大口徑火炮彈丸卡膛速度測試方法研究

高 瑞， 曹 馨， 杜文斌， 李世立， 焦 波

(西北機電工程研究所， 陜西 咸陽 712099)

大口徑火炮彈丸卡膛速度測試方法研究

高 瑞， 曹 馨， 杜文斌， 李世立， 焦 波

(西北機電工程研究所， 陜西 咸陽 712099)

本文介紹了幾種大口徑火炮彈丸卡膛速度的實用測試方法， 包括鋼絲測速儀測量法、 激光測振儀測量法及高速攝像測量法等3種方法. 分別介紹了這3種方法的測量原理、 測量方法及測量注意事項. 通過對3種方法的測試結(jié)果對比， 分析各方法的差異， 指出差異形成的原因. 測試與分析結(jié)果表明： 激光測振儀法數(shù)據(jù)最可靠、 誤差最小.

彈丸卡膛速度； 鋼絲測速儀； 激光測振儀； 大口徑火炮

0 引 言

大口徑火炮彈丸裝填到位一致性對火炮的射擊精度有較大影響[1-2]. 卡膛速度對彈丸的裝填一致性有較大影響， 進(jìn)而影響彈丸在膛內(nèi)的運動性能及火炮的射擊精度[3]. 因而卡膛速度是彈丸裝填的重要參數(shù)， 也是自動供輸彈系統(tǒng)的一項重要設(shè)計指標(biāo). 大口徑火炮彈丸通常由人力或輸彈器推送入膛， 彈丸入膛后一般靠慣性卡膛. 彈丸卡膛是一個復(fù)雜的動力學(xué)過程， 彈丸在推彈力的作用下以一定的速度與身管坡膛發(fā)生碰撞， 彈帶發(fā)生塑性變形， 在彈帶與坡膛之間形成殘余塑性接觸力和摩擦力， 彈丸在這些力共同作用下可靠停留在膛內(nèi). 彈丸卡膛速度即彈帶與身管坡膛接觸瞬間的速度. 卡膛速度對卡膛過程中彈帶與坡膛的作用力、 彈帶卡膛過程中的應(yīng)力應(yīng)變以及卡膛行程有直接的影響， 從而影響到藥室容積的變化. 彈丸裝填不到位是火炮身管內(nèi)膛形成橢圓形燒蝕磨損的主要原因之一[4]. 同時彈丸裝填不到位是炮口制退器燒蝕的主要原因， 且還會引起彈道諸元的變化[5].

彈丸卡膛速度可以通過理論計算的方式來估計， 也可通過實測方法得到， 實測數(shù)據(jù)更具實際指導(dǎo)意義. 彈丸卡膛速度參數(shù)測試文獻(xiàn)報道較少， 筆者在實際測試工作中曾采用鋼絲測速儀測試法、 激光測振儀測試法以及高速攝像測試法等方法. 由于測試原理不同， 以上方法各有優(yōu)劣， 本文通過對3種測試方法的對比， 分析各方法長處與不足.

1 測試原理

1.1 鋼絲測速儀法

鋼絲測速儀是將鋼絲纏繞在與測速電機同軸的鋼絲軸上， 通過拉動鋼絲來帶動測速電機轉(zhuǎn)動. 測速電機輸出電壓與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系， 而轉(zhuǎn)速又與鋼絲位移和速度成線性關(guān)系. 由此， 可用來測試一些構(gòu)件運動的位移或速度參數(shù). 其原理如圖 1 所示.

在彈丸卡膛速度的測試中， 鋼絲測速儀固定在供彈機尾部隨供彈機運動， 鋼絲通過螺釘固定于彈丸底部， 彈丸在供彈機的作用下拽著鋼絲向膛內(nèi)運動， 如圖 2 所示.

