蘇忠亭 李德

1. 陸軍裝甲兵學(xué)院兵器與控制系 北京 100072；

2. 31689部隊(duì) 吉林 四平 136000

引言

國內(nèi)外火炮設(shè)計(jì)師對幾種典型結(jié)構(gòu)的反后坐系統(tǒng)的開發(fā)理論和實(shí)踐已經(jīng)成熟，因此出現(xiàn)了不同類型﹑不同用途的火炮反后坐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似的現(xiàn)象。雖然現(xiàn)在的反后坐裝置已經(jīng)有了較大的發(fā)展，也滿足于現(xiàn)代裝備的需求，但是，國內(nèi)外的火炮設(shè)計(jì)師和專家們對于火炮反后坐系統(tǒng)一直都沒有停止腳步，他們正在研究更簡便更能適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境的反后坐系統(tǒng)，并且不同裝備的反后坐系統(tǒng)的原理﹑作用以及目的效果也是不同的，所以反后坐系統(tǒng)的發(fā)展一直在探索。

對于彈簧式駐退復(fù)進(jìn)機(jī)，由于火炮后坐的能量太大，所以相應(yīng)彈簧的彈性系數(shù)大，造成彈簧質(zhì)量大，彈性系數(shù)大也造成了彈簧很難被調(diào)節(jié)，所以其主要用于部分口徑比較小的炮，因?yàn)檫@種炮后坐力相對較小。彈簧式駐退復(fù)進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，而且彈簧的彈性系數(shù)受到溫度的影響很小，所以說彈簧式復(fù)進(jìn)機(jī)相對于液體式復(fù)進(jìn)機(jī)更加穩(wěn)定，如果沒有特別損傷就不需要經(jīng)常的進(jìn)行檢測。而部隊(duì)?wèi)?yīng)用比較廣泛的大中型火炮主要采用液壓駐退機(jī)和液體氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)組合的反后坐裝置，而液壓駐退機(jī)的工作介質(zhì)為駐退機(jī)，檢查方式比較直觀方便，因此此類反后坐裝置的主要故障主要體現(xiàn)在液體氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)漏氣漏液導(dǎo)致的動作的可靠性﹑密封性等問題，對此類反后坐裝置的技術(shù)要求，除了要求后坐結(jié)束時，后坐部分應(yīng)平穩(wěn)無沖擊的復(fù)進(jìn)到位之外，還要求液量和氣壓應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

隨著科技的進(jìn)步和現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展，火炮反后坐系統(tǒng)這個必不可少的傳統(tǒng)部分也發(fā)生著翻天覆地的變化，比如上置式桿后坐反后坐裝置與下置式筒后坐反后坐裝置，兩者看上去很相似，但是不論是在炮尾的位置還是在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，兩者的差別很大。這也說明了火炮反后坐系統(tǒng)的整體技術(shù)水平，也在慢慢向著更高的水平發(fā)展。

目前火炮智能化數(shù)字化的程度進(jìn)展較慢，裝備的維修保養(yǎng)還在用曾經(jīng)傳統(tǒng)的方法，時代在進(jìn)步，我們原地踏步就相當(dāng)于在退步。國內(nèi)一些油箱內(nèi)的油量檢查用的就是超聲波檢測，再通過單片機(jī)的編程連接指示燈，實(shí)現(xiàn)液量的檢查。地方當(dāng)中很多的超聲波液量檢測已經(jīng)比較成熟，但是在內(nèi)部的很多液量檢查還沒有達(dá)到這種現(xiàn)代化的方式。

1 復(fù)進(jìn)機(jī)液量檢測原理

液體氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)漏氣漏液導(dǎo)致的動作的可靠性﹑密封性等問題，對此類反后坐裝置的技術(shù)要求，除了要求后坐結(jié)束時，后坐部分應(yīng)平穩(wěn)無沖擊的復(fù)進(jìn)到位之外，還要求液量和氣壓應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[1]。復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)液量雖然不能直接測定，但是可以用間接的方法測定。復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)的氣體和液體的總體積恒定且已知，只要測量氣體的體積就可以計(jì)算液量。理想氣體的狀態(tài)方程表示為：

