火炮制退机压力测试中的异常现象分析

杨玉栋,张培林,傅建平,田 铖,吴晓明

(1.军械工程学院 一系,石家庄,050003;2.武汉军械士官学校 四系,武汉,430075)

1 传统理论对制退机压力的预测

传统反后坐理论基于非工作腔真空段假设,认为火炮复进前期是真空段排除过程,非工作腔不提供复进阻力,由复进节制腔提供的复进阻力小于复进剩余力,因而是复进加速时期;真空段排除后,制退液在制退杆活塞挤压下流回工作腔,产生很大的液压阻力,使得复进液压阻力大于复进剩余力,复进开始减速[1]。目前,火炮制退机内流场仿真也沿用这一假设[2],然而,实际测试结果与上述理论并不相符。

2 制退机压力测试中的异常现象

笔者利用安装在制退机注液孔处和制退杆末端的压力传感器分别对火炮发射时的制退机非工作腔压力和复进节制腔压力进行了测量,测量结果与传统方法计算结果的对比如图1、图2所示(该型试验火炮后坐时间约为0.15 s,复进时间约为0.7 s),图中,p2为非工作腔压力,p3为复进节制腔压力。

测试复进节制腔压力时,压力传感器采用文献[3]中沿制退杆径向安装的方法,排除了液流压力波叠加效应可能带来的影响。

图1 制退机非工作腔压力

图2 制退机复进节制腔压力

由图1可见,在后坐最初阶段传感器测量到一个约2.1 MPa的压力峰值,持续约0.02 s。这是由于该型试验火炮的制退机注液孔与制退筒末端有一定距离,在后坐初期该位置位于工作腔中,传感器测量到的是工作腔压力,还未等压力达到最大值,传感器已越过制退机活塞,开始测量非工作腔内压力。

分析可知,该压力测试结果有三点异常:①通常认为,火炮复进至真空消失点时,制退液回流会产生一较大的液压阻力,导致非工作腔压力迅速升高。然而实测非工作腔压力并未出现急剧升高,这与传统理论不符。②非工作腔压力在0.45 s(对应的复进时间约0.3 s,复进位移约0.48 m)处出现一短暂的小幅度升高,但是该时刻明显滞后于制退机“真空消失点”(该型火炮后坐位移670 mm时“真空消失点”约在复进行程0.19 m处,对应复进时间约为0.154 s),且该压力峰值仅有约0.38 MPa,远小于该时刻非工作腔压力计算值1.33 MPa,与传统理论不符。③实测的复进节制腔压力明显高于传统反后坐理论计算值。

使用不同传感器进行多次测试,结果表明,上述异常现象并非由传感器故障或数据采集误差引起,如系测量误差,不应如此规律且具有重复性。要解释这些异常现象需要对火炮发射过程中的制退液实际动态特性进行研究。

3 非工作腔内制退液空化研究

制退液空化泡的力学特性不同于制退液,有可能导致制退机压力测试异常。以往关于制退液空化的研究大多集中在空化泡溃灭对节制环的微观物理破坏机理和空蚀效应上,对制退液空化泡的宏观力学特性鲜有研究[4-5]。

制退液空化机理、空化过程和制退液空化泡溃灭过程分析,以及非工作腔超声空化检测原理与方法参见文献[6]。试验结果表明,后坐结束时,非工作腔内的制退液已经完全空化,制退液空化泡使制退筒与制退液交界面处的声压反射率升高,且从后坐开始至复进结束,该值经历了一个从低到高,再从高到低的完整变化过程,其变化趋势与火炮后坐和复进时间完全吻合。笔者在调整火炮射角并改变超声探头安装位置后,将该试验重复多次,得到的结果并无明显差异。

4 制退机压力测试异常原因分析

4.1 非工作腔压力测试异常原因分析

传统反后坐理论认为,火炮复进至“真空消失点”时非工作腔会产生一较大的液压阻力,根据制退机结构与复进速度估算该压力峰值约为3.04 MPa;然而,实测非工作腔压力在“真空消失点”并没有升高。超声探头接收的回波能量值逐渐减小意味着制退液空化泡是在向工作腔回流时逐渐溃灭的,并不提供液压阻力。

