氣體炮發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

趙俊利，李大勇，王立君，王 妍

(1. 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051； 2. 哈爾濱建成集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150030；3. 中國人民解放軍邊防學(xué)院，陜西 西安 710108)

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氣體炮發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

趙俊利1，李大勇1，王立君2，王 妍3

(1. 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051； 2. 哈爾濱建成集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150030；3. 中國人民解放軍邊防學(xué)院，陜西 西安 710108)

為了解決氣體炮發(fā)射控制系統(tǒng)的可靠性問題，提出一種由活塞組和多個(gè)密閉腔室組成的新型氣體炮發(fā)射控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案. 簡要介紹發(fā)射控制系統(tǒng)的總體組成以及工作原理. 使用繪圖軟件AutoCAD繪制氣體炮的二維圖，對(duì)控制系統(tǒng)的受力情況動(dòng)態(tài)分析并將其抽象為數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論計(jì)算，利用MATLAB軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，得到系統(tǒng)中各部分的動(dòng)力學(xué)關(guān)系和關(guān)鍵的參數(shù). 經(jīng)過對(duì)仿真結(jié)果的分析，驗(yàn)證新方案在原理上的可行性，最終證明這種新型發(fā)射控制系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo). 新方案為同類機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種新思路和理論依據(jù).

機(jī)械設(shè)計(jì)； 氣體炮； 發(fā)射； 軟控制

氣體炮是一種利用氣體介質(zhì)膨脹做功來推動(dòng)試驗(yàn)彈高速運(yùn)動(dòng)的發(fā)射系統(tǒng)[1]，常用于實(shí)驗(yàn)室用沖擊加載裝置[2]或代替載機(jī)空投救生傘進(jìn)行救生傘強(qiáng)度試驗(yàn). 與常規(guī)火炮相比，氣體炮雖然威力較小，但是它具有一些常規(guī)火炮無法替代的優(yōu)點(diǎn). 例如，其發(fā)射時(shí)的炮膛溫度遠(yuǎn)低于一般火炮，可以用于發(fā)射試驗(yàn)儀器、 救援物資等不耐高溫材料. 用于消防領(lǐng)域的氣體炮稱為氣動(dòng)滅火炮，它可以遠(yuǎn)距離將裝有干粉滅火劑的滅火彈發(fā)射到火場，爆破滅火. 氣動(dòng)滅火炮可用于高層建筑滅火，森林遠(yuǎn)程滅火，船舶碼頭滅火和油氣罐滅火等[3-5].

氣體炮的發(fā)射控制方式直接影響到炮彈的內(nèi)彈道曲線[6]和出炮口速度，因此發(fā)射控制系統(tǒng)是氣體炮的核心機(jī)構(gòu)[7-8]. 發(fā)射控制方式一般分為發(fā)射軟控制[9-10]和卡鎖控制[11]兩種. 軟控制是將活塞組、 儲(chǔ)氣室、 單向閥三者巧妙地組合起來，通過活塞組的移動(dòng)達(dá)到用低氣壓控制高氣壓的效果； 卡鎖控制是將彈丸尾部直接與氣室連通，發(fā)射前用卡鎖將彈丸固定，發(fā)射時(shí)打開卡鎖，高壓氣體直接把彈丸推出. 對(duì)膛壓較高的空氣炮來說，這種控制方式存在卡鎖受力過大、 開鎖困難、 彈尾漏氣等缺點(diǎn). 與卡鎖控制相比，發(fā)射軟控制方式氣密性好、 不需要考慮卡鎖力，具有可靠和發(fā)射穩(wěn)定的特點(diǎn). 然而軟控制普遍有發(fā)射時(shí)氣壓不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，原因在于隨著氣室氣壓降低，活塞組會(huì)由于自身重力作用或炮體振動(dòng)等因素下落堵住炮尾連接孔，導(dǎo)致氣流中斷影響發(fā)射效果.

