火炮復(fù)進(jìn)機(jī)液量自動(dòng)變?nèi)莘乓簻y(cè)試方法研究

張本軍， 鄭立評(píng)， 李 玥， 韋有民

(軍械工程學(xué)院， 河北 石家莊 050003)

火炮復(fù)進(jìn)機(jī)液量自動(dòng)變?nèi)莘乓簻y(cè)試方法研究

張本軍， 鄭立評(píng)， 李 玥， 韋有民

(軍械工程學(xué)院， 河北 石家莊 050003)

為使復(fù)進(jìn)機(jī)液量檢測(cè)精度與效率較好地統(tǒng)一， 基于基本原理， 構(gòu)建了滿足精度要求時(shí)需放液量與火炮種類、 復(fù)進(jìn)機(jī)自身狀態(tài)及測(cè)試設(shè)備誤差之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型； 依據(jù)該模型， 設(shè)計(jì)了自動(dòng)變?nèi)莘乓簻y(cè)試系統(tǒng)； 經(jīng)與目前部隊(duì)使用的液量檢測(cè)設(shè)備比較， 驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的先進(jìn)性， 為部隊(duì)快速、 準(zhǔn)確地測(cè)試復(fù)進(jìn)機(jī)液量提供了方法和手段； 所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型， 能夠指導(dǎo)放液式液量檢查設(shè)備的精度研究.

復(fù)進(jìn)機(jī)； 液量檢測(cè)； 放液法； 自動(dòng)變?nèi)?/p>

0 引 言

復(fù)進(jìn)機(jī)是火炮關(guān)鍵件之一， 其主要功能是為射擊后的火炮后坐部分復(fù)進(jìn)提供能量及保持炮身在任何仰角不會(huì)下滑， 這就要求復(fù)進(jìn)機(jī)需儲(chǔ)存能量. 現(xiàn)代大、 中口徑火炮多采用液體氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)[1]， 液體用于密封， 氣體為儲(chǔ)能介質(zhì). 在火炮存儲(chǔ)、 使用及保養(yǎng)過程中， 復(fù)進(jìn)機(jī)氣體、 液體會(huì)發(fā)生變化， 致使復(fù)進(jìn)機(jī)不能正常完成相應(yīng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作. 因此， 復(fù)進(jìn)機(jī)的氣壓、 液量檢查是火炮射前技術(shù)檢查的必檢內(nèi)容.

復(fù)進(jìn)機(jī)液量檢查實(shí)質(zhì)上是檢查一個(gè)密閉容器中液體的容積， 針對(duì)這個(gè)問題的研究多集中在對(duì)液面或液位的檢測(cè)上， 如K Brajesh利用磁致伸縮液位傳感技術(shù)檢測(cè)液體液面[2]； 侯鈺龍、 D Sengupta等人利用光纖液位傳感技術(shù)測(cè)試、 監(jiān)控液體液面[3-5]； V.B. Zhukov、 張朋、 劉迎新等人利用聲波測(cè)試液體液面[6-8]； Frank May利用機(jī)械共振測(cè)量密閉空間揮發(fā)性強(qiáng)的液體的液位[9]， 通過對(duì)液面或液位的測(cè)量， 進(jìn)而可求得液體容積， 這些檢測(cè)手段和方法為復(fù)進(jìn)機(jī)液量檢查設(shè)備的開發(fā)和研制提供了很好的思路， 但受戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、 技術(shù)條件及測(cè)試對(duì)象復(fù)雜性的限制， 上述技術(shù)開發(fā)的檢測(cè)設(shè)備很難廣泛應(yīng)用于部隊(duì)， 目前在研和使用的液量檢測(cè)設(shè)備基本上都是基于玻意耳-馬略特定律開發(fā)的[10-13]. 為了便于編制液量檢查表或開發(fā)相應(yīng)程序， 上述設(shè)備大部分是基于定容開發(fā)的， 即氣體的壓縮量和膨脹量為一定值， 這樣造成的后果是效率和精度沒有較好地統(tǒng)一. 有些文獻(xiàn)研究了變?nèi)莘乓悍╗14]， 但其變?nèi)菔且罁?jù)不同的炮種壓力變化0.1 MPa時(shí)放液量不同而進(jìn)行展開的， 而不是以測(cè)試精度為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行分析研究的， 且沒有考慮復(fù)進(jìn)機(jī)自身的狀態(tài).

基于此， 本文從測(cè)試基本原理出發(fā)， 推導(dǎo)滿足精度要求時(shí)需放液量與火炮種類、 復(fù)進(jìn)機(jī)自身狀態(tài)及測(cè)試設(shè)備誤差之間的函數(shù)關(guān)系， 研究自動(dòng)變?nèi)莘乓簩?shí)現(xiàn)的方法和手段， 以便為高效準(zhǔn)確地檢測(cè)復(fù)進(jìn)機(jī)液量提供保障.

