基于超聲檢測的火炮制退機內(nèi)部空化研究

楊玉棟，張培林，張曉東，傅建平，王 成

(1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003；2.63926部隊，北京 102202；3.陸軍指揮學(xué)院，河北 石家莊 050084)

火炮制退機是一種液壓阻尼器，起著消耗火炮后坐動能和保持火炮射擊穩(wěn)定的作用，它主要靠液體流速突變帶來的慣性阻力和液體內(nèi)部的摩擦阻力來緩和火炮發(fā)射時作用在炮架上的沖擊作用力。火炮后坐時，制退桿從制退筒中抽出使得非工作腔有出現(xiàn)真空的趨勢，傳統(tǒng)火炮反后坐設(shè)計理論假設(shè)火炮后坐結(jié)束時制退機非工作腔內(nèi)部存在真空段，復(fù)進最初階段是排除真空過程，并未考慮制退液空化效應(yīng)[1]。近年來有學(xué)者做了一些制退機內(nèi)部空化研究，趙建新從空泡動力學(xué)的角度分析了制退機空化成因并研究了節(jié)制環(huán)空蝕機理[2]；張曉東結(jié)合空化理論和空蝕破壞機理，提出一種節(jié)制環(huán)空蝕磨損量計算模型[3]。由于沒有試驗驗證，很多研究尚停留在理論分析階段，以此為基礎(chǔ)的火炮復(fù)進運動計算也不夠精確，有待進一步研究。

1 制退機非工作腔內(nèi)部空化機理分析

1.1 制退機工作原理及傳統(tǒng)反后坐理論分析

常見的節(jié)制桿式制退機工作原理如圖1所示?；鹋诎l(fā)射時，炮身在火藥氣體壓力作用下帶動制退桿快速后坐，迫使工作腔I中的制退液在制退桿活塞的擠壓下高速通過節(jié)制環(huán)與節(jié)制桿構(gòu)成的環(huán)形流液孔射入非工作腔II，流動過程中，制退液流速突變產(chǎn)生很大的慣性阻力，同時，制退液內(nèi)部以及制退液與制退機部件表面之間形成摩擦阻力，這兩部分阻力合稱為液壓阻力，通過制退桿作用在炮身上，對后坐運動進行制動[4]。

傳統(tǒng)反后坐理論認(rèn)為，由于后坐時制退桿從制退筒中抽出，后坐結(jié)束時非工作腔內(nèi)有真空段；在復(fù)進最初階段，即復(fù)進行程達到非工作腔真空消失點之前，復(fù)進液壓阻力主要來自節(jié)制腔III，在此過程中復(fù)進液壓阻力小于復(fù)進剩余力，因而是復(fù)進加速時期；待非工作腔內(nèi)真空排除后，突然增加了來自制退機非工作腔的復(fù)進液壓阻力，使得復(fù)進總阻力大于復(fù)進剩余力，從而進入復(fù)進減速時期[1]。

然而受火炮后坐沖擊運動影響，制退機非工作腔內(nèi)制退液會發(fā)生劇烈的空化效應(yīng)，火炮復(fù)進時制退機內(nèi)部制退液流動情況更為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)處理方法會導(dǎo)致對復(fù)進阻力的錯誤估計，無法反映制退機的實際工作性能。

1.2 制退機非工作腔內(nèi)部空化成因分析

空化是由于液流系統(tǒng)中的局部低壓(低于相應(yīng)溫度下該液體的飽和蒸汽壓)使液體快速蒸發(fā)而引起的微汽泡爆發(fā)性生長現(xiàn)象，通常也包括空化泡的形成、發(fā)展及潰滅過程[5]。

火炮后坐時，制退機工作腔中的制退液通過節(jié)制環(huán)與節(jié)制桿之間的環(huán)形流液孔高速射入非工作腔，此處液流通道面積的突然縮小會導(dǎo)致液流速度急劇提高，據(jù)文獻[6]分析可知，后坐過程中該處平均流速可達140 m/s，由伯努利方程可知該處壓強會急劇降低，局部壓力甚至接近于0。本文所研究的某型制退液飽和蒸汽壓為5.69 kPa，遠高于后坐時制退機非工作腔內(nèi)最低壓力。

