复进机液量检测方法研究

苏忠亭 李德

1. 陆军装甲兵学院兵器与控制系 北京 100072；

2. 31689部队 吉林 四平 136000

引言

国内外火炮设计师对几种典型结构的反后坐系统的开发理论和实践已经成熟，因此出现了不同类型﹑不同用途的火炮反后坐系统结构相似的现象。虽然现在的反后坐装置已经有了较大的发展，也满足于现代装备的需求，但是，国内外的火炮设计师和专家们对于火炮反后坐系统一直都没有停止脚步，他们正在研究更简便更能适应战场环境的反后坐系统，并且不同装备的反后坐系统的原理﹑作用以及目的效果也是不同的，所以反后坐系统的发展一直在探索。

对于弹簧式驻退复进机，由于火炮后坐的能量太大，所以相应弹簧的弹性系数大，造成弹簧质量大，弹性系数大也造成了弹簧很难被调节，所以其主要用于部分口径比较小的炮，因为这种炮后坐力相对较小。弹簧式驻退复进机结构简单，而且弹簧的弹性系数受到温度的影响很小，所以说弹簧式复进机相对于液体式复进机更加稳定，如果没有特别损伤就不需要经常的进行检测。而部队应用比较广泛的大中型火炮主要采用液压驻退机和液体气压式复进机组合的反后坐装置，而液压驻退机的工作介质为驻退机，检查方式比较直观方便，因此此类反后坐装置的主要故障主要体现在液体气压式复进机漏气漏液导致的动作的可靠性﹑密封性等问题，对此类反后坐装置的技术要求，除了要求后坐结束时，后坐部分应平稳无冲击的复进到位之外，还要求液量和气压应在标准范围内。

随着科技的进步和现代战争的发展，火炮反后坐系统这个必不可少的传统部分也发生着翻天覆地的变化，比如上置式杆后坐反后坐装置与下置式筒后坐反后坐装置，两者看上去很相似，但是不论是在炮尾的位置还是在内部结构上，两者的差别很大。这也说明了火炮反后坐系统的整体技术水平，也在慢慢向着更高的水平发展。

目前火炮智能化数字化的程度进展较慢，装备的维修保养还在用曾经传统的方法，时代在进步，我们原地踏步就相当于在退步。国内一些油箱内的油量检查用的就是超声波检测，再通过单片机的编程连接指示灯，实现液量的检查。地方当中很多的超声波液量检测已经比较成熟，但是在内部的很多液量检查还没有达到这种现代化的方式。

1 复进机液量检测原理

液体气压式复进机漏气漏液导致的动作的可靠性﹑密封性等问题，对此类反后坐装置的技术要求，除了要求后坐结束时，后坐部分应平稳无冲击的复进到位之外，还要求液量和气压应在标准范围内[1]。复进机内液量虽然不能直接测定，但是可以用间接的方法测定。复进机内的气体和液体的总体积恒定且已知，只要测量气体的体积就可以计算液量。理想气体的状态方程表示为：

而上述的公式是将气体看作了理想气体，而这种理想气体是考虑质量而不考虑体积的，也忽略分子间的作用力。氮气在复进机内液体的溶解度非常的小，所以也忽略了复进机内气体溶解发生的能量的转化，并且复进机可以近似地看成一个封闭的空间。此外，由于整个工作过程中，复进机内部满足温度不太低，压力不太大，故气室内气体可近似按理想气体处理。

根据上面的论述，我们将气体当作理想气体，不考虑中间过程，只考虑始末状态，此时上述的等式成立。我们把实验的整个进程当作一个等温的过程，即T1=T2，得到公式。

这个公式就是波义耳－马略特定律。这个定律是在假设时间足够短温度没有发生变化得到的情况，一些单位仍然在用这样传统的方式，其中存在很大的误差。

2 人工后坐检测液量方法

人工后坐法是最普遍也是最传统的复进机液量检测方法，该方法的基本思路是测得复进机刚开始的气压P，顾名思义，在人工的向后后坐一段距离，测得后坐后的气压P1，这是用测得的两个数据P和P1对照炮尾上的液量检查表，液量检查表上面对应的位置向下向右延伸交点的位置看是否在两直线相夹的框内，如果在说明液量正常；若不在范围内，看检查表上分辨出液量是不足还是多余。这种方法后坐﹑读取数值和对照表格都是人工操作，存在误差大的问题，精度也得不到保证，关键已经不符合现代这样快速的战场环境。

人工后坐过程，复进机内部液体在活塞的带动下会压缩气体，因此人工后坐任意距离气压液量分析计算可用气体分子热力学中多变过程的气体状态方程描述。标准的复进机气体体积可以用W0表示，此时气压用P0表示。当人工后坐任意距离后（后坐长度为L），气体体积减小为L与活塞工作面积 的乘积，气体压力将为P1，系统气体状态关系为：

其中：n为多变指数index，可以用实验方法进行测定。对于具体火炮n为常量。但是不同的火炮﹑不同的后坐复进速度和状态下，产生的多变指数也不尽相同，确定多变指数的过程比较困难，要求和标准也比较高，当设定好人工后坐距离后，则L已知，相应的气体体积变化率已知，而初压，末压可测，再根据设定的多变指数n，即可算出相应的气体容积W即：