1 放液量的確定

圖 1 復(fù)進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of recuperator structure

如圖 1 所示為一復(fù)進(jìn)機(jī)示意圖， 圖中A區(qū)域與大氣連通， 活塞與復(fù)進(jìn)桿固接. 復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)充滿液體和氣體， 液體用于密封氣體， 氣體用于存儲(chǔ)或釋放能量. 后坐時(shí)， 復(fù)進(jìn)桿與內(nèi)、 外筒產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 壓縮復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)氣體， 儲(chǔ)存能量； 復(fù)進(jìn)時(shí)， 氣體膨脹， 釋放能量， 迫使復(fù)進(jìn)桿或外筒帶動(dòng)后坐部分復(fù)進(jìn)到位.

火炮復(fù)進(jìn)機(jī)液量檢查一般在常溫下進(jìn)行， 氣室內(nèi)壓力不高， 所以復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)氣體可按理想氣體處理[15]； 液量檢查過程時(shí)間較長(zhǎng)， 系統(tǒng)可以充分熱交換而保持等溫， 因此可以認(rèn)為氣室內(nèi)氣體滿足玻意耳-馬略特定律， 即

W氣=W總-W液，

(2)

式中：P1為復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)初始?jí)簭?qiáng)，W總、W氣和W液分別為復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)腔總?cè)莘e、 氣體體積及液體體積.

當(dāng)放出容積為W變的液體之后， 復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)氣體容積增加W變， 氣體的壓強(qiáng)則變?yōu)镻2， 且P1，P2之間存在如式(3)關(guān)系

P1(W總-W液)=P2(W總-W液+W變).

(3)

確定體積改變量之后， 測(cè)出P1，P2； 由于內(nèi)腔容積已知， 則可由式(3)計(jì)算出W液

W液=W總

令W標(biāo)為復(fù)進(jìn)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)液量， 則需要補(bǔ)充的液量為

W補(bǔ)=W標(biāo)-W液.

(5)

在式(4)中，W總為復(fù)進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)， 是與火炮的類型相關(guān)的已知量；P1，P2和W變均為測(cè)量值， 不可避免地存在測(cè)量誤差， 令ΔP1， ΔP2， ΔW變分別為它們的測(cè)量誤差， 則復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)真實(shí)的液體量為

(6)

按照式(5)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行注液， 則注液后復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)腔實(shí)際的液體量為

W實(shí)=W標(biāo)-W液

此時(shí)， 由于測(cè)量過程中誤差引起的復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)液量的誤差

式中：X=(P1,P2,W變, ΔP1, ΔP2, ΔW變). 結(jié)合式(4)可得： 放液量確定的依據(jù)是選取合適的W變使得f(X) 滿足復(fù)進(jìn)機(jī)液量精度的要求， 即

W標(biāo)-W上≤f(X)≤W標(biāo)-W下，

(9)

式中：W上，W下分別為液量標(biāo)準(zhǔn)的上限和下限， 對(duì)于確定型號(hào)的火炮這兩個(gè)值是確定的. 只要式(8)的極值滿足式(9)， 則放液量就滿足精度的要求， 選擇此時(shí)的最小放液量即為要確定的放液量. 這樣， 上述問題就轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)上的求極值問題. 式(8)中， ΔP1， ΔP2， ΔW變?yōu)闇y(cè)量誤差， 與X中其它參數(shù)不相關(guān)， 又因?yàn)槠渲髦禍y(cè)量為獨(dú)立測(cè)量， 所以3者之間也不相關(guān).f(X)對(duì)3者求偏導(dǎo)， 可以得到

以上各種誤差的范圍在測(cè)試設(shè)備標(biāo)定自身精度時(shí)可以得到， 且其最大值和最小值符號(hào)是相反的. 令mi(i=1,2,3)分別代表ΔP1， ΔP2和ΔW變的最大值，ni(i=1,2,3)分別代表ΔP1， ΔP2和ΔW變的最小值， 則有mi≥0，ni≤0. 在實(shí)際測(cè)試過程中， (W變+ΔW變) >0， (P2+ΔP2)>0， (P1+ΔP1)>0， 且|P2-P1|?|ΔP2-ΔP1|. 顯然由式(10)可得f(X)是關(guān)于ΔP1的單調(diào)減函數(shù)， 由式(11)可得f(X)是關(guān)于ΔP2的單調(diào)增函數(shù)， 由式(12)可得f(X)是關(guān)于ΔW變的單調(diào)增函數(shù). 所以

f(P1,P2,W變

P1，W液為復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)液體兩個(gè)不相關(guān)初始狀態(tài)，W變是液體變化量， 也與P1，W液不相關(guān)， 所以由式(3)可得P2對(duì)P1的偏導(dǎo)數(shù)為

f(X)對(duì)P1求偏導(dǎo)， 并將式(15)帶入后可得

(16)

將式(13)的誤差值代入式(16)可得g(X)<0， 說明f(X)的最大值函數(shù)關(guān)于P1單調(diào)減， 所以P1最小值時(shí)，f(P1,P2,W變,m1,n2,n3)是f(X)關(guān)于W液和W變的最大值函數(shù).

