有真空檢測傳感器1，通過閥門1與測量腔相通，不與大氣環(huán)境相鄰。測量腔包裹聯(lián)接腔并覆蓋被測對象，其形狀和腔體空間根據(jù)炮彈被測部位形狀不同而不同。測量腔與大氣環(huán)境、聯(lián)接腔都密封隔離，腔內(nèi)裝有真空檢測傳感器2，通過閥門2與基礎(chǔ)腔相通?；A(chǔ)腔為一個大的真空腔，腔內(nèi)裝有真空檢測傳感器3，負責真空狀態(tài)的保持，提供工作狀態(tài)所需的真空環(huán)境。傳感器4用于測量工作時的大氣壓力。真空泵和閥門3配合使用，保證基礎(chǔ)腔一直處于一個穩(wěn)定的真空狀態(tài)。閥門3只有在閥門2關(guān)閉狀態(tài)時才準許工作。三個腔的體積關(guān)系如下所示：

圖1 炮彈氣密性檢測裝置原理 Fig.1 Schematic diagram of shell air tightness detection device

檢測方法實施流程如圖2所示。將被測彈藥與測試裝置的聯(lián)接腔連接固定好，打開閥門3，此時測試裝置的聯(lián)接腔和測量內(nèi)的壓力與大氣壓相等。將基礎(chǔ)腔抽至真空狀態(tài)，關(guān)閉閥門3、打開閥門2，此時測量腔與基礎(chǔ)腔真空度相同，通過測量真空度的變化計算測量腔與聯(lián)接腔之間、測量腔與大氣之間的壓差泄漏率。關(guān)閉閥門2、打開閥門1，根據(jù)測量腔內(nèi)真空度的變化情況，判斷檢測部位的氣密性。

圖2 檢測方法實施流程 Fig.2 Implementation flow chart of detection method

2 炮彈氣密性檢測計算

如果炮彈的氣密性很差或是測量裝置的密封性嚴重不足，漏氣會極為明顯，真空檢測傳感器測量值的變化也會非常明顯，很容易判別，無需計算。由于泄漏是通過壓差發(fā)生的，測量腔中的真空度變化要通過一段時間的氣體泄漏量來反映，因此文中的檢測計算針對常規(guī)情況，即炮彈的氣密性問題或測量裝置的密封性問題。

設(shè)定炮彈密封部位的氣密性檢測標準為，在一定的炮彈內(nèi)外壓力差環(huán)境下，在一定時間內(nèi)，標準大氣壓下由炮彈內(nèi)向外泄漏氣體的體積小于規(guī)定值。記為：

式中：Q,pt為由炮彈向外泄漏的氣體體積；p為標準規(guī)定的炮彈內(nèi)外壓力差；t為規(guī)定的泄漏檢測時間；QE為標準中規(guī)定的合格標準氣體體積。

因工程狀況的復(fù)雜性及測量裝置的差異性，為了方便操作和經(jīng)濟性等因素，執(zhí)行時通常選擇大于炮彈內(nèi)外標準壓力差且時間長于規(guī)定時間的參數(shù)，計算出炮彈向外泄漏的氣體體積仍小于標準規(guī)定值，則判定合格。其中，具體的大于炮彈內(nèi)外壓力差值和時間長于規(guī)定時間值要根據(jù)不同測量裝置的工藝狀況給定，需要滿足國標和國軍標的要求。由于測試裝置的安裝條件不同，為了檢驗炮彈氣密性標準是否滿足要求，需要根據(jù)現(xiàn)場的炮彈狀況來計算確定相關(guān)參數(shù)。炮彈密封箱檢測計算的過程如圖3所示，炮彈泄漏氣體量的計算公式在下文中會逐一給出。

圖3 炮彈氣密性檢測計算的過程 Fig.3 Calculation process of shell air tightness detection calculation

2.1 測量腔安裝密封效果的檢驗

儀器在正常工作條件下，由基礎(chǔ)腔維持穩(wěn)定的真空度條件；當基礎(chǔ)腔達不到條件時，由真空泵工作來維持基礎(chǔ)腔中的真空度。在真空泵停止運行的狀態(tài)下進行檢測，打開閥門2，保證測量腔與基礎(chǔ)腔聯(lián)通，其它各閥門均關(guān)閉，測量腔和基礎(chǔ)腔的氣壓值瞬間保 持一致，其計算公式如下：