1.3 制退機非工作腔內(nèi)部空化過程分析

火炮后坐時，制退桿從制退機中抽出，使非工作腔內(nèi)出現(xiàn)真空趨勢，同時節(jié)制環(huán)流液孔處的液流速度急劇加快，該處局部壓強急劇降低到制退液的飽和蒸汽壓5.69 kPa以下，制退液發(fā)生劇烈的空化，產(chǎn)生很多包含著制退液蒸汽的空化泡，這些空化泡被高速流經(jīng)此處的制退液流沖散到非工作腔內(nèi)，使非工作腔內(nèi)壓強升高到制退液的飽和蒸汽壓?；鹋诤笞^程中造成的非工作腔“真空”不斷被制退液空化泡填補，達到動態(tài)平衡狀態(tài)。在后坐結(jié)束時，制退機非工作腔內(nèi)應(yīng)充滿泡沫化制退液，內(nèi)部壓強應(yīng)為5.69 kPa，而并不存在通常所說的真空段。

由于火炮后坐時間一般不超過0.2 s，制退液空化泡還未潰滅，火炮復(fù)進運動就已經(jīng)開始。制退桿在炮尾帶動下向前運動，制退桿活塞擠壓非工作腔內(nèi)的泡沫化制退液，使其回流到工作腔，同時復(fù)進節(jié)制腔內(nèi)的制退液也在制退桿末端的擠壓作用下回流到工作腔，兩股液流在制退桿活塞流液孔處相遇，制退液空化泡受壓潰滅，復(fù)進結(jié)束時，制退液空化泡全部潰滅，制退機恢復(fù)到射擊前的狀態(tài)。

2 制退機空化試驗原理及可行性分析

為了驗證前述理論分析結(jié)論，需要獲取火炮后坐時制退機非工作腔內(nèi)部的制退液狀態(tài)。制退筒為1個密封鋼筒，一般檢測手段很難獲取內(nèi)部制退液的流動狀態(tài)參數(shù)，這給制退機內(nèi)部空化研究帶來一定的困難。

2.1 制退機內(nèi)部空化的超聲檢測原理

筆者設(shè)計了一種用超聲波檢測制退機內(nèi)部空化的試驗方法，利用超聲波可穿透制退筒鋼制筒壁并在鋼筒與制退液的交界面處產(chǎn)生反射回波的特性，向制退機內(nèi)連續(xù)發(fā)射一定能量的超聲波束，分析探頭接收的回波能量即可獲知內(nèi)部制退液的狀態(tài)。

已知超聲波垂直入射到聲阻抗不同的兩介質(zhì)界面時，會在界面處發(fā)生透射與反射，一般常用反射波聲壓pr與入射波聲壓p0的比值表示聲壓反射率r，且有:

(1)

式中:z1和z2為兩種介質(zhì)的聲阻抗值[7]。

在本文所研究的問題中，已知鋼對縱波的聲阻抗為4.6×107kg/(m2·s)，制退液對縱波的聲阻抗為2.0×106kg/(m2·s)，則超聲波從鋼入射到制退液的界面處聲壓反射率約為91.67%；而超聲波在真空中無法傳播，由式(1)可知，當(dāng)z1?z2時，聲波在界面處幾乎為全反射，如果制退機內(nèi)部存在真空，則超聲波在鋼和真空的界面處應(yīng)為全反射，反射率理論上應(yīng)為100%。泡沫化的制退液根據(jù)其含汽量不同，超聲波入射到鋼與其界面上時，反射率應(yīng)在91.67%到100%之間。因此，用超聲探頭向制退機內(nèi)發(fā)射一定能量的超聲波，分析反射回波的能量，即可得知界面處的聲壓反射率，并以此推知制退機內(nèi)部制退液狀態(tài)。

2.2 制退機內(nèi)部空化的超聲檢測可行性分析

利用超聲儀器對制退機內(nèi)部空化進行檢測時，還需考慮其他因素：如火炮發(fā)射時的噪聲與振動對試驗的影響、超聲回波接收的穩(wěn)定性和探頭頻率的選擇等。

火炮發(fā)射時伴隨著強烈的噪聲和振動，發(fā)射噪聲主要包含機械噪聲和膛口噪聲，其中膛口噪聲為主要噪聲源。一般大口徑火炮的噪聲峰值頻率約在80 Hz到160 Hz之間，在該頻率范圍各頻帶聲壓級均在100 dB以上，最高聲壓級可達180 dB，但是當(dāng)頻率超過10 000 Hz時噪聲頻譜值逐漸趨于零[8]。本試驗選用的超聲探頭的發(fā)射頻率為2.5 MHz，遠大于火炮發(fā)射噪聲頻率，探頭對低頻率噪聲很不敏感，接收的回波信號不受火炮發(fā)射噪聲的影響。

