基于協(xié)同仿真技術(shù)的制退機(jī)故障規(guī)律研究

孫也尊，秦俊奇，狄長(zhǎng)春，崔凱波，張曉東

（1.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003；2.輕武器論證研究所，北京 102202）

基于協(xié)同仿真技術(shù)的制退機(jī)故障規(guī)律研究

孫也尊1，秦俊奇1，狄長(zhǎng)春1，崔凱波1，張曉東2

（1.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003；2.輕武器論證研究所，北京 102202）

制退機(jī)是反后坐裝置的重要組成部分，它性能的好壞直接關(guān)系到火炮戰(zhàn)斗力的發(fā)揮，為了研究制退機(jī)發(fā)生故障對(duì)火炮后坐運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響，對(duì)制退機(jī)故障進(jìn)行了分析，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)理論和協(xié)同仿真技術(shù)，建立了制退機(jī)MATLAB/FLUENT協(xié)同仿真模型，解決了傳統(tǒng)火炮后坐計(jì)算模型的局限性，與傳統(tǒng)計(jì)算模型相比，提高了計(jì)算精度，得到了制退機(jī)內(nèi)部瞬態(tài)流場(chǎng)參數(shù)。通過(guò)對(duì)節(jié)制環(huán)磨損典型故障進(jìn)行仿真研究，分析了節(jié)制環(huán)在不同磨損程度下對(duì)火炮后坐運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，并對(duì)節(jié)制環(huán)局部壓力分布情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要解析，為進(jìn)一步對(duì)制退機(jī)性能退化規(guī)律分析研究提供了有效途徑。

火炮，制退機(jī)，協(xié)同仿真，故障分析，計(jì)算流體力學(xué)

引言

制退機(jī)是反后坐裝置的重要組成部分，在火炮射擊時(shí)起主要緩沖作用，其性能的好壞直接關(guān)系到火炮戰(zhàn)斗力的發(fā)揮。由于制退機(jī)工作條件復(fù)雜惡劣，制退機(jī)的故障率比較高，是學(xué)者和技術(shù)人員重點(diǎn)研究對(duì)象之一。目前，對(duì)制退機(jī)研究和相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算大多建立在經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，有較大的局限和誤差［1］。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)CFD［2］以及先進(jìn)的仿真技術(shù)得到了廣泛的運(yùn)用，大大提高了仿真的精度和效率。

本文通過(guò)對(duì)制退機(jī)常見(jiàn)故障進(jìn)行分析，運(yùn)用CFD理論和MATLAB/FLUENT協(xié)同仿真技術(shù)［3］，實(shí)現(xiàn)了對(duì)制退機(jī)典型故障對(duì)火炮后坐運(yùn)動(dòng)影響規(guī)律的仿真研究，對(duì)制退機(jī)故障和性能退化規(guī)律的進(jìn)一步研究提供了有效途徑。

1 制退機(jī)常見(jiàn)故障和故障分析

1.1 制退機(jī)常見(jiàn)故障

火炮后坐時(shí)故障主要表現(xiàn)為：后坐過(guò)長(zhǎng)、后坐過(guò)短、復(fù)進(jìn)過(guò)猛和復(fù)進(jìn)不足。制退機(jī)在火炮后坐時(shí)起主要緩沖作用，負(fù)責(zé)消耗大部分動(dòng)能，故障率比較高［4］，發(fā)生故障易導(dǎo)致后坐過(guò)長(zhǎng)，引發(fā)嚴(yán)重事故，造成該現(xiàn)象的主要原因有節(jié)制環(huán)磨損、制退桿活塞套磨損和制退機(jī)漏液。

1.1.1 節(jié)制環(huán)磨損

節(jié)制環(huán)和節(jié)制桿的間隙在后坐過(guò)程中產(chǎn)生的液壓阻力起主要制退作用，節(jié)制環(huán)磨損導(dǎo)致環(huán)形漏口面積增大，液壓阻力減小，從而使后坐速度增加，后坐距離變長(zhǎng)。

