火炮复进机液量自动变容放液测试方法研究

张本军， 郑立评， 李 玥， 韦有民

(军械工程学院， 河北 石家庄 050003)

火炮复进机液量自动变容放液测试方法研究

张本军， 郑立评， 李 玥， 韦有民

(军械工程学院， 河北 石家庄 050003)

为使复进机液量检测精度与效率较好地统一， 基于基本原理， 构建了满足精度要求时需放液量与火炮种类、 复进机自身状态及测试设备误差之间关系的数学模型； 依据该模型， 设计了自动变容放液测试系统； 经与目前部队使用的液量检测设备比较， 验证了所设计系统的先进性， 为部队快速、 准确地测试复进机液量提供了方法和手段； 所构建的数学模型， 能够指导放液式液量检查设备的精度研究.

复进机； 液量检测； 放液法； 自动变容

0 引 言

复进机是火炮关键件之一， 其主要功能是为射击后的火炮后坐部分复进提供能量及保持炮身在任何仰角不会下滑， 这就要求复进机需储存能量. 现代大、 中口径火炮多采用液体气压式复进机[1]， 液体用于密封， 气体为储能介质. 在火炮存储、 使用及保养过程中， 复进机气体、 液体会发生变化， 致使复进机不能正常完成相应机构动作. 因此， 复进机的气压、 液量检查是火炮射前技术检查的必检内容.

复进机液量检查实质上是检查一个密闭容器中液体的容积， 针对这个问题的研究多集中在对液面或液位的检测上， 如K Brajesh利用磁致伸缩液位传感技术检测液体液面[2]； 侯钰龙、 D Sengupta等人利用光纤液位传感技术测试、 监控液体液面[3-5]； V.B. Zhukov、 张朋、 刘迎新等人利用声波测试液体液面[6-8]； Frank May利用机械共振测量密闭空间挥发性强的液体的液位[9]， 通过对液面或液位的测量， 进而可求得液体容积， 这些检测手段和方法为复进机液量检查设备的开发和研制提供了很好的思路， 但受战场环境、 技术条件及测试对象复杂性的限制， 上述技术开发的检测设备很难广泛应用于部队， 目前在研和使用的液量检测设备基本上都是基于玻意耳-马略特定律开发的[10-13]. 为了便于编制液量检查表或开发相应程序， 上述设备大部分是基于定容开发的， 即气体的压缩量和膨胀量为一定值， 这样造成的后果是效率和精度没有较好地统一. 有些文献研究了变容放液法[14]， 但其变容是依据不同的炮种压力变化0.1 MPa时放液量不同而进行展开的， 而不是以测试精度为出发点进行分析研究的， 且没有考虑复进机自身的状态.

基于此， 本文从测试基本原理出发， 推导满足精度要求时需放液量与火炮种类、 复进机自身状态及测试设备误差之间的函数关系， 研究自动变容放液实现的方法和手段， 以便为高效准确地检测复进机液量提供保障.

1 放液量的确定

图 1 复进机结构示意图Fig.1 Sketch of recuperator structure

如图 1 所示为一复进机示意图， 图中A区域与大气连通， 活塞与复进杆固接. 复进机内充满液体和气体， 液体用于密封气体， 气体用于存储或释放能量. 后坐时， 复进杆与内、 外筒产生相对运动， 压缩复进机内气体， 储存能量； 复进时， 气体膨胀， 释放能量， 迫使复进杆或外筒带动后坐部分复进到位.

火炮复进机液量检查一般在常温下进行， 气室内压力不高， 所以复进机内气体可按理想气体处理[15]； 液量检查过程时间较长， 系统可以充分热交换而保持等温， 因此可以认为气室内气体满足玻意耳-马略特定律， 即

W气=W总-W液，

(2)

式中：P1为复进机内初始压强，W总、W气和W液分别为复进机内腔总容积、 气体体积及液体体积.

当放出容积为W变的液体之后， 复进机内气体容积增加W变， 气体的压强则变为P2， 且P1，P2之间存在如式(3)关系

P1(W总-W液)=P2(W总-W液+W变).

(3)

确定体积改变量之后， 测出P1，P2； 由于内腔容积已知， 则可由式(3)计算出W液

W液=W总

令W标为复进机标准液量， 则需要补充的液量为

W补=W标-W液.