超聲波頻率越高，波長越短，聲束越窄，擴張角越小[7]。由于火炮制退機外筒為圓柱形，超聲波入射到其弧形內(nèi)表面時會發(fā)生一定程度的散射，使探頭接收到的回波能量發(fā)生衰減，為保證接收到的回波能量集中，特選取聲束較窄，發(fā)射頻率較高的超聲探頭。

在超聲探頭與制退筒之間涂一定量的耦合劑，并用探頭固定夾具夾緊，保證試驗過程中探頭與制退筒接觸緊密可靠，采用這種半剛性連接方式使探頭和鋼筒之間沒有相互運動，可有效避免火炮發(fā)射時的振動對試驗的影響，保證回波信號的接收穩(wěn)定性。試驗中所用的超聲探頭安裝方法如圖2所示。

超聲波從制退筒外垂直入射時，由于探頭尺寸較小，制退筒半徑相對較大，相當(dāng)于超聲波垂直入射到一定厚度的鋼板內(nèi)，超聲波在制退筒壁內(nèi)將不斷反射傳播，探頭將接收到多個回波，考慮到超聲波傳遞中的能量損失，選取首列回波作為試驗記錄對象。

由以上分析可知，用超聲檢測的方法研究制退機內(nèi)部空化是可行的。

3 制退機非工作腔空化試驗及結(jié)果分析

3.1 制退機非工作腔空化試驗方法

根據(jù)文獻[1]中關(guān)于火炮后坐結(jié)束時制退機內(nèi)部存在真空段的假設(shè)可作如下推測，當(dāng)火炮大射角射擊時，受重力影響，制退液應(yīng)位于制退機非工作腔下部，真空段位于非工作腔上部。為了減小試驗誤差，確保試驗結(jié)果的正確性，采用如下試驗方法：如圖3所示。

在A、B、C 3個不同位置安裝超聲探頭，保持火炮射角為50°，使制退機內(nèi)部可能出現(xiàn)的真空段始終位于制退機上部，便于檢測。其中，A、B、C 3位置的具體選取方法如下：

1)A位置位于火炮制退機前端，將超聲探頭對準(zhǔn)內(nèi)部制退機活塞與前端蓋之間的空隙位置?；鹋诎l(fā)射前，該位置內(nèi)部充滿制退液，不會受到制退機活塞移動的影響。在火炮大射角射擊時制退機是傾斜狀態(tài)，如果后坐結(jié)束時非工作腔內(nèi)部存在真空段，應(yīng)始終位于此處，復(fù)進時此處的真空段也應(yīng)最后消失。

2)B位置位于火炮制退機后坐行程的約1/3處。根據(jù)計算，本文研究的火炮制退機在后坐結(jié)束時非工作腔內(nèi)制退液體積僅占非工作腔總體積的約69%，剩下31%的體積是由于制退桿抽出而增大的空間。如果后坐結(jié)束時非工作腔內(nèi)部存在真空段，在此處安裝超聲探頭可以檢測其形成過程和體積變化情況。

3)C位置位于火炮制退機后部，將超聲探頭對準(zhǔn)后坐結(jié)束時制退機活塞前端所在位置，火炮大射角射擊時，此處應(yīng)當(dāng)一直充滿制退液，即使制退機內(nèi)存在真空段，也不會存在于此位置。

3.2 制退機非工作腔空化試驗步驟

制退機內(nèi)部空化超聲檢測試驗的具體步驟為：

1)將超聲探頭固定在制退筒外部，在探頭和鋼筒之間涂適量耦合劑并用夾具夾緊，保證試驗過程中探頭與鋼筒的接觸緊密可靠。

2)調(diào)試儀器。在火炮發(fā)射前，標(biāo)定探頭發(fā)出的超聲波在鋼筒與制退液界面處反射的首列回波能量值，將其作為基準(zhǔn)值。

3)用儀器記錄火炮發(fā)射過程中界面處反射的首列回波能量值，并與基準(zhǔn)值進行比較分析。

3.3 制退機非工作腔空化試驗結(jié)果分析

火炮發(fā)射前，將界面處反射的首列回波能量值標(biāo)定為0.8，火炮發(fā)射過程中位于A位置、B位置和C位置的超聲探頭接收到的回波能量值曲線如圖4所示。