1.1.2 節(jié)制桿活塞套磨損

節(jié)制桿活塞套磨損會(huì)增大活塞與駐退筒的間隙，降低后坐時(shí)的液壓阻力，導(dǎo)致后坐速度增大，后坐距離增長(zhǎng)。

1.1.3 制退機(jī)漏液

制退機(jī)漏液使制退機(jī)工作腔產(chǎn)生一段真空，長(zhǎng)度為L(zhǎng)=ΔVZ/A0，在真空長(zhǎng)度范圍內(nèi)，后坐阻力約為0，導(dǎo)致后坐速度增大，后坐距離增長(zhǎng)。

1.2 故障分析

制退機(jī)的相關(guān)故障中，漏液相對(duì)于部件磨損類的故障而言，容易檢測(cè)，可在火炮靜態(tài)檢查中發(fā)現(xiàn)，并及時(shí)補(bǔ)充制退液。節(jié)制環(huán)、制退桿活塞套、調(diào)速筒均為銅質(zhì)構(gòu)件，后坐與復(fù)進(jìn)過(guò)程中制退液高速流過(guò)時(shí)，極易發(fā)生空化空蝕、射流沖蝕等現(xiàn)象，造成零件磨損。由于制退機(jī)為密閉式結(jié)構(gòu)，零件磨損后不易檢測(cè)，必須將部件分解，再進(jìn)行測(cè)量，成本較高，操作困難。因此，對(duì)制退機(jī)內(nèi)部零件磨損的仿真研究有很大必要性。

2 協(xié)同仿真方案

式（1）中，F(xiàn)Φh為制退機(jī)液壓阻力，K1、K2為液壓阻力系數(shù)，該式為傳統(tǒng)的火炮后坐運(yùn)動(dòng)計(jì)算方程，F(xiàn)Φh的計(jì)算主要是基于一維不可壓定常流假設(shè)，通過(guò)引入液壓阻力系數(shù)進(jìn)行修正估算，與實(shí)際有較大差別［1］，利用式（2）計(jì)算可避免液壓阻力取值不準(zhǔn)這一問(wèn)題。

式（2）中，p1為工作腔壓力，p2為復(fù)進(jìn)節(jié)制腔壓力，乘以各自工作面積即可得到FΦh。

通過(guò)構(gòu)建MATLAB/FLUENT協(xié)同仿真平臺(tái)，利用MATLAB計(jì)算火炮后坐運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)LUENT計(jì)算制退機(jī)腔內(nèi)流體壓力，即可實(shí)現(xiàn)火炮后坐動(dòng)態(tài)過(guò)程的準(zhǔn)確模擬，具體步驟如下：

1）根據(jù)式（2）利用FLUENT計(jì)算出的制退機(jī)壓力數(shù)據(jù)計(jì)算FΦh，利用MATLAB編寫火炮后坐運(yùn)動(dòng)計(jì)算程序。

2）利用MATLAB中的Compiler和C/C++編譯器將火炮后坐運(yùn)動(dòng)程序進(jìn)行打包、編譯，鏈接必要的MATLAB庫(kù)和生成的結(jié)果文件。

3）利用FLUENT中UDF提供的DEFINE宏，編寫C語(yǔ)言后坐運(yùn)動(dòng)程序的調(diào)用程序，設(shè)置數(shù)據(jù)計(jì)算輸出，將實(shí)時(shí)計(jì)算出的制退機(jī)內(nèi)各腔室壓力數(shù)據(jù)保存到監(jiān)測(cè)文件中。

4）MATLAB與FLUENT交互運(yùn)行，分別讀寫由FLUENT計(jì)算的制退機(jī)壓力數(shù)據(jù)和由MATLAB計(jì)算的火炮后坐運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即實(shí)現(xiàn)火炮后坐協(xié)同仿真計(jì)算。

3 仿真模型建立及驗(yàn)證

3.1 建立計(jì)算仿真模型

由于制退機(jī)內(nèi)液體流動(dòng)非常復(fù)雜，為降低數(shù)值模擬難度，但又盡量保留其內(nèi)部真實(shí)情況，對(duì)制退機(jī)進(jìn)行如下簡(jiǎn)化和設(shè)置：