通過以上論述可知，傳統(tǒng)的發(fā)射控制系統(tǒng)存在一系列的缺陷，為了有效地克服這些缺點(diǎn)，文中設(shè)計(jì)了一種新型發(fā)射控制機(jī)構(gòu). 在舊方案的基礎(chǔ)上做了大量的改進(jìn)，通過增加活塞組的氣動(dòng)鎖緊功能有效地克服了舊方案發(fā)射時(shí)氣壓不穩(wěn)定、 活塞組在發(fā)射過程中下落等缺點(diǎn)，并通過理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真方法驗(yàn)證新方案的正確性.

1 發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)簡介

氣體炮氣路控制室結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，它由控制室箱體、 控制室內(nèi)筒、 調(diào)壓筒、 活塞組、 活塞連桿、 閥門等結(jié)構(gòu)組成. 炮尾連接孔是氣室和炮尾的連接通道，高壓氣體由此進(jìn)入炮尾完成發(fā)射過程. 炮尾連接活塞固連于活塞連接桿1，是打開和關(guān)閉炮尾連接孔的機(jī)構(gòu)，下端安裝O型圈起密封作用. 連接桿1上端固連內(nèi)筒小活塞和內(nèi)筒大活塞，大活塞上端安裝O型圈起密封作用. 這兩個(gè)活塞可以在控制室內(nèi)筒中滑動(dòng). 連接桿與3個(gè)活塞均為剛性連接，位置由控制室內(nèi)筒及內(nèi)筒定位器確定，它們之間的相對(duì)位置不變. 單向閥是約束氣體流向的裝置，限制氣體只能從它的一側(cè)流向另一側(cè)，反向不通. 單向閥1限制氣體只能由圖示位置的內(nèi)筒內(nèi)側(cè)流向外側(cè)，反向不通； 單向閥2限制氣體只能由圖示位置的內(nèi)筒小活塞下端流向上端. 外泄壓孔一側(cè)連接調(diào)壓筒，另一側(cè)與外部大氣相連，用于排出內(nèi)筒上腔高壓氣體； 內(nèi)泄壓孔一側(cè)連接充氣孔，與內(nèi)筒大活塞上方空間相通，另一側(cè)連接調(diào)壓筒，是連接內(nèi)筒上腔與調(diào)壓筒的通道. 活塞1和活塞2固連于連接桿2上，均為剛性連接，無相對(duì)滑動(dòng). 活塞1直徑稍大，兩個(gè)活塞可以隨連桿在充氣筒內(nèi)運(yùn)動(dòng). 發(fā)射閥可以用來向調(diào)壓筒充氣，推動(dòng)調(diào)壓筒內(nèi)活塞系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，將活塞2推至最上端. 發(fā)射時(shí)打開發(fā)射閥，高壓氣體將活塞1快速頂回最下端與緩沖墊圈相撞. 限壓閥的作用是限制發(fā)射后活塞1與活塞2之間的氣壓，當(dāng)氣壓增大到限壓閥上限時(shí)自動(dòng)放氣. 這樣調(diào)壓筒內(nèi)的氣壓就不會(huì)太高，為打開泄壓閥提供方便，并且可以限制向調(diào)壓筒充氣的最大氣壓. 充氣閥是向整個(gè)氣體炮充氣的總閥門，主要作用是流經(jīng)充氣孔、 單向閥1向氣室充入高壓發(fā)射氣體. 發(fā)射結(jié)束后打開泄壓閥，排出調(diào)壓筒內(nèi)多余氣體. 控制室內(nèi)筒裝在控制室箱體內(nèi)部，由內(nèi)筒定位器、 定位擋圈將其固定.

圖1 氣路控制室結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

氣體炮氣路控制系統(tǒng)的工作過程分為4個(gè)階段，分別是起始階段、 調(diào)壓筒充氣階段、 氣室充氣階段和發(fā)射階段. 其工作過程如圖 2 所示.