由圖4可見，火炮后坐時，隨著后坐距離從零增大到最大值，A位置的超聲探頭接收的回波能量值由發(fā)射前的0.8升高到最大值0.869，而后隨著火炮復(fù)進逐漸降低到0.8；相應(yīng)地，根據(jù)回波能量值與聲壓發(fā)射率的對應(yīng)比例關(guān)系，可推知制退機內(nèi)界面處的聲壓反射率從發(fā)射前的91.6%增大到99.5%左右，而后又隨著火炮復(fù)進逐漸降低到91.6%。如果后坐結(jié)束時非工作腔內(nèi)存在真空段，真空段應(yīng)當(dāng)始終位于非工作腔上部，A位置的聲壓反射率應(yīng)始終較高，超聲探頭接收到的回波能量值應(yīng)當(dāng)始終保持較大值，而探頭接收的實際回波能量值有明顯的先增大又減小的過程，這說明后坐過程中制退機內(nèi)部的制退液發(fā)生了劇烈空化，泡沫化的制退液聲阻抗變小，使制退機鋼筒與制退液交界面處的聲壓反射率增大，且隨著后坐距離的增大，制退液中汽泡所占體積分?jǐn)?shù)增大，其聲阻抗變小，使得交界面處聲壓反射率增大。

分析B位置超聲探頭接收的回波能量值曲線，可知其變化趨勢與A位置接收的回波能量值曲線大致相同，但是在后坐開始約0.03 s時和復(fù)進接近結(jié)束時，回波能量在一段短暫時間內(nèi)有一個明顯的先降后升過程，分析認(rèn)為這是由于制退機活塞經(jīng)過B位置的超聲探頭下方時，運動的活塞邊界和活塞側(cè)面的凹槽、密封圈等結(jié)構(gòu)使超聲波發(fā)生散射，探頭接收的回波能量值短時間內(nèi)迅速降低造成的。

分析C位置探頭接收的回波能量值曲線可知，在后坐開始的前0.13 s，亦即制退機活塞未到達C位置之前，探頭接收的回波能量值幾乎沒有變化，一直保持在0.8左右，在約0.13 s處開始突降，經(jīng)歷一段短暫時間的突降后，在0.135s處回波能量值開始急劇升高，在后坐結(jié)束時達到0.869；復(fù)進過程中，回波能量值再次受制退機活塞干擾而出現(xiàn)突降，而后又迅速升高至0.8左右并一直保持到復(fù)進結(jié)束。C位置探頭接收的回波能量值曲線與制退機內(nèi)存在真空段的假設(shè)極不相符：因為如果制退機內(nèi)存在真空段，火炮大射角射擊時，真空段應(yīng)位于A位置和B位置之間，C位置下方應(yīng)始終充滿制退液，除去制退機活塞的兩次經(jīng)過造成的突降，此處界面的聲壓反射率應(yīng)始終保持在91.67%左右，探頭接收到的回波能量值應(yīng)保持在0.8左右，而實際測試中在后坐末期與復(fù)進前期探頭接收的回波能量值卻有一個明顯的高峰，這說明制退機活塞越過C位置之后，制退機非工作腔內(nèi)已經(jīng)充滿了高度泡沫化的制退液，界面聲壓反射率已經(jīng)接近99.5%，而并不存在真空段。

分析圖4中A位置探頭接收的回波能量值曲線后半段可知，隨著復(fù)進行程的增加，制退機內(nèi)部交界面處的回波能量值逐漸降低，這意味著制退液的聲阻抗不斷增大直至恢復(fù)到2.0×106kg/(m2·s)，這說明制退液空化泡是在復(fù)進過程中逐漸潰滅的，并不是同時潰滅。超聲檢測試驗結(jié)果與前述制退機內(nèi)空化理論分析的結(jié)果是一致的。

4 制退機實際工作性能分析

由于制退液空化泡在復(fù)進過程中是逐漸潰滅的，因此，火炮復(fù)進時制退機非工作腔內(nèi)始終有低壓空化泡存在，且內(nèi)部壓力值應(yīng)為制退液的飽和蒸汽壓。如果實際情況確實如此，則制退機非工作腔在火炮復(fù)進時不應(yīng)提供文獻[1]所述的液壓阻力。為了進一步研究制退液空化對火炮復(fù)進的影響，有必要對制退機非工作腔內(nèi)壓力進行測試。