1）將三維軸對(duì)稱流動(dòng)簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱流動(dòng)，運(yùn)用FLUENT中針對(duì)軸對(duì)稱空間流動(dòng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，可簡(jiǎn)化成對(duì)計(jì)算區(qū)域的一半進(jìn)行計(jì)算，既提高了計(jì)算效率又保證了精度；

2）保留節(jié)制桿實(shí)際尺寸，簡(jiǎn)化調(diào)速筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)和制退桿活塞套，將調(diào)速筒流液孔簡(jiǎn)化為環(huán)形通道，傾角不變，將制退桿活塞按照局部壓力損失相等原則［5］簡(jiǎn)化為環(huán)形通道；

3）將非工作腔（區(qū)域A）底部簡(jiǎn)化為開有小口的端蓋，出口壓力設(shè)為0；

4）分區(qū)域劃分網(wǎng)格，動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)采用規(guī)則的四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，不規(guī)則形狀的靜網(wǎng)格區(qū)域則采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，計(jì)算過(guò)程中區(qū)域和區(qū)域之間采用滑移網(wǎng)格界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

簡(jiǎn)化、劃分網(wǎng)格后的模型如圖1所示。

圖1 制退機(jī)劃分網(wǎng)格后的模型

用FLUENT UDF驅(qū)動(dòng)B、E動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域和G區(qū)域動(dòng)邊界運(yùn)動(dòng)，分別在工作腔C和復(fù)進(jìn)節(jié)制腔F設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)p1、p2，實(shí)時(shí)記錄兩腔腔內(nèi)壓力變化，并將壓力數(shù)據(jù)寫入監(jiān)測(cè)器文件，供MATLAB相應(yīng)程序調(diào)用計(jì)算。

3.2 仿真計(jì)算驗(yàn)證

根據(jù)靶場(chǎng)某型火炮多次射擊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，分別用協(xié)同仿真模型和傳統(tǒng)模型按照同種試驗(yàn)條件進(jìn)行仿真計(jì)算，以最大后坐位移和最大后坐速度為指標(biāo)，采用“最大值”比較法，將協(xié)同仿真模型計(jì)算得到的數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)工程模型計(jì)算得到的數(shù)據(jù)分別與試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 火炮射擊試驗(yàn)結(jié)果和兩種仿真結(jié)果

由表1可以看出，協(xié)同仿真計(jì)算得到的結(jié)果要比傳統(tǒng)模型計(jì)算得到的結(jié)果誤差小，表明本文運(yùn)用的協(xié)同仿真模型計(jì)算精度高于傳統(tǒng)模型，能較好地反映火炮實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。

4 節(jié)制環(huán)磨損仿真分析

根據(jù)火炮實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)及制退機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對(duì)后坐和復(fù)進(jìn)性能影響的重要程度，本文針對(duì)制退機(jī)關(guān)鍵重要件節(jié)制環(huán)對(duì)火炮運(yùn)動(dòng)性能的影響規(guī)律進(jìn)行了仿真分析，以研究節(jié)制環(huán)磨損對(duì)火炮后坐運(yùn)動(dòng)的影響。

4.1 節(jié)制環(huán)磨損機(jī)理

火炮后坐運(yùn)動(dòng)是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的，制退機(jī)內(nèi)液體是處于高溫高壓下的高速射流，同時(shí)因節(jié)制環(huán)是鋁黃銅合金材料，其磨損機(jī)理主要包括制退液高速流動(dòng)對(duì)節(jié)制環(huán)表面的沖擊、拖拽作用，液體中氣泡的空化空蝕作用，高溫下的液體化學(xué)腐蝕作用等［6］。節(jié)制環(huán)磨損使其孔徑增加，制退液流過(guò)節(jié)制桿與節(jié)制環(huán)間環(huán)形流道的阻力減小，后坐速度增大，但同時(shí)制退機(jī)液壓阻力是后坐速度平方的正比函數(shù)，速度增加，又會(huì)導(dǎo)致阻力增大，后坐速度減小，因此，節(jié)制環(huán)磨損對(duì)火炮后坐特性的影響是一個(gè)非常復(fù)雜的耦合過(guò)程。

