高频冲击作用下高阻尼气液缓冲装置动态仿真

戴劲松，刘 振，王茂森，苏晓鹏

(1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094;2.长安工业有限责任公司，重庆 400023)

缓冲装置是高射速及超高射速自动炮的主要装置之一，对于新一代小口径高射速自动炮来讲，减小后坐力和保持其力值稳定对武器的射击稳定性至关重要。尤其对大范围变射速高射速自动炮，如何对其后坐及复进特性进行有效缓冲控制是目前小口径高射速自动炮领域研究的重要内容[1]。目前适应于高射速和超高射速自动炮后坐力缓冲及控制的有效途径之一是基于最佳后坐力控制(FORC)原理的缓冲装置，该缓冲装置采用浮动原理通过阀孔系统来实时控制自动炮的后坐与复进，实现浮动射击，对提高射击精度有重要作用[2]。其工作时主要以流体为工作介质，内部流场非常复杂，同时由于其工作介质的特性受温度影响，所以温度对该缓冲装置的浮动稳定性也有一定的影响，而在以往的研究过程中对温度的考虑并不多，因此为深入研究该缓冲装置的工作特性，有必要探讨温度对其工作的具体影响，并对缓冲装置在工作时候内部的流场情况进行进一步的研究。

1 最佳后坐力控制理论

某样机的FORC缓冲装置如图1所示，当击发后，火炮后坐部分带动液压筒主活塞一起后坐。在液压筒活塞的作用下，液压腔Ⅰ中的液体受到挤压而压力升高，差控阀打开，液体大部分经过差控阀孔和复进节流阀的中心流液孔进入液压筒Ⅱ。流入液压腔Ⅱ的液体带动气液活塞运动，压缩气压腔中的气体，气压腔存储能量。由于气压腔的气压是在后坐开始时低后坐结束时高，而液流所形成的液压阻力以及气液活塞的惯性力却是后坐开始时高后坐结束时低，因此通过设计合理的差控阀可以使得这两部分的力正好互相补偿，即差动补偿原理[3]，从而控制后坐过程中的后坐力近似为恒值，实现FORC所要求的特性。

2 FORC缓冲装置内部流场特性分析

FORC缓冲装置在工作时内部流场非常复杂，其主要表现在如下几个方面[4]：

1)非定常流动。缓冲装置内部的缓冲液在十几毫秒内从静止状态加速到每秒百米计的最大速度，先加速，然后再反向流动，流动的变化非常剧烈，为非定长流动。

2)三维流动。缓冲装置的结构决定了其内部液体的流动为三维流动，流体流动的通道不仅有截面的变化，还有转折、分叉和汇合。

3)运动边界。在工作时其零件之间有相对运动，使得流场的边界是运动的，流场的区域是变化的。

4)高雷诺数湍流。在差控阀及复进节流阀处液流的雷诺数最高可达上百万，形成高雷诺数湍流。

因此通过对其特点的分析，可以从不同角度考虑，对缓冲装置内部流场进行仿真。

3 温度场模型

在缓冲装置工作时，主活塞的部分后坐动能先转为液体动能和气体势能，液体的动能中有一部分由于黏性阻尼力的作用将转换为热能。其产生的热能一部分由散热而损失，大部分热能将使缓冲液和金属温度升高[5]。在计算温度的变化时由于时间比较短，因此近似认为后坐与复进的液压阻尼力所作的功全部变为液体与金属的热能，使其温度升高，而把后坐与复进时的摩擦阻力所做的功变为热能通过热的传播散失则单发射击时产生的热量如下式所示:

(1)

式中:Cd1为差控阀流量系数;ρ为缓冲液密度;Vs为主活塞速度;AT1为主活塞面积;E为液压阻尼力;Ash、Asf分别为差控阀后坐与复进时的等效流通面积;A1、A0分别为液流收缩前后的液流截面积;Feh、Fef分别为后坐与复进时的液压阻尼力。

当连续射击n发时产生的热量Q及温度升高值Δt如下式所示：

(2)

式中:η为散热系数；c1、c2分别为缓冲器及缓冲液体的比热容;m1、m2为缓冲器质量和缓冲液的质量。

4 流场数值模拟及分析

根据建立的计算模型在常温条件下取射速为4 500发/分对缓冲装置进行数值仿真，内部流场仿真结果如图2 所示，从图中可以看出t=1 ms时，缓冲装置加速后坐，小孔附近压力差比较大，缓冲液向后流动，气压腔压缩，腔室内压力快速升高，此时差控阀左侧近似为层流流动，右侧开始逐渐发展为涡流场。当t=3 ms时，差控阀右侧完全发展为涡流流动，小孔附近压力差值达到最大，腔内压力继续上升，主活塞坐速度达到最大。t=16 ms时一次后坐复进已经完成，差控阀两侧都已经充分发展成涡流场，此时差控阀两侧压力差也比较大。