复进机内液量的偏差ΔV 可由气体容积的偏差反应出来，即：

如果ΔV为正值，说明复进机液量多余标准状态下的液量；反之，计算结果ΔV为负值时，液量少于标准。

人工后坐检测技术可以在尽量不放出气体的情况下对气压液量进行检测，但目前存在的问题主要有后坐距离长，需要的力量大，不同种类火炮在进行人工后坐时，设备安装困难，劳动强度大。目前人工后坐检测方法费时﹑费力，工具数量多，工作效率低，检查结果误差较大的问题，将传统指针式气压表改进为压力传感器，并将装备上附带的复进机液量气压检查表制定成电子数据，依据波义耳－马略特定律，在一定的后坐距离范围内，求解不同后坐距离上的复进机末压，并进行相应的软件设计，从而可以实现不同后坐距离的人工后坐液量检测，提高适用性与测试精度。人工的后坐越来越不符合时代的要求。

3 放气式液量检测方法

放气式气压液量检查方法中，使用检查筒作为放出气体的容器，其内部容积体现的是气体容积变化量。

放气过程中，气体属于增容过程，因此放气式气体状态变化规律可用气体分子热力学中多变过程的气体状态方程描述。复进内部的标准气体体积我们用W0表示，这时候的气压我们用表示。当检查筒接入系统后（检查筒容积为ΔW），气体体积增加为W0+ΔW，气体压力将为P1，系统气体状态关系为：

其余计算方法与人工后坐时一致，最终可算出相应的气体容积W即：

这种方法在坦克炮实际操作中很常见，相对分析和计算的方法也比较成熟。放气法看上去方便快捷，而且不用花费那么多的人力物力，操作也相对简单，但每次使用此方法的时候会放出气体，同时也会带出少部分液体，不利于液量的保持[2]。此外，简易检测的原空气参与末压试验引入误差，人工量取助推液的过程也引入误差，整体精度不高。但这种方法遇到的最大的问题就是适用范围比较窄。火炮口径由大到小，复进机内液量和总容积也大小不一。在总容积相差较大的情况下，要实现放气式检测技术的通用化，必须保证采用的扩容检查筒容积要固定，这就要求多变指数计算要准确，同时数据采集精度要高，在传感器选型﹑标定试验台﹑调理电路﹑数字滤波上充分设计论证，并进行反复试验验证。

目前放气式气压液量检测方法零部件适配性差﹑传感器与数显表零位标定复杂﹑故障率高等问题，扩展适用范围，研究不同型号火炮复进机在气体扩散过程中的不同的摩尔比热容与多变指数所带来的不同的热力学特性，提高测试精度。优化压力传感器，优化液晶显示屏幕与数据显示仪表，提高检测设备可靠性与适配性。

4 放液式复进机液量检测方法

把复进机中的液体放入一定体积的小气瓶中。放出液体后，气体充满了整个空间，压力与体积也随之改变。观察压力值的变化，计算液体体积。测量再将液体充回复进机使得液量不变。助推液被推入小气瓶的过程中，气体所占的体积变大压强降低，这时候气体压着液体对其做功，会产生一定的温度变化，但是这个过程是缓慢进行的，所以我们忽略热量的变化，所以放液法也满足之前说过的检测原理。这种方法步骤简单易于操作，从而增加了工作的效率。这对于后坐很难的所有种类的火炮都有意义。

5 阻力式气压液量检测法

人工后坐与放气式气压液量检测方法需要打开开闭杆放出部分气体，从而导致气体不足的弊端，研究复进机力的变化规律及其与复进机气压液量的对应关系，通过检测复进机在一定距离上后坐，形成的复进机阻力的变化规律，提取复进机阻力的特征数据，以此为依据，评估复进机气压液量的偏差。

液体气压式复进机在后坐过程中，活塞与内筒内壁的相互作用，带动助推液压缩气体，使得气体通过外筒与外界环境进行热交换，气体压力对活塞的作用就是复进机阻力P1，一般用多变过程来描述。

复进机阻力P1与初压P0﹑气体初体积W0﹑活塞工作面积Af﹑后坐距离L﹑气体多变指数n有关，而活塞工作面积Af在结构设计之初即已经确定，初压P0可通过压力传感器测定，后坐距离L已设置，气体多变指数n计算完毕后，即可明确复进机阻力P1与气体初体积W0的关系。

6 液量检测方法分析对比

论文对复进机气压和液量的检测进行了必要性分析，然后对人工后坐式气压液量检测方法﹑放气式气压液量检测方法﹑复进机阻力式气压液量检测方法等常用的液量检测方法进行了具体分析。在这三种常用的检测方法中，人工后坐是法定的检测方法，也就是在出厂时，由生产厂家指定的检测方法，检测过程中不会大量漏气漏液，在安装气压表或带压力传感器的三通管时所泄漏的气体可以忽略不计。放气式液量检测方法在使用单位中普遍反映较好，安装方便快捷，设备轻便，操作使用比较简单，检测精度比较高，放液式液量检测方法使用操作比较耗时耗力，缓慢进行的过程中，温度变化比较小，所以检测精度也比较高。但是这些方法也有其突出的确定，其中[3]，①人工后坐式气压液量检测方法，目前人工后坐检测方法费时﹑费力，工具数量多，工作效率低，检查结果误差较大的问题。②放气式气压液量检测方法，目前放气式气压液量检测方法零部件适配性差﹑传感器与数显表零位标定复杂﹑故障率高等问题。③复进机阻力式气压液量检测方法，人工后坐与放气式气压液量检测方法需要打开开闭杆放出部分气体，从而导致气体不足的弊端，研究复进机力的变化规律及其与复进机气压液量的对应关系，通过检测复进机在一定距离上后坐，形成的复进机阻力的变化规律，提取复进机阻力的特征数据，以此为依据，评估复进机气压液量的偏差。