圖 1 鋼絲測速儀原理示意圖Fig.1 The principle of wire-steel velocimeter

圖 2 鋼絲測速儀法測卡膛速度示意圖Fig.2 The schematic of the wire-steel velocimeter method

這種測試方式屬接觸式測試， 固定于彈丸底部的鋼絲隨彈丸一起運動. 鋼絲測速儀的性能對測試結(jié)果有一定影響， 包括鋼絲及測速儀轉(zhuǎn)動的順暢性. 鋼絲測速儀內(nèi)部卷簧的剛度系數(shù)要適中， 彈簧過硬會明顯加大鋼絲的拉伸阻力， 給供電機構(gòu)引入較大負(fù)載； 而彈簧過軟則可能出現(xiàn)當(dāng)彈丸卡膛到位時， 鋼絲軸繼續(xù)慣性旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致出現(xiàn)虛假速度信號. 因此， 要匹配好卷簧剛度及卷簧的預(yù)緊圈數(shù)， 使得鋼絲的拉伸力控制在2.268～4.536 kg之間.

1.2 激光測振儀法

激光測振儀的典型組成如圖 3 所示， 它主要由激光干涉儀、 信號采集、 處理電路、 波形輸出等環(huán)節(jié)組成， 使用激光多普勒效應(yīng)和激光干涉方法， 實現(xiàn)物體表面運動速度、 加速度和位移的非接觸測量， 以模擬或數(shù)字方式給出測量結(jié)果. 其中， 激光干涉儀將運動物體表面速度信息通過激光多普勒效應(yīng)轉(zhuǎn)換成光頻率變化信息， 經(jīng)干涉光路至光電轉(zhuǎn)換器件， 變成頻率隨速度成比例變化的調(diào)頻信號； 信號采集、 處理電路用于實現(xiàn)該調(diào)頻信號的解調(diào)， 給出其速度、 位移及加速度的波形測量數(shù)據(jù)； 波形輸出部分通常用D/A轉(zhuǎn)換電路以模擬的方式輸出， 也可以數(shù)字化的方式直接輸出波形測量數(shù)據(jù)結(jié)果[6].

圖 3 激光測振儀典型框圖Fig.3 The principle of the laser vibrometer method

測試中， 在彈丸底部粘貼一激光反射膜. 激光測振儀發(fā)射一束激光， 通過反射鏡照射在反射膜上. 通過分析反射回的激光束的多普勒效果， 得出彈丸的運動速度. 測試系統(tǒng)如圖 4 所示.

圖 4 激光測振儀法測卡膛速度示意圖Fig.4 The schematic of the laser vibrometer method

激光測振儀測試彈丸的卡膛速度是一種非接觸式測試. 彈丸增加的僅是一小片反光膜， 對彈丸質(zhì)量的影響可以忽略不計. 這種測試方式理論上是一種非常理想的測試方式， 但實際測試中也存在一些需要注意的問題. 首先， 彈丸底部不是一個理想平面(尤其是底凹彈)， 且面積很小， 粘貼的反光膜也就不能過大； 其次， 光路的調(diào)整比較困難. 因為實際測試中受供彈角度及測試空間的限制， 激光測振儀不可能都直接照射反光膜， 多數(shù)情況下是通過反射鏡反射到反光膜上的. 因此， 要保證激光按照照射光路原路返回， 需要調(diào)整好反射鏡， 否則在彈丸的運動過程中， 光點在某個時段會偏出反光膜， 造成該時段數(shù)據(jù)丟失.

此外由激光測振儀的多普勒速度測試機理可知， 當(dāng)被測目標(biāo)的運動方向與激光束的照射方向不平行時， 會引入測試誤差. 因此， 在測試過程中， 反復(fù)調(diào)整激光束的照射位置與角度， 最終達(dá)到了如下的配合效果： 當(dāng)彈丸在距離卡膛到位點500 mm行程范圍內(nèi)運動時， 相應(yīng)的激光束的光斑在橫向移動位移應(yīng)不大于5 mm(包括水平與垂直兩個方向)， 這樣就保證了由激光測振儀的擺放位置所引入的誤差≤0.01%.

最后要注意的是彈丸的整個卡膛行程約2 m， 激光測振儀的光斑會因聚焦范圍所限而出現(xiàn)發(fā)散， 從而影響到信噪比. 因此需要在實驗前聚焦調(diào)整時， 將最佳聚焦點定位在距離卡膛到位點約300 mm～400 mm 的位置上， 以盡可能覆蓋彈丸的運動行程.