同时通过图中看出，流体在通过小孔时产生的涡流场具有很强的压力衰减性，这就是差控阀在缓冲装置中压力调节作用实现的原理，也是FORC缓冲装置缓冲性能实现的主要原理。

通过仿真实时求取后坐力随时间变化的情况，并与试验结果对比如图3所示，从图中可以看出射击完成后缓冲装置后坐力迅速上升，在0.1 s后其后坐力在30 kN附近浮动，其仿真结果与实验情况能较好的吻合。

5 温度对缓冲装置的影响

温度对缓冲特性的影响主要从两个方面考虑，环境温度与射击过程中液压阻尼力引起的温升。在常温条件下通过温度场模型求解35连发射击过程中其温度随时间的变化关系如图4所示，通过图中可以看出随着射击的进行缓冲装置内的温度逐渐上升，其内部温度由20°上升到32°左右，温度升高比较明显。

因此综合考虑环境温度和缓冲装置内部温升情况在高温(60°)及低温(-40°)条件下对某高射速自动机缓冲装置进行仿真，缓冲液体选用斯切奥尔-M，得出自动机后坐与复进过程中位移随时间的变化关系并与试验情况进行对比，射速为4 200发/分时其仿真结果与试验情况如图5所示。

从图中可以看出其最大后坐位移控制在12 mm以内，并且在开始时刻后坐位移波动范围比较大。通过高温与低温后坐曲线对比分析可以看出，射击稳定后在高温条件下其最大后坐位移可以在5 mm左右浮动，而在低温条件下随着射击的进行后坐位移逐渐加大，这是因为缓冲装置液压阻尼系数在低温环境下比较敏感，受温度影响比较大，因此随着液压阻尼系数的降低缓冲装置的后坐位移逐渐加大。

高温条件下当温度升高到70℃以后基本上液压阻尼系数降低到一个较小的稳定值附近，而后阻尼系数变化很小，因此缓冲装置的后坐运动也比较稳定，从而能够实现一个稳定的浮动。由于仿真过程中将缓冲液流动考虑为不可压缩流动，并且认为气压腔和液压腔已经完全密封隔离，但实际试验中缓冲液在流动过程中由于温度的升高有膨胀现象，并且在恶劣工作环境下气压腔还有可能出现渗漏现象，因此仿真曲线与实验测试结果有一定差异。

6 结 论

本文通过对基于最佳后坐力控制的精确缓冲装置进行动态仿真及在不同温度环境下的仿真与试验情况对比得出以下结论：

1)通过仿真分析及试验情况说明通过基于计算流体力学的方法对缓冲装置内部流场进行仿真分析能较好的反应其工作时特性，其仿真情况可以对结构参数的优化提供参考。

2)环境初始温度和射击过程中引起的温升对缓冲装置的工作有一定影响。通过仿真和实验说明在低温环境下的浮动位移是高温环境下的1.4倍，并通过仿真分析一次35连发的射击可以引起的温升约12 ℃。因此在以后的长连发射击试验时必须针对其温度升高情况考虑应对方案，例如增加缓冲装置的热容量，使用对温度敏感度较低的缓冲液或采取冷却措施等。

[1] 黄君政,戴劲松.三种缓冲装置减小后坐力的分析和比较[J].弹道学报,2006,18(2),40-43.

HUANG Jun-zheng,DAI Jin-song.Comparison of decreasing recoil force using three buffers[J]. Journal of Ballistics, 2006,18(2),40-43.(in Chinese)

[2] 戴劲松，王文中.内源式FORC差动补偿原理[J],火炮发射与控制学报，1998(2)：1-4.

DAI Jin-song,WANG Wen-zhong.The differential compensation principle of FORC[J].Journal of Gun Launch & Control,1998(2)：1-4.(in Chinese)

[3] 马福球,陈运生.火炮与自动武器[M].北京:北京理工大学出版社,2003.

MA Fu-qiu, CHEN Yun-sheng.Artillery and automatic weapons[M].Beijing: Beijing University of Technology Press,2003.(in Chinese)

[4] 申正宾.自动武器架座设计[M].北京:国防工业出版社,1988.

SHEN Zheng-bin.Design of automatic weapons mountings[M]. Beijing: National Defense Industry Press,1988.(in Chinese)

[5] 高树滋，陈运生.火炮反后坐装置设计[M].北京:兵器工业出版社.1994.

GAO Shu-zi,CHEN Yun-sheng.Design of recoil system for guns[M].Beijing: Teh Pubishing Hoase of Ordnance Industry,1994. (in Chinese)