1) 起始階段. 如圖 2(a) 所示，調(diào)壓筒大活塞處于調(diào)壓筒最下端，內(nèi)筒大活塞位于控制室內(nèi)筒上部，炮尾連接活塞打開.

2) 調(diào)壓筒充氣階段. 如圖 2(b) 所示，通過發(fā)射閥向調(diào)壓筒充氣，以致活塞組被推到調(diào)壓筒最上端，設(shè)空間1、 空間2、 空間3內(nèi)的氣壓分別為p1,p2,p3. 空間2和空間3通過內(nèi)泄壓孔相連，所以p2=p3.

3) 氣室充氣階段. 如圖 2(c) 所示，設(shè)空間1, 2, 3, 4, 5內(nèi)氣壓分別為p1,p2,p3,p4,p5. 打開充氣閥進(jìn)行充氣，一部分高壓氣體通過內(nèi)泄壓孔進(jìn)入空間2； 另一部分氣體通過充氣孔將內(nèi)筒大活塞頂下，充滿空間3. 此時(shí)，內(nèi)筒活塞組位于最下端，炮尾連接活塞將炮尾連接孔堵住. 隨著充氣過程的進(jìn)行，氣壓逐漸升高. 當(dāng)充氣壓力p3升高到某一數(shù)值時(shí)，單向閥1被打開，氣體進(jìn)入空間5并且經(jīng)過氣室連接孔進(jìn)入氣室. 當(dāng)p5足夠大時(shí)，單向閥2被打開，高壓氣體進(jìn)入空間4.

圖2 氣路控制室工作過程圖

4) 發(fā)射階段. 如圖2(d)所示，空間2, 3, 4, 5內(nèi)氣壓分別為p2,p3,p4,p5. 將發(fā)射閥打開，調(diào)壓筒內(nèi)活塞1下端氣體快速噴出，氣壓p1降低至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p0. 因?yàn)榛钊?的橫截面積比活塞2大，所以空間2內(nèi)高壓氣體對(duì)活塞1的作用力大于活塞2，導(dǎo)致調(diào)壓筒內(nèi)整個(gè)活塞系統(tǒng)移動(dòng)至最下端. 此時(shí)，保持p2不變，空間3內(nèi)高壓氣體經(jīng)內(nèi)、 外泄壓孔流出導(dǎo)致p3迅速降低至大氣壓. 空間4內(nèi)高壓氣體對(duì)內(nèi)筒大活塞的作用力大于對(duì)小活塞作用力，所以推動(dòng)活塞系統(tǒng)上移，炮尾連接活塞被拔出. 同時(shí)，空間5內(nèi)的氣壓對(duì)內(nèi)筒小活塞產(chǎn)生向上的推力，使活塞組保持在內(nèi)筒最上端，防止活塞組下落堵住炮尾連接孔. 氣室內(nèi)高壓氣體通過炮尾連接孔進(jìn)入炮尾，推動(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng). 隨著時(shí)間的推移，空間5內(nèi)的氣壓逐漸減小導(dǎo)致空間4內(nèi)氣體進(jìn)入空間5，空間4內(nèi)氣壓隨之降低. 發(fā)射結(jié)束后打開泄壓閥，釋放出空間2內(nèi)的高壓氣體，使控制室達(dá)到初始狀態(tài).

2 仿真分析

2.1 建立力學(xué)模型

2.1.1 基本假設(shè)