而上述的公式是將氣體看作了理想氣體，而這種理想氣體是考慮質(zhì)量而不考慮體積的，也忽略分子間的作用力。氮?dú)庠趶?fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)液體的溶解度非常的小，所以也忽略了復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)氣體溶解發(fā)生的能量的轉(zhuǎn)化，并且復(fù)進(jìn)機(jī)可以近似地看成一個封閉的空間。此外，由于整個工作過程中，復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部滿足溫度不太低，壓力不太大，故氣室內(nèi)氣體可近似按理想氣體處理。

根據(jù)上面的論述，我們將氣體當(dāng)作理想氣體，不考慮中間過程，只考慮始末狀態(tài)，此時上述的等式成立。我們把實(shí)驗(yàn)的整個進(jìn)程當(dāng)作一個等溫的過程，即T1=T2，得到公式。

這個公式就是波義耳－馬略特定律。這個定律是在假設(shè)時間足夠短溫度沒有發(fā)生變化得到的情況，一些單位仍然在用這樣傳統(tǒng)的方式，其中存在很大的誤差。

2 人工后坐檢測液量方法

人工后坐法是最普遍也是最傳統(tǒng)的復(fù)進(jìn)機(jī)液量檢測方法，該方法的基本思路是測得復(fù)進(jìn)機(jī)剛開始的氣壓P，顧名思義，在人工的向后后坐一段距離，測得后坐后的氣壓P1，這是用測得的兩個數(shù)據(jù)P和P1對照炮尾上的液量檢查表，液量檢查表上面對應(yīng)的位置向下向右延伸交點(diǎn)的位置看是否在兩直線相夾的框內(nèi)，如果在說明液量正常；若不在范圍內(nèi)，看檢查表上分辨出液量是不足還是多余。這種方法后坐﹑讀取數(shù)值和對照表格都是人工操作，存在誤差大的問題，精度也得不到保證，關(guān)鍵已經(jīng)不符合現(xiàn)代這樣快速的戰(zhàn)場環(huán)境。

人工后坐過程，復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部液體在活塞的帶動下會壓縮氣體，因此人工后坐任意距離氣壓液量分析計(jì)算可用氣體分子熱力學(xué)中多變過程的氣體狀態(tài)方程描述。標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)進(jìn)機(jī)氣體體積可以用W0表示，此時氣壓用P0表示。當(dāng)人工后坐任意距離后（后坐長度為L），氣體體積減小為L與活塞工作面積 的乘積，氣體壓力將為P1，系統(tǒng)氣體狀態(tài)關(guān)系為：

其中：n為多變指數(shù)index，可以用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測定。對于具體火炮n為常量。但是不同的火炮﹑不同的后坐復(fù)進(jìn)速度和狀態(tài)下，產(chǎn)生的多變指數(shù)也不盡相同，確定多變指數(shù)的過程比較困難，要求和標(biāo)準(zhǔn)也比較高，當(dāng)設(shè)定好人工后坐距離后，則L已知，相應(yīng)的氣體體積變化率已知，而初壓，末壓可測，再根據(jù)設(shè)定的多變指數(shù)n，即可算出相應(yīng)的氣體容積W即：

復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)液量的偏差ΔV 可由氣體容積的偏差反應(yīng)出來，即：

如果ΔV為正值，說明復(fù)進(jìn)機(jī)液量多余標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的液量；反之，計(jì)算結(jié)果ΔV為負(fù)值時，液量少于標(biāo)準(zhǔn)。