將式(14)的誤差值代入式(16)可得g(X)>0， 說明f(X)的最小值函數(shù)關(guān)于P1單調(diào)增， 所以P1取最小值P1n時(shí)，f(P1,P2,W變,n1,m2,m3)是f(X)關(guān)于P2和W變的最小值函數(shù).

依據(jù)式(3)可以求得P2對(duì)W液的偏導(dǎo)數(shù)為

令d(X)為f(X)對(duì)W液求偏導(dǎo)的函數(shù)， 并將式(17)帶入化簡(jiǎn)后可得

依據(jù)式(3)可得

將式(19)代入式(18)可得

將式(13)、 式(14)兩組參數(shù)代入式(20)， 可得

說明b(P2)為關(guān)于P2的單調(diào)增函數(shù)， 所以

說明c(P2)為關(guān)于P2的單調(diào)增函數(shù)， 所以

綜合以上分析可知， 滿足式(9)精度要求的液體放出量W變與復(fù)進(jìn)機(jī)總?cè)莘eW總、 復(fù)進(jìn)機(jī)氣體初始?jí)毫1及初始液量W液均有直接的關(guān)系. 復(fù)進(jìn)機(jī)總?cè)莘e與炮種相關(guān)， 是設(shè)計(jì)參數(shù)； 復(fù)進(jìn)機(jī)氣體初始?jí)毫统跏家毫科匠Ｌ幱谝粋€(gè)范圍， 這個(gè)范圍可以通過查閱相關(guān)種類火炮技術(shù)資料獲取.

當(dāng)采用定容放液法放液時(shí)， 針對(duì)每種火炮需依據(jù)氣體初始?jí)毫统跏家毫科匠７秶淖钚≈担?利用式(9)求出放液量的最小值， 而后選出這些火炮中放液量的最大值做為最終放液量， 顯然， 這種放液方式保證了測(cè)試精度， 但犧牲了測(cè)試效率. 如若采用依據(jù)炮種確定放液量時(shí)， 可根據(jù)各炮種氣體初始?jí)毫统跏家毫科匠７秶淖钚≈担?求得自身的放液量， 這種方式考慮了復(fù)進(jìn)機(jī)總?cè)莘e的影響， 提高了測(cè)試的效率， 但沒有考慮復(fù)進(jìn)機(jī)初始狀態(tài)的影響， 還未達(dá)到效率的最優(yōu)， 效率最優(yōu)的是采用自動(dòng)變?nèi)莘乓旱姆椒?

2 自動(dòng)變?nèi)莘乓簻y(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖 2 自動(dòng)變?nèi)莘乓簻y(cè)試過程圖Fig.2 Detection procedure of automatic modulation liquid volume exhaust

復(fù)進(jìn)機(jī)液量測(cè)試過程中， 氣體初壓可直接測(cè)出， 液量是通過測(cè)量放液量及放液后壓力求得， 而放液量則是變?nèi)菰O(shè)計(jì)的目的. 因此， 在初始測(cè)量時(shí)， 無法通過氣體初壓、 液量和精度計(jì)算放液量. 由第1節(jié)分析知， 液量處于平時(shí)狀態(tài)最小值時(shí)， 測(cè)試誤差可達(dá)到最大值和最小值， 因此可利用此值預(yù)估放液量.

測(cè)試過程中， 復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部與外部有明顯壓力差， 易于放液而不易于注液. 因此， 選擇了如圖 2 所示的自動(dòng)變?nèi)莘乓哼^程， 其基本思路是： 測(cè)量復(fù)進(jìn)機(jī)初始?jí)毫Γ?結(jié)合該類型火炮復(fù)進(jìn)機(jī)平時(shí)液量的最小值， 依據(jù)式(9)、 式(13)和式(14)計(jì)算滿足精度要求的最小放液量V1； 根據(jù)第1節(jié)的分析， 該放液量大于最優(yōu)放液量， 因此， 先放出50%的V1， 測(cè)量此時(shí)復(fù)進(jìn)機(jī)的壓力， 結(jié)合初壓可以計(jì)算出復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)一個(gè)液量值； 將這個(gè)液量值與初壓重新利用式(9)、 式(13)和式(14)計(jì)算滿足精度要求的最小放液量； 將此時(shí)計(jì)算的放液量與已放出液量相比較， 如果小于已放出的液量， 則說明測(cè)試結(jié)果已滿足精度要求； 如果大于已放出的液量， 則將繼續(xù)放液到該值， 測(cè)量此時(shí)復(fù)進(jìn)機(jī)的壓力， 重復(fù)上述過程.