設(shè)活塞1、 活塞2、 內(nèi)筒大活塞、 內(nèi)筒小活塞的橫截面直徑分別為d1,d2,d3,d4，炮尾連接活塞的上表面直徑(大徑)為d5，下表面O型圈中徑為dx； 內(nèi)筒大活塞的最大運(yùn)動(dòng)距離為H，內(nèi)筒大、 小活塞之間的連桿長度為h，活塞連接桿1、 2的各段直徑均為d； 單向閥1、 單向閥2、 限壓閥的啟動(dòng)壓力分別為pd1,pd2，pd3, 氣室氣壓為p5，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為p0. 控制室的重要結(jié)構(gòu)尺寸如圖 2(a) 所示. 調(diào)壓筒充氣階段，通過發(fā)射閥向調(diào)壓筒充氣，使調(diào)壓筒內(nèi)氣壓達(dá)到最大值，即p1=pd3+p0. 氣室充氣階段，打開充氣閥進(jìn)行充氣，空間3內(nèi)的氣壓為p3. 充氣過程中，控制室內(nèi)各腔室氣壓如圖 2(c) 所示. 其中,p5=p3-pd1,p4=p3-pd1-pd2,p2=p3,p1=pd3+p0. 充氣結(jié)束后p3的最大值為pt. 假設(shè)空氣炮工作過程各腔室內(nèi)無氣體泄漏，整個(gè)過程在等溫等熵條件下進(jìn)行[12-14]. 充氣平緩，即充氣氣壓p1,p3勻速增加. 不計(jì)各部件工作過程中的彈性形變，忽略活塞與筒壁接觸面之間的摩擦力.

2.1.2 力學(xué)模型的建立

發(fā)射控制系統(tǒng)工作過程中各活塞組的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，為了更清楚地表達(dá)調(diào)壓筒活塞組和控制室內(nèi)筒活塞組在不同時(shí)刻的空間位置，繪制了它們整個(gè)工作過程的動(dòng)作時(shí)序圖，如圖 3 所示.

圖3 動(dòng)作時(shí)序圖

氣室充氣過程：

通過如圖 4(a) 所示的受力分析，得到調(diào)壓筒充氣結(jié)束后氣體壓力對(duì)活塞組的合作用力F1與調(diào)壓筒充氣壓力p1及氣室充氣壓力p3的關(guān)系. 規(guī)定F1向上為正方向.

(1)

式中：p1為調(diào)壓筒充氣壓力，它在調(diào)壓筒充氣過程中一直升高直到限壓閥開啟為止，其最大值為pd3+p0； 氣室充氣前空間3內(nèi)氣壓p3最小，其值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p0，充氣結(jié)束后氣壓最大，其值為pt.

(2)

氣室氣壓

(3)

式中：

且均為常數(shù).γ為氣體絕熱指數(shù)，V0,V4分別為空

間4的初始體積和充氣過程的體積，p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，pt為氣室最大充氣壓力. 為了使充氣時(shí)氣體不進(jìn)入炮膛，應(yīng)滿足條件λ≤pd1+p0. 因?yàn)槿绻?pd1+p0，在炮尾連接活塞堵住炮尾連接孔之前充氣壓力p3將會(huì)達(dá)到pd1+p0. 開啟單向閥1，導(dǎo)致氣體進(jìn)入空間5，然而此時(shí)炮尾連接活塞沒有堵住炮尾連接孔，充氣氣體會(huì)經(jīng)過炮尾連接孔進(jìn)入炮膛.

由式(2)，式(3)可以推導(dǎo)出控制室氣壓對(duì)內(nèi)筒活塞組的作用力F2與p3的關(guān)系. 內(nèi)筒活塞組受力情況如圖 4(b), 4(c)所示，規(guī)定向上為正.

圖4 充氣過程中活塞組受力分析圖

(4)

發(fā)射時(shí)調(diào)壓筒活塞組受力關(guān)系如圖 5(a) 所示，受力大小F3與p1的關(guān)系為(規(guī)定向上為正)

(5)

式中：p1不斷減小直至p0. 調(diào)壓筒下降到位后p3由pt不斷減小直至p0. 此時(shí)內(nèi)筒活塞組受力情況如圖5(b)所示，氣體壓力對(duì)內(nèi)筒活塞組施加開啟力F2k，其大小為

(6)

空間4壓力p4與氣室壓力p5之間的關(guān)系為

(7)

發(fā)射時(shí)內(nèi)筒活塞組開啟后上升速度極快，所以忽略其上升時(shí)間，直接分析其上升到位后的受力情況. 此時(shí)，氣體壓力對(duì)活塞組起到鎖緊作用，內(nèi)筒活塞組受力情況如圖5(c)所示，鎖緊力大小為

(8)

式中：氣室壓力p5不斷降低直至p0.