4.1 制退機非工作腔壓力測試方法及結(jié)果分析

在該測試中，筆者選用了壓電式壓力傳感器，它具有靈敏度高、信噪比高和工作可靠的優(yōu)點。本測試中選用的壓力傳感器靈敏度為12.49 pC/105Pa，壓力范圍0～30 MPa，非線性度<1%FS，過載能力120%，火炮發(fā)射前將其安裝在制退筒上的注液孔處，如圖5所示。

火炮后坐與復(fù)進過程中傳感器測得的非工作腔內(nèi)部壓力曲線如圖6所示，該火炮后坐時間約0.19 s，復(fù)進時間約0.51 s。

分析圖6可知，實測的非工作腔內(nèi)部壓力與傳統(tǒng)理論值之間存在較大差異。在火炮發(fā)射時，受沖擊作用影響，后坐部分速度在約0.01s內(nèi)達到最大值，制退液受制退機活塞擠壓從工作腔快速射入非工作腔，由于高速流動的制退液具有很大的動能，因此，當(dāng)其撞擊到傳感器表面時會產(chǎn)生一定壓力，該脈沖壓力測量值約為0.62 MPa，僅持續(xù)約0.02 s。而后，測得的制退機非工作腔壓力約6 kPa并一直保持到后坐結(jié)束，即0.19 s處；在火炮復(fù)進過程中，非工作腔壓力一直保持在6 kPa左右，這與傳統(tǒng)反后坐理論中的假設(shè)極不相符。

4.2 考慮制退液空化的火炮復(fù)進運動計算

傳統(tǒng)反后坐理論認(rèn)為火炮后坐結(jié)束時制退機非工作腔內(nèi)存在真空段，復(fù)進初期排除真空段時非工作腔不提供復(fù)進液壓阻力，待真空排除后制退機非工作腔開始提供一較大的液壓阻力，這一提法是不甚準(zhǔn)確的。分析制退機非工作腔空化試驗與壓力測試結(jié)果可知，火炮后坐結(jié)束時制退機非工作腔內(nèi)充滿制退液空化泡；復(fù)進時制退液空化泡是在復(fù)進過程中逐漸潰滅，在復(fù)進過程中，制退機非工作腔不提供復(fù)進液壓阻力。

根據(jù)上述結(jié)論，筆者用Matlab編程計算了考慮制退液空化效應(yīng)的火炮制退機復(fù)進液壓阻力，與傳統(tǒng)方法計算值的對比如圖7所示。

根據(jù)本文方法與傳統(tǒng)方法分別計算出火炮的復(fù)進速度，與實測火炮復(fù)進速度的對比如圖8所示。

分析圖7與圖8可知，考慮制退液空化效應(yīng)時，火炮制退機復(fù)進液壓阻力低于傳統(tǒng)理論計算值，火炮最大復(fù)進速度約1.89 m/s，大于傳統(tǒng)理論計算值1.71 m/s，且達到最大復(fù)進速度的時刻滯后于傳統(tǒng)理論值；本文方法計算出的火炮復(fù)進到位速度約0.4 m/s，大于傳統(tǒng)理論計算值0.24 m/s。本文方法計算值與實測火炮復(fù)進速度具有更高的一致性。

5 結(jié) 論

運用液體空化理論對火炮制退機內(nèi)部制退液的空化進行了理論分析，并結(jié)合超聲檢測和非工作腔壓力測試的方法進行了試驗研究。研究指出，火炮后坐結(jié)束時制退機非工作腔內(nèi)并不存在真空段，而是充滿了制退液空化泡。空化泡在復(fù)進過程中逐漸潰滅，制退機非工作腔并不提供復(fù)進液壓阻力?？紤]制退液空化效應(yīng)的火炮復(fù)進速度計算結(jié)果與實測結(jié)果更為吻合。傳統(tǒng)反后坐理論中的真空段假設(shè)在一定程度上簡化了火炮復(fù)進運動計算，但卻高估了制退機復(fù)進液壓阻力，在理論上是不甚嚴(yán)密的?？紤]制退液空化時，火炮制退機復(fù)進液壓阻力比傳統(tǒng)理論計算值偏小，在小射角射擊時可能導(dǎo)致復(fù)進過猛故障，這在制退機設(shè)計與故障診斷等方面應(yīng)予以充分考慮。本文的研究方法為密閉流體機械內(nèi)的空化研究提供了一種新的手段。

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