(5)

在式(4)中，W总为复进机结构参数， 是与火炮的类型相关的已知量；P1，P2和W变均为测量值， 不可避免地存在测量误差， 令ΔP1， ΔP2， ΔW变分别为它们的测量误差， 则复进机内真实的液体量为

(6)

按照式(5)计算结果进行注液， 则注液后复进机内腔实际的液体量为

W实=W标-W液

此时， 由于测量过程中误差引起的复进机内液量的误差

式中：X=(P1,P2,W变, ΔP1, ΔP2, ΔW变). 结合式(4)可得： 放液量确定的依据是选取合适的W变使得f(X) 满足复进机液量精度的要求， 即

W标-W上≤f(X)≤W标-W下，

(9)

式中：W上，W下分别为液量标准的上限和下限， 对于确定型号的火炮这两个值是确定的. 只要式(8)的极值满足式(9)， 则放液量就满足精度的要求， 选择此时的最小放液量即为要确定的放液量. 这样， 上述问题就转化成数学上的求极值问题. 式(8)中， ΔP1， ΔP2， ΔW变为测量误差， 与X中其它参数不相关， 又因为其主值测量为独立测量， 所以3者之间也不相关.f(X)对3者求偏导， 可以得到

以上各种误差的范围在测试设备标定自身精度时可以得到， 且其最大值和最小值符号是相反的. 令mi(i=1,2,3)分别代表ΔP1， ΔP2和ΔW变的最大值，ni(i=1,2,3)分别代表ΔP1， ΔP2和ΔW变的最小值， 则有mi≥0，ni≤0. 在实际测试过程中， (W变+ΔW变) >0， (P2+ΔP2)>0， (P1+ΔP1)>0， 且|P2-P1|≫|ΔP2-ΔP1|. 显然由式(10)可得f(X)是关于ΔP1的单调减函数， 由式(11)可得f(X)是关于ΔP2的单调增函数， 由式(12)可得f(X)是关于ΔW变的单调增函数. 所以

f(P1,P2,W变

P1，W液为复进机内液体两个不相关初始状态，W变是液体变化量， 也与P1，W液不相关， 所以由式(3)可得P2对P1的偏导数为

f(X)对P1求偏导， 并将式(15)带入后可得

(16)

将式(13)的误差值代入式(16)可得g(X)<0， 说明f(X)的最大值函数关于P1单调减， 所以P1最小值时，f(P1,P2,W变,m1,n2,n3)是f(X)关于W液和W变的最大值函数.

将式(14)的误差值代入式(16)可得g(X)>0， 说明f(X)的最小值函数关于P1单调增， 所以P1取最小值P1n时，f(P1,P2,W变,n1,m2,m3)是f(X)关于P2和W变的最小值函数.

依据式(3)可以求得P2对W液的偏导数为

令d(X)为f(X)对W液求偏导的函数， 并将式(17)带入化简后可得

依据式(3)可得

将式(19)代入式(18)可得

将式(13)、 式(14)两组参数代入式(20)， 可得

说明b(P2)为关于P2的单调增函数， 所以

说明c(P2)为关于P2的单调增函数， 所以

综合以上分析可知， 满足式(9)精度要求的液体放出量W变与复进机总容积W总、 复进机气体初始压力P1及初始液量W液均有直接的关系. 复进机总容积与炮种相关， 是设计参数； 复进机气体初始压力和初始液量平常处于一个范围， 这个范围可以通过查阅相关种类火炮技术资料获取.

当采用定容放液法放液时， 针对每种火炮需依据气体初始压力和初始液量平常范围的最小值， 利用式(9)求出放液量的最小值， 而后选出这些火炮中放液量的最大值做为最终放液量， 显然， 这种放液方式保证了测试精度， 但牺牲了测试效率. 如若采用依据炮种确定放液量时， 可根据各炮种气体初始压力和初始液量平常范围的最小值， 求得自身的放液量， 这种方式考虑了复进机总容积的影响， 提高了测试的效率， 但没有考虑复进机初始状态的影响， 还未达到效率的最优， 效率最优的是采用自动变容放液的方法.

2 自动变容放液测试系统设计

图 2 自动变容放液测试过程图Fig.2 Detection procedure of automatic modulation liquid volume exhaust

复进机液量测试过程中， 气体初压可直接测出， 液量是通过测量放液量及放液后压力求得， 而放液量则是变容设计的目的. 因此， 在初始测量时， 无法通过气体初压、 液量和精度计算放液量. 由第1节分析知， 液量处于平时状态最小值时， 测试误差可达到最大值和最小值， 因此可利用此值预估放液量.