4.2 節(jié)制環(huán)磨損仿真分析

為探索節(jié)制環(huán)不同磨損狀態(tài)下火炮后坐特性變化規(guī)律，本文設(shè)定了4種磨損狀態(tài)分別進(jìn)行節(jié)制環(huán)磨損故障仿真計(jì)算。圖3～圖5分別為節(jié)制環(huán)正常及4種磨損狀態(tài)下后坐位移、速度、后坐阻力曲線，圖6為節(jié)制環(huán)正常及4種磨損狀態(tài)下磨損部位壓力等值線圖。

圖2 節(jié)制環(huán)不同狀態(tài)下后坐位移曲線

圖3 節(jié)制環(huán)不同狀態(tài)下后坐速度曲線

由圖2可見(jiàn)，在0～0.06 s的后坐初始段，節(jié)制環(huán)不同磨損程度下的后坐位移都較接近，說(shuō)明此階段節(jié)制環(huán)磨損對(duì)位移影響較小；在0.06 s～0.2 s的后坐結(jié)束段，位移變化較緩，后坐速度減小，節(jié)制環(huán)磨損對(duì)后坐位移影響逐漸變大，隨著節(jié)制環(huán)磨損加大，位移量增長(zhǎng)，差別變大。經(jīng)分析，由于節(jié)制桿是先細(xì)后粗的變直徑結(jié)構(gòu)，在節(jié)制環(huán)隨制退桿后坐運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與節(jié)制桿配合形成的環(huán)形流道面積由大到小變化，初始段節(jié)制環(huán)孔徑增加對(duì)流道面積的影響遠(yuǎn)小于對(duì)結(jié)束段流道面積的影響，因此，節(jié)制環(huán)磨損對(duì)后坐結(jié)束段的后坐阻力影響更大，從而使后坐位移變化更顯著。

由圖3可見(jiàn)，在后坐加速段，節(jié)制環(huán)不同磨損程度下的后坐速度都較接近，在后坐減速段，磨損對(duì)后坐速度的影響逐漸增加，磨損越大，后坐速度越大。經(jīng)分析認(rèn)為，雖然節(jié)制環(huán)磨損導(dǎo)致環(huán)形流道面積增加，后坐阻力減小，但在后坐加速段，炮膛合力遠(yuǎn)大于后坐阻力，因此，后坐阻力的變化難以在速度曲線上反映出來(lái)，而達(dá)到最大速度后，炮膛合力驟減直至為零，僅有后坐阻力消耗后坐能量，在后坐減速段，磨損致后坐阻力減小將顯著反映在速度曲線上，磨損程度越大，速度下降越慢。

圖4 節(jié)制環(huán)不同狀態(tài)下后坐阻力曲線

由圖4可見(jiàn)，隨著節(jié)制環(huán)磨損加劇，后坐阻力峰值逐漸變小，壓力曲線變化越平緩，但當(dāng)節(jié)制環(huán)磨損量達(dá)到1.6 mm時(shí)，峰值被抹平，此時(shí)后坐位移已超過(guò)后坐極限長(zhǎng)度，不能再保證火炮正常射擊。后坐阻力曲線變化規(guī)律可分為兩部分，在后坐0.10 s之前，后坐阻力隨磨損量增大而減小，但到0.10 s之后，后坐阻力隨磨損量的增加而增大，這是因?yàn)楣?jié)制環(huán)磨損越大，使后坐位移越大，則復(fù)進(jìn)機(jī)氣體被壓縮越厲害，復(fù)進(jìn)機(jī)阻力作用越明顯，使后坐阻力明顯增加。