式中：P準備為打開閥門2時兩腔的壓力；P基礎(chǔ)為基礎(chǔ)腔中維持的壓力；P0為標準大氣壓，可以理解為外界大氣壓力值；Q2、Q3分別為測量腔、基礎(chǔ)腔的體積。當該計算值與此時測量腔中真空傳感器測得的氣體壓力值差別大時，表明儀器裝置未準備好，密封性差，不能進行測試工作。

2.2 測量腔泄漏的壓差泄漏率計算

2.2.1 聯(lián)接腔向測量腔泄漏的氣體量

如果P準備與此時測量腔中測得的氣體壓力值一致，當P準備<

當測量腔與基礎(chǔ)腔連通并保持統(tǒng)一真空度時，為減少基礎(chǔ)腔的干擾，關(guān)閉閥門2，切斷測量腔與基礎(chǔ)腔的連接。保持一段時間T校準，如果存在裝置側(cè)漏問題，測量腔和聯(lián)接腔內(nèi)的壓力傳感器將測得氣壓的相應(yīng)變化，公式為：

式中：Q聯(lián)為由聯(lián)接腔向測量腔泄漏的氣體在標準大氣壓下的氣體量；1,TP校準為聯(lián)接腔最終的氣壓值；Q1為聯(lián)接腔的體積。

2.2.2 測量腔與環(huán)境間的壓差泄漏率

在已知聯(lián)接腔向測量腔泄漏的氣體量的情況下，可以計算得到大氣環(huán)境向測量腔注入的氣體量，如下式：

式中：Q環(huán)境為環(huán)境向測量腔注入的氣體量；P2,T校準為經(jīng)過T校準時間時，測量腔內(nèi)的氣體壓力值。此時由環(huán)境向測量腔泄漏氣體的泄漏率Vt為：

此時，由外界環(huán)境大氣與測量腔的壓差造成的環(huán)境向測量腔氣體泄漏的壓差泄漏率Vtp為：

2.3 測量腔的初始測量壓力值

當計算得到環(huán)境向測量腔氣體泄漏的壓差泄漏率后，打開閥門1并連通聯(lián)接腔和測量腔，當兩腔真空度一致時，可計算得到此時測量腔中的氣體壓力值P2,初始：

如果該計算值與此時測量腔測得的氣體壓力值不一致，表明炮彈泄漏非常嚴重，炮彈氣密性不好。

2.4 炮彈氣體泄漏量計算

如果P2,初始計算值與此時測量腔測得的氣體壓力值一致，且P2,初始<

式中：P2,T測量為保壓T測量后測得的腔內(nèi)壓力值。 計算可知，環(huán)境氣體的注入量為：

因此，炮彈內(nèi)腔氣體的外泄量：

因為測量時的氣壓值與保壓時間都要嚴于標準規(guī)定，所以同等條件下有：

式中：Qp,t為標準條件下炮彈的氣體泄漏量。如果Q外泄＜Qε，表明炮彈測量部位的氣密性達到標準，否則可以判定不合格。

3 總結(jié)

1）提出了基于負壓法的炮彈氣密性檢測方法，測試裝置為由小到大的聯(lián)接腔、測量腔、基礎(chǔ)腔三個真空腔組成，通過測量腔內(nèi)真空度的變化情況，判斷檢測部位的氣密性。此方法的靈敏度比正壓法高。

2）針對工程實際，給出了檢測方法的具體算法，包括測量腔安裝密封性計算、測量腔泄漏的壓差泄漏率計算、測量腔的初始測量壓力值計算、炮彈氣體泄漏量計算等，并給出了氣密性的判定方法。

3）文中的研究是建立在多年實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，該方法的實施將有效保障炮彈氣密性檢驗自動化設(shè)備開發(fā)的效率和有效性，在該方法實施的過程中，尚需對真空度、保壓時長、環(huán)境氣壓等技術(shù)參數(shù)根據(jù)工程需要進行規(guī)范和換算，需要滿足國標和國軍標的要求。