人工后坐檢測技術(shù)可以在盡量不放出氣體的情況下對氣壓液量進(jìn)行檢測，但目前存在的問題主要有后坐距離長，需要的力量大，不同種類火炮在進(jìn)行人工后坐時，設(shè)備安裝困難，勞動強(qiáng)度大。目前人工后坐檢測方法費(fèi)時﹑費(fèi)力，工具數(shù)量多，工作效率低，檢查結(jié)果誤差較大的問題，將傳統(tǒng)指針式氣壓表改進(jìn)為壓力傳感器，并將裝備上附帶的復(fù)進(jìn)機(jī)液量氣壓檢查表制定成電子數(shù)據(jù)，依據(jù)波義耳－馬略特定律，在一定的后坐距離范圍內(nèi)，求解不同后坐距離上的復(fù)進(jìn)機(jī)末壓，并進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，從而可以實(shí)現(xiàn)不同后坐距離的人工后坐液量檢測，提高適用性與測試精度。人工的后坐越來越不符合時代的要求。

3 放氣式液量檢測方法

放氣式氣壓液量檢查方法中，使用檢查筒作為放出氣體的容器，其內(nèi)部容積體現(xiàn)的是氣體容積變化量。

放氣過程中，氣體屬于增容過程，因此放氣式氣體狀態(tài)變化規(guī)律可用氣體分子熱力學(xué)中多變過程的氣體狀態(tài)方程描述。復(fù)進(jìn)內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)氣體體積我們用W0表示，這時候的氣壓我們用表示。當(dāng)檢查筒接入系統(tǒng)后（檢查筒容積為ΔW），氣體體積增加為W0+ΔW，氣體壓力將為P1，系統(tǒng)氣體狀態(tài)關(guān)系為：

其余計(jì)算方法與人工后坐時一致，最終可算出相應(yīng)的氣體容積W即：

這種方法在坦克炮實(shí)際操作中很常見，相對分析和計(jì)算的方法也比較成熟。放氣法看上去方便快捷，而且不用花費(fèi)那么多的人力物力，操作也相對簡單，但每次使用此方法的時候會放出氣體，同時也會帶出少部分液體，不利于液量的保持[2]。此外，簡易檢測的原空氣參與末壓試驗(yàn)引入誤差，人工量取助推液的過程也引入誤差，整體精度不高。但這種方法遇到的最大的問題就是適用范圍比較窄?；鹋诳趶接纱蟮叫。瑥?fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)液量和總?cè)莘e也大小不一。在總?cè)莘e相差較大的情況下，要實(shí)現(xiàn)放氣式檢測技術(shù)的通用化，必須保證采用的擴(kuò)容檢查筒容積要固定，這就要求多變指數(shù)計(jì)算要準(zhǔn)確，同時數(shù)據(jù)采集精度要高，在傳感器選型﹑標(biāo)定試驗(yàn)臺﹑調(diào)理電路﹑數(shù)字濾波上充分設(shè)計(jì)論證，并進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證。

目前放氣式氣壓液量檢測方法零部件適配性差﹑傳感器與數(shù)顯表零位標(biāo)定復(fù)雜﹑故障率高等問題，擴(kuò)展適用范圍，研究不同型號火炮復(fù)進(jìn)機(jī)在氣體擴(kuò)散過程中的不同的摩爾比熱容與多變指數(shù)所帶來的不同的熱力學(xué)特性，提高測試精度。優(yōu)化壓力傳感器，優(yōu)化液晶顯示屏幕與數(shù)據(jù)顯示儀表，提高檢測設(shè)備可靠性與適配性。

4 放液式復(fù)進(jìn)機(jī)液量檢測方法

把復(fù)進(jìn)機(jī)中的液體放入一定體積的小氣瓶中。放出液體后，氣體充滿了整個空間，壓力與體積也隨之改變。觀察壓力值的變化，計(jì)算液體體積。測量再將液體充回復(fù)進(jìn)機(jī)使得液量不變。助推液被推入小氣瓶的過程中，氣體所占的體積變大壓強(qiáng)降低，這時候氣體壓著液體對其做功，會產(chǎn)生一定的溫度變化，但是這個過程是緩慢進(jìn)行的，所以我們忽略熱量的變化，所以放液法也滿足之前說過的檢測原理。這種方法步驟簡單易于操作，從而增加了工作的效率。這對于后坐很難的所有種類的火炮都有意義。