圖5 0.05 s時(shí)刻節(jié)制環(huán)局部壓力等值線圖

由圖5可見(jiàn)節(jié)制環(huán)區(qū)域壓力分布規(guī)律基本一致，在環(huán)形流道入口前的工作腔內(nèi)壓力較大，進(jìn)入流道后壓力梯度急劇變大，之后在流道內(nèi)逐漸穩(wěn)定下降。不同磨損狀態(tài)下環(huán)形流道壓力最小點(diǎn)均出現(xiàn)在節(jié)制環(huán)入口拐角，此處形成一個(gè)低壓區(qū)，其范圍隨磨損加劇而略有增長(zhǎng)。因入口流道呈漸縮式，因而與直角突縮式流道流場(chǎng)分布略有不同，未在此處形成渦旋。節(jié)制環(huán)與節(jié)制桿間的變直徑環(huán)形流道起著消耗后坐能量的主要作用：一是通過(guò)流道入口附近的壓力驟降，使此處壓力梯度極大，增加了流層間的摩擦力及壓力脈動(dòng)；二是液體流出后形成了突擴(kuò)流，因而在出口區(qū)域及非工作腔內(nèi)形成了強(qiáng)烈的湍動(dòng)區(qū)域，存在大量的渦旋，利用液體之間及液體與壁面間的剪切起到能量消耗作用。非工作腔因制退桿的抽出在后坐過(guò)程中存在真空，使得節(jié)制環(huán)流道內(nèi)部出現(xiàn)負(fù)壓，極易產(chǎn)生空化現(xiàn)象，對(duì)節(jié)制環(huán)內(nèi)表面造成空蝕磨損。

5 結(jié) 論

本文以制退機(jī)為研究對(duì)象，簡(jiǎn)要分析了制退機(jī)的故障模式和失效機(jī)理，針對(duì)傳統(tǒng)火炮后坐計(jì)算模型中存在液壓阻力計(jì)算與實(shí)際相差較大這一問(wèn)題，通過(guò)建立MATLAB/FLUENT協(xié)同仿真模型，對(duì)節(jié)制環(huán)磨損對(duì)火炮后坐運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行了仿真分析，并簡(jiǎn)要解析了節(jié)制環(huán)局部流場(chǎng)的現(xiàn)象。

綜上所述，相比一維模型，基于CFD與二維模型的后坐運(yùn)動(dòng)協(xié)同仿真方法可對(duì)火炮反后坐動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行更精確的數(shù)值模擬，同時(shí)仿真結(jié)果還能夠顯示豐富的制退機(jī)內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)信息，為研究制退機(jī)典型故障的機(jī)理及其影響規(guī)律提供了有效可行的途徑。

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［2］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007：185-189.

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Research on Faults of Recoil Brake Based on Collaborative Simulation Technology

SUN Ye-zun1，QIN Jun-qi1，DI Chang-chun1，CUI Kai-bo1，ZHANG Xiao-dong2
（1.Department of Mechanical Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；
2.Institute of Argumentation，Light Weapon，Beijing 102202，China）

Recoil brake is an important part of the recoil system.Its performance directly affects the effectiveness of artillery combat.To study the impact of the gun recoil when recoil brake had failure，the analysis of faults of recoil brake are done.The MATLAB/FLUENT collaborative simulation model is built with using computational fluid dynamics theory and co-simulation technology.Limitation of the conventional calculation model of artillery recoil is solved.Compared with the traditional computing model，calculation accuracy is improved，and transient flow parameters of interior recoil are obtained.The law of gun recoil movement is analyzed when degree of wear of throttling ring is different by simulated typical fault of throttling ring.And a brief analysis about partial pressure distribution of throttling ring is carried out.It provides an effective way to have the further analysis on the law of degradation of recoil system performance.

gun，recoil brake，collaborative simulation，fault analysis，CFD

TJ303

A

1002-0640（2014）11-0072-04

2013-09-10

2013-11-27

孫也尊（1989- ），男，河北邯鄲人，碩士研究生。研究方向：武器系統(tǒng)仿真與信息化技術(shù)。