關(guān)鍵作用力：

調(diào)壓筒最大充氣壓力p1(max)=p0+pd3;

圖5 發(fā)射過程中活塞組受力分析圖

氣室充氣時(shí)，氣壓對(duì)調(diào)壓筒活塞組最小鎖緊力

發(fā)射時(shí)氣壓對(duì)調(diào)壓筒活塞組最大開啟力

氣室最大充氣壓力

p5(max)=pt-pd1;

氣室充氣時(shí)，氣壓施加于內(nèi)筒活塞組用于關(guān)閉炮尾連接孔的最小密封力

發(fā)射時(shí)氣壓對(duì)內(nèi)筒活塞組最大開啟力

發(fā)射后氣壓對(duì)內(nèi)筒活塞組最小鎖緊力

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1 設(shè)定初始條件

d1=70 mm,d2=68 mm,d3=110 mm,d4=90 mm,d5=80 mm,d=30 mm,dx=68 mm,h=280 mm,H=200 mm,p0=0.101 MPa,pd1=0.6 MPa,pd2=1 MPa,pd3=0.8 MPa,pt=12 MPa,γ=1.4, 內(nèi)筒活塞組質(zhì)量M=20 kg，調(diào)壓筒活塞組質(zhì)量m=6 kg，重力加速度g=9.8 m/s2.

2.2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(1)～(8)及上述初始條件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，得到以下計(jì)算結(jié)果. 圖6(a)直觀反應(yīng)出氣室充氣過程中氣室壓力p5、 內(nèi)筒壓力p4隨充氣氣壓p3的變化規(guī)律，從而得出圖6(b)控制室氣壓對(duì)內(nèi)筒活塞組的作用力F2與p3的關(guān)系.

圖6 充氣過程內(nèi)筒活塞組受力隨充氣壓力變化規(guī)律

圖7 發(fā)射前期內(nèi)筒活塞開啟力變化規(guī)律

發(fā)射時(shí)系統(tǒng)的受力關(guān)系如圖 7，圖 8 所示. 發(fā)射初期空間1內(nèi)的氣體瞬間釋放，氣壓降低，調(diào)壓筒活塞組開啟. 氣壓對(duì)調(diào)壓筒活塞組的開啟力F3隨空間1內(nèi)氣壓p1的變化規(guī)律如圖7(a)所示. 之后，空間3內(nèi)的氣體經(jīng)內(nèi)、 外泄壓孔釋放，其壓強(qiáng)p3由pt迅速降至p0，內(nèi)筒活塞開啟力F2k隨之升高，打開活塞.F2k隨p3的變化規(guī)律如圖7(b)所示. 氣室中的氣體進(jìn)入炮尾推動(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)，壓力隨之減小. 這個(gè)過程中空間4的壓力變化規(guī)律如圖8(a)所示； 內(nèi)筒活塞組受到向上的鎖緊力隨氣室壓力的變化規(guī)律如圖8(b)所示.

圖8 發(fā)射過程內(nèi)筒活塞鎖緊力隨氣室壓力變化規(guī)律

2.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸納，將直接影響機(jī)構(gòu)性能的關(guān)鍵參數(shù)歸納于表 1，表 2 之中.

表1 調(diào)壓筒關(guān)鍵參數(shù)

表2 控制室內(nèi)筒關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)比表 1，表 2 可以看出，調(diào)壓筒最大充氣壓力p1(max)遠(yuǎn)小于氣室最大充氣壓力p5(max). 單獨(dú)分析表1和表2，氣壓對(duì)活塞組的作用力遠(yuǎn)大于活塞組自身的重力，所以活塞組的重力對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響可以忽略不計(jì).

3 分析與討論

通過對(duì)上述計(jì)算結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論.