依據(jù)圖 2 的測(cè)試過程， 設(shè)計(jì)自動(dòng)變?nèi)莘乓簻y(cè)試系統(tǒng)， 其結(jié)構(gòu)原理如圖 3 所示. 整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)基于虛擬儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)， 以LabWindows/CVI為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)， 將各種型號(hào)火炮所需參數(shù)錄入開發(fā)的軟件中； 硬件上， 分別選用CYYB-110型壓力傳感器、CYYB系列差壓式液位傳感器以及PM512型高精度數(shù)據(jù)采集卡. 將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在計(jì)量站進(jìn)行壓力和液量精度檢定， 壓力測(cè)試精度為[-0.001MPa, 0.001MPa]， 液量測(cè)試精度為[-0.001L, 0.001L]， 將最大值和最小值分別輸入開發(fā)的軟件中.

圖 3 自動(dòng)變?nèi)莘乓簻y(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Structure diagram of liquid volume detection equipment

測(cè)試之前， 在主機(jī)上選定要測(cè)試火炮的型號(hào)， 并將測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)的管道等注滿液體， 以保證放至量筒的液體量與復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)放出液體量相同. 測(cè)試過程中， 打開開閉桿， 使測(cè)試系統(tǒng)與復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)腔連通， 主機(jī)控制測(cè)試系統(tǒng)按照?qǐng)D2的過程對(duì)液量進(jìn)行測(cè)試， 測(cè)試結(jié)束后， 將放出的液體以及需添加的液體通過液壓泵壓入復(fù)進(jìn)機(jī)， 而后關(guān)閉開閉桿， 封閉放液通道.

3 測(cè)量效率比較

某型輪式自行榴彈炮是我軍近幾年列裝的新型主戰(zhàn)火炮， 裝備在我軍機(jī)械化步兵師、 團(tuán). 隨著部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練強(qiáng)度不斷加大， 裝備動(dòng)用頻率加快， 復(fù)進(jìn)機(jī)檢查的頻次也越來越多. 目前， 部隊(duì)配發(fā)的液量檢測(cè)設(shè)備主要由人工后坐設(shè)備、 定容放液0.2L測(cè)試設(shè)備、 定容放液0.5L測(cè)試設(shè)備三種. 利用上述三種設(shè)備和本文的自動(dòng)變?nèi)莘乓悍ū容^， 結(jié)果如表 1 所示. 該自行火炮正常液量范圍是10.27±0.1L， 即測(cè)試誤差的要求為[-0.1L, 0.1L]. 人工后坐設(shè)備使炮身后坐250mm壓縮氣體空間， 其氣體容積變化量相當(dāng)大， 經(jīng)計(jì)算， 其誤差范圍僅為[-0.014 2L,0.014 3L]， 故可將其作為真值使用.

表 1 4種測(cè)試方法效率比較

從表 1 中可以看出， 對(duì)于測(cè)試對(duì)象， 人工后坐法精度較高， 但所需時(shí)間過長(zhǎng)； 放出0.2 L液體不能完全滿足精度的要求； 放出0.5 L能夠滿足精度要求， 但放出液量過多容易將復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)的氣體同時(shí)放出； 自動(dòng)變?nèi)莘乓悍▌t在減少放液量的基礎(chǔ)上， 保證了測(cè)試精度.

4 結(jié) 論

火炮復(fù)進(jìn)機(jī)液量是火炮射擊前的必檢項(xiàng)目， 本文從測(cè)試基本原理出發(fā)， 構(gòu)建了滿足精度要求時(shí)需放液量與火炮種類、 復(fù)進(jìn)機(jī)自身狀態(tài)及測(cè)試設(shè)備誤差之間的函數(shù)關(guān)系， 設(shè)計(jì)了自動(dòng)變?nèi)莘乓簻y(cè)試系統(tǒng)， 較好地實(shí)現(xiàn)了測(cè)試精度與測(cè)試效率的統(tǒng)一， 為部隊(duì)快速、 準(zhǔn)確地檢查復(fù)進(jìn)機(jī)液量提供了方法和手段； 所構(gòu)建的函數(shù)關(guān)系具有普遍性意義， 為放液式液量檢查設(shè)備的精度研究提供理論基礎(chǔ).

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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

張本軍(1984-)， 男， 博士生， 主要從事火炮檢測(cè)與維修等研究.

TJ303

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.02.013