测试过程中， 复进机内部与外部有明显压力差， 易于放液而不易于注液. 因此， 选择了如图 2 所示的自动变容放液过程， 其基本思路是： 测量复进机初始压力， 结合该类型火炮复进机平时液量的最小值， 依据式(9)、 式(13)和式(14)计算满足精度要求的最小放液量V1； 根据第1节的分析， 该放液量大于最优放液量， 因此， 先放出50%的V1， 测量此时复进机的压力， 结合初压可以计算出复进机内一个液量值； 将这个液量值与初压重新利用式(9)、 式(13)和式(14)计算满足精度要求的最小放液量； 将此时计算的放液量与已放出液量相比较， 如果小于已放出的液量， 则说明测试结果已满足精度要求； 如果大于已放出的液量， 则将继续放液到该值， 测量此时复进机的压力， 重复上述过程.

依据图 2 的测试过程， 设计自动变容放液测试系统， 其结构原理如图 3 所示. 整个测试系统基于虚拟仪器进行设计， 以LabWindows/CVI为系统软件开发平台， 将各种型号火炮所需参数录入开发的软件中； 硬件上， 分别选用CYYB-110型压力传感器、CYYB系列差压式液位传感器以及PM512型高精度数据采集卡. 将设计的系统在计量站进行压力和液量精度检定， 压力测试精度为[-0.001MPa, 0.001MPa]， 液量测试精度为[-0.001L, 0.001L]， 将最大值和最小值分别输入开发的软件中.

图 3 自动变容放液测试系统结构原理图Fig.3 Structure diagram of liquid volume detection equipment

测试之前， 在主机上选定要测试火炮的型号， 并将测试系统内的管道等注满液体， 以保证放至量筒的液体量与复进机内放出液体量相同. 测试过程中， 打开开闭杆， 使测试系统与复进机内腔连通， 主机控制测试系统按照图2的过程对液量进行测试， 测试结束后， 将放出的液体以及需添加的液体通过液压泵压入复进机， 而后关闭开闭杆， 封闭放液通道.

3 测量效率比较

某型轮式自行榴弹炮是我军近几年列装的新型主战火炮， 装备在我军机械化步兵师、 团. 随着部队实战化训练强度不断加大， 装备动用频率加快， 复进机检查的频次也越来越多. 目前， 部队配发的液量检测设备主要由人工后坐设备、 定容放液0.2L测试设备、 定容放液0.5L测试设备三种. 利用上述三种设备和本文的自动变容放液法比较， 结果如表 1 所示. 该自行火炮正常液量范围是10.27±0.1L， 即测试误差的要求为[-0.1L, 0.1L]. 人工后坐设备使炮身后坐250mm压缩气体空间， 其气体容积变化量相当大， 经计算， 其误差范围仅为[-0.014 2L,0.014 3L]， 故可将其作为真值使用.

表 1 4种测试方法效率比较

从表 1 中可以看出， 对于测试对象， 人工后坐法精度较高， 但所需时间过长； 放出0.2 L液体不能完全满足精度的要求； 放出0.5 L能够满足精度要求， 但放出液量过多容易将复进机内的气体同时放出； 自动变容放液法则在减少放液量的基础上， 保证了测试精度.

4 结 论

火炮复进机液量是火炮射击前的必检项目， 本文从测试基本原理出发， 构建了满足精度要求时需放液量与火炮种类、 复进机自身状态及测试设备误差之间的函数关系， 设计了自动变容放液测试系统， 较好地实现了测试精度与测试效率的统一， 为部队快速、 准确地检查复进机液量提供了方法和手段； 所构建的函数关系具有普遍性意义， 为放液式液量检查设备的精度研究提供理论基础.

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Automatic Modulation Liquid Volume Exhaust Method for Liquid Volume

ZHANG Benjun, ZHENG Liping, LI Yue, WEI Youmin

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

In order to match the accuracy and efficiency liquid volume detection of artillery recuperator, the mathematical model of relationship between liquid volume exhaust and type of artillery, state of recuperator and error of detection equipment was built based on basic principle of detection. Automatic modulation liquid volume system was designed based on the model, and the superiority of the system was verified by comparing with equipment which is used by troops. So, a new method was provided for fast and accurate detecting liquid volume of artillery recuperator, and the built mathematical model can also guide research on accuracy of liquid volume detection equipment.

recuperator; liquid volume detection; liquid volume exhaust method; automatic modulation

1671-7449(2017)02-0164-06

2016-11-20

张本军(1984-)， 男， 博士生， 主要从事火炮检测与维修等研究.

TJ303

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.02.013