分析认为,非工作腔压力在火炮复进约0.32 s(对应复进位移约0.48 m)时出现的小幅度升高现象并不是由制退机活塞挤压制退液回流造成的。这一小幅度压力升高或与复进节制腔回流的制退液流逆行射入非工作腔中有关,因为此时火炮复进速度约为1.23 m/s,且制退机节制环流液孔与安装在制退机注液孔处的压力传感器很接近。据估算此时复进节制腔回流的制退液流速可达41.9 m/s,当其通过节制环流液孔射入非工作腔后会对传感器表面造成冲击,产生的动压力被记录为非工作腔压力。随着复进速度的减小,逆行制退液速度随之下降,该动压力值也很快下降。待制退机活塞越过注液孔之后,此时传感器重新开始记录工作腔压力,该值基本为零。也就是说,火炮发射过程中制退机非工作腔内始终都维持在低压状态,这与文献[1]中的“在整个复进过程中,制退机中的真空并没有消失,只有当火炮后坐部分复进到位时,制退机中由于制退杆全部插入制退筒内而使真空最后消失”的描述相吻合,但是文献中关于“真空段”和“真空消失点”的描述不太准确。该文献还指出,“复进时,制退机活塞的移动使非工作腔的体积减小,非工作腔的真空逐渐消失,而工作腔的体积逐渐增大,真空由非工作腔逐渐转移到工作腔”。由于笔者并未测量复进时工作腔的压力,无法断言这一真空转移过程是否存在,但是“非工作腔真空逐渐消失”就意味着非工作腔内一直保持低压,这与文献中“制退机真空消失点处突然增加了一项制退机复进液压阻力”的描述相左,综合分析可知,本文提出的制退液空化泡溃灭方式更加符合实际情况。

4.2 复进节制腔压力测试异常原因分析

火炮复进时,复进节制腔压力实测值明显高于传统理论计算值。从制退液空化的角度分析,这一现象不难解释:传统反后坐理论中假设了非工作腔内“真空段”的存在,并推断非工作腔在排除真空后会提供一较大的复进液压阻力,该阻力是根据此时的复进速度与制退机结构计算得出;而由4.1节中的分析可知,复进时非工作腔并不提供液压阻力,复进阻力计算中本应由非工作腔提供的那一部分液压阻力,只能由增加的复进节制腔液压阻力来补偿,因此实测复进节制腔压力高于传统理论预测值。

5 制退液空化对火炮制退机性能的影响分析

5.1 制退机复进液压阻力系数的实际取值分析

用传统方法计算带沟槽节制杆式制退机非工作腔和复进节制腔压力时,主流液压阻力系数一般取1.3到1.5之间,支流液压阻力系数一般取主流液压阻力系数的3到4倍。然而,实测的非工作腔压力远低于主流液压阻力系数取较小值1.3时的理论计算值,复进节制腔压力则高于支流液压阻力系数取最大值6时的理论计算值。为提高火炮复进计算精度,笔者对复进液压阻力系数实际取值进行了分析。

根据4.1节的分析可知,传感器接收到的压力信号是制退液流产生的动压,实际上非工作腔内压力非常低,受传感器测量精度所限,未能测量出该压力的精确值,但结合制退液空化机理可推断该值应为制退液的饱和蒸汽压5.69 kPa。由于制退机非工作腔的压力预测值约为3 MPa;远大于5.69 kPa,因此,在复进计算时,制退机主流复进液压阻力系数建议取0。本文中的制退机支流液压阻力系数K2可根据实测的火炮复进速度值和复进节制腔压力值进行折算,采用最小二乘法拟合后所得的阻力系数为6.622 8,大于文献[1]中给出的最大取值6,约为主流后坐液压阻力系数的4.4倍。

5.2 考虑制退液空化的火炮复进运动计算

由于火炮复进过程中并没有排除真空段后突然增加的非工作腔液压阻力,为了找出火炮复进由加速变为减速的原因,笔者用Matlab编程计算了火炮复进合力F,并将传统方法计算值和本文方法计算值进行了对比,如图3所示,图中,tf为复进时间。

图3 火炮复进合力曲线

分析图3可知,传统方法得出的复进合力在约0.154 s处突然降低,火炮复进由加速变为减速;根据本文方法计算出火炮复进合力在复进约0.189 s时减小到0,随后复进才变为减速运动。因此火炮复进由加速变为减速是由于复进速度的增加与复进沟槽流液孔面积的缩小使得复进液压阻力超过复进剩余力导致的。

图4为2种不同方法得出的火炮复进速度vf与实测速度的对比。

如图4所示,根据传统方法计算得出火炮在复进约0.154 s时达到最大复进速度1.88 m/s,复进到位速度约为0.166 m/s;根据本文方法计算得出火炮在复进约0.189 s处达到最大复进速度1.87 m/s,复进到位速度约为0.149 m/s;实测的火炮复进速度在复进约0.184 s处达到最大值1.87 m/s,复进到位速度约为0.131 m/s。对比可知,根据本文方法计算出的复进速度值与实测值更为接近。

图4 火炮复进速度曲线

6 结论

①火炮复进时制退机非工作腔不提供液压阻力。

②火炮复进由加速变为减速并不是由于“真空消失点”处突然增加的非工作腔液压阻力,而是由复进速度的增加与复进沟槽流液孔面积的缩小使得复进液压阻力超过复进剩余力导致的。

③对于本文所研究的制退机,其主流复进液压阻力系数取0,支流复进液压阻力系数取主流后坐液压阻力系数的约4.4倍时,计算出的火炮复进速度与实测速度具有更好的一致性。该系数的取值方法可以推广到其它采用节制杆式制退机的火炮复进计算中。

本文采用的空化超声检测方法可为密闭液压阻尼机械中的空化研究提供一种新的思路。

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