5 阻力式氣壓液量檢測法

人工后坐與放氣式氣壓液量檢測方法需要打開開閉桿放出部分氣體，從而導(dǎo)致氣體不足的弊端，研究復(fù)進(jìn)機(jī)力的變化規(guī)律及其與復(fù)進(jìn)機(jī)氣壓液量的對應(yīng)關(guān)系，通過檢測復(fù)進(jìn)機(jī)在一定距離上后坐，形成的復(fù)進(jìn)機(jī)阻力的變化規(guī)律，提取復(fù)進(jìn)機(jī)阻力的特征數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)，評估復(fù)進(jìn)機(jī)氣壓液量的偏差。

液體氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)在后坐過程中，活塞與內(nèi)筒內(nèi)壁的相互作用，帶動助推液壓縮氣體，使得氣體通過外筒與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換，氣體壓力對活塞的作用就是復(fù)進(jìn)機(jī)阻力P1，一般用多變過程來描述。

復(fù)進(jìn)機(jī)阻力P1與初壓P0﹑氣體初體積W0﹑活塞工作面積Af﹑后坐距離L﹑氣體多變指數(shù)n有關(guān)，而活塞工作面積Af在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初即已經(jīng)確定，初壓P0可通過壓力傳感器測定，后坐距離L已設(shè)置，氣體多變指數(shù)n計(jì)算完畢后，即可明確復(fù)進(jìn)機(jī)阻力P1與氣體初體積W0的關(guān)系。

6 液量檢測方法分析對比

論文對復(fù)進(jìn)機(jī)氣壓和液量的檢測進(jìn)行了必要性分析，然后對人工后坐式氣壓液量檢測方法﹑放氣式氣壓液量檢測方法﹑復(fù)進(jìn)機(jī)阻力式氣壓液量檢測方法等常用的液量檢測方法進(jìn)行了具體分析。在這三種常用的檢測方法中，人工后坐是法定的檢測方法，也就是在出廠時，由生產(chǎn)廠家指定的檢測方法，檢測過程中不會大量漏氣漏液，在安裝氣壓表或帶壓力傳感器的三通管時所泄漏的氣體可以忽略不計(jì)。放氣式液量檢測方法在使用單位中普遍反映較好，安裝方便快捷，設(shè)備輕便，操作使用比較簡單，檢測精度比較高，放液式液量檢測方法使用操作比較耗時耗力，緩慢進(jìn)行的過程中，溫度變化比較小，所以檢測精度也比較高。但是這些方法也有其突出的確定，其中[3]，①人工后坐式氣壓液量檢測方法，目前人工后坐檢測方法費(fèi)時﹑費(fèi)力，工具數(shù)量多，工作效率低，檢查結(jié)果誤差較大的問題。②放氣式氣壓液量檢測方法，目前放氣式氣壓液量檢測方法零部件適配性差﹑傳感器與數(shù)顯表零位標(biāo)定復(fù)雜﹑故障率高等問題。③復(fù)進(jìn)機(jī)阻力式氣壓液量檢測方法，人工后坐與放氣式氣壓液量檢測方法需要打開開閉桿放出部分氣體，從而導(dǎo)致氣體不足的弊端，研究復(fù)進(jìn)機(jī)力的變化規(guī)律及其與復(fù)進(jìn)機(jī)氣壓液量的對應(yīng)關(guān)系，通過檢測復(fù)進(jìn)機(jī)在一定距離上后坐，形成的復(fù)進(jìn)機(jī)阻力的變化規(guī)律，提取復(fù)進(jìn)機(jī)阻力的特征數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)，評估復(fù)進(jìn)機(jī)氣壓液量的偏差。