1) 新方案可以達(dá)到以小壓力控制大壓力的目的. 由表 1 可知，發(fā)射時(shí)發(fā)射閥內(nèi)部氣壓等于調(diào)壓筒最大充氣壓力0.9 Mpa, 壓力小閥門容易開啟. 氣室壓力為11.4 MPa, 高氣壓為發(fā)射提供強(qiáng)大的動(dòng)力.

2) 確保工作過程的安全可靠性. 從表1可以看出調(diào)壓筒充氣過程活塞組的最小鎖緊力約為其重力的8倍，使得在發(fā)射之前調(diào)壓筒活塞組不會(huì)因?yàn)橥饨绺蓴_因素而移動(dòng)，保證了氣室充氣過程的安全性. 從表2可以看出氣室充氣過程中內(nèi)筒活塞最小密封力為2.64 kN, 數(shù)值較大，可以確保充氣過程不漏氣； 發(fā)射過程中活塞最小發(fā)射鎖緊力1.88 kN, 超過其重力的9倍，確保發(fā)射過程活塞組不會(huì)落下堵住炮尾連接孔.

3) 發(fā)射速度快. 表1中，調(diào)壓筒活塞組最大開啟力2.58 kN，而其重力只有0.06 kN, 所以活塞組回程加速度很大，開啟速度快； 表2中，內(nèi)筒活塞組最大回程力 47.3 kN 遠(yuǎn)大于其重力0.20 kN, 活塞組回程加速度大，開啟速度快，發(fā)射迅速.

4 結(jié) 論

與傳統(tǒng)的發(fā)射控制系統(tǒng)相比，新方案的技術(shù)關(guān)鍵及其功能改進(jìn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：① 與老方案相比增加了調(diào)壓筒結(jié)構(gòu). 發(fā)射時(shí)用小氣壓p1(最大值0.9 MPa)控制大氣壓p2,p3(最大值12 MPa)，這是一種放大法控制原理，安全可靠. ② 氣體炮發(fā)射階段在p4的作用下使空間4容積達(dá)到最大，對(duì)內(nèi)筒活塞系統(tǒng)起到鎖緊作用，避免炮尾連接活塞下落堵住炮尾連接孔，即新方案的鎖緊功能. 并且鎖緊力大于內(nèi)筒活塞組重力的9倍，所以工作安全可靠. 這個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)的技術(shù)關(guān)鍵是利用直徑不同的內(nèi)筒小活塞和內(nèi)筒大活塞組成的活塞組在內(nèi)筒中運(yùn)動(dòng)來改變空間4的容積，這也是新方案的設(shè)計(jì)思路. 在工程上，可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整各部分結(jié)構(gòu)尺寸，這種設(shè)計(jì)思想為發(fā)射控制系統(tǒng)的研發(fā)提供了一種新方法.

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Design and Analysis of Gas-Gun Launching Control System

ZHAO Jun-li1, LI Da-yong1, WANG Li-jun2, WANG Yan3

(1. School of Mechanical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China；2. Harbin Jiancheng Group Co. Ltd., Harbin 150030, China；3. PLA Brother Defence Academy, Xi’an 710108, China)

In order to solve the reliability problem of gas-gun launching control system, a new type of launching control system which consists of some pistons and cylinders is put forward, as well as the structure design and working principle is introduced briefly.This paper draws the 2D pictures of the gas-gun using the software AutoCAD, and transforms it to the mathematical model by stress analysis.The dynamic relationships and key data can be obtained by computer simulation by the MATLAB software.Though the analysis of calculation results, verify the feasibility of the design in principle. Finally it is proved that the new type of control system can achieve the desire requirements.

mechanical design; gas-gun; launch; pneumatic control

1673-3193(2016)05-0494-07

2016-02-15

趙俊利(1957-)，男，教授，主要從事武器系統(tǒng)機(jī)動(dòng)工程的研究.

TJ302

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2016.05.011