1.3 高速攝像法

高速攝像技術(shù)是近年來發(fā)展起來的高科技成像技術(shù)， 該技術(shù)所測信息最接近被攝對象的真實運動狀態(tài)， 能直觀而形象地反映出高速運動物體的時空特性， 高速攝像系統(tǒng)主要由高速攝像機、 光學(xué)鏡頭、 固定臺架、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及圖像跟蹤系統(tǒng)等部分組成[7]. 待測對象、 光學(xué)鏡頭以及高速攝像機之間的光學(xué)成像關(guān)系可由圖 5 描述. 通過高速攝像機拍攝物體運動視頻， 利用高速攝像處理軟件分析所拍視頻， 從而得出物體的運動參數(shù).

圖 5 高速攝像成像關(guān)系示意圖Fig.5 The schematic diagram of high-speed photography imaging

圖 6 高速攝像法測卡膛速度示意圖Fig.6 The schematic of the high-speed photography method

在彈丸卡膛速度測試中， 由于在彈丸進(jìn)膛以后高速攝像機無法拍攝到畫面， 因此高射攝像機無法直接拍攝彈丸， 只能通過間接手段對其測試， 例如將高速攝像機放在供彈機側(cè)面， 拍攝供彈機供彈鏈條的運動， 具體測試系統(tǒng)如圖 6 所示.

高速攝像法測試也是一種非接觸式測試， 對供彈機供彈不造成任何影響， 只要能拍攝到運動畫面， 就能得到相應(yīng)的數(shù)據(jù). 但也有其不足之處. 首先這種測試不是直接測試彈丸速度， 而是通過測試供彈鏈條的運動間接得出彈丸的供彈速度， 因而所得測試結(jié)果跟實際測試有一定的誤差； 其次， 由于供彈機的鏈條也是跟隨彈丸一起進(jìn)入膛內(nèi)， 無法完整跟蹤鏈條上某點的整個運動過程， 只能在彈丸卡膛瞬間之前一段做跟蹤， 得出也只是鏈條該段過程的運動速度. 當(dāng)然， 從理論上講， 只要拍攝全程鏈條的運動， 就能得出鏈條的整個運動速度. 另外， 高速攝像法測試對光線要求比較高， 在實際測試中需要良好的光照條件.

另外， 此前曾有測試人員采用測試供彈機鏈條盒齒輪轉(zhuǎn)速來間接換算成供彈速度， 這種間接測試方式的精度取決于齒輪轉(zhuǎn)速的測試精度.

2 測試結(jié)果與分析

采用3種方法對同一狀態(tài)下彈丸上膛過程進(jìn)行測試， 得到彈丸上膛過程中的卡膛速度參數(shù). 對比鋼絲測速儀法和高速攝像法與激光測振儀法所得卡膛速度的相對關(guān)系. 測試結(jié)果如圖 7 和表 1 所示.

圖 7 彈丸卡膛速度曲線Fig.7 The projectile velocity curves of three methods

本文采用的激光測振儀經(jīng)中國航空工業(yè)集團(tuán)北京長城計量測試技術(shù)研究所依據(jù)國家計量技術(shù)規(guī)范——《激光測振儀校準(zhǔn)規(guī)范》校準(zhǔn)， 精度為0.6%. 激光測振儀法是一種非接觸式直接測量方法， 光路平行度是保證激光測振儀測試精度的關(guān)鍵， 本文采用激光測振儀進(jìn)行彈丸卡膛速度測試時， 彈丸行程為500 mm時， 照射在彈丸底部中心位置的激光斑的橫向偏移量小于2 mm， 由光路不平行引入的誤差為0.000 8%. 本文激光測振儀法的測試數(shù)據(jù)合成誤差為0.6%. 鋼絲測速儀雖然也是直接測試法， 但是由于其測試原理所限， 鋼絲對彈丸有拉拽作用； 高速攝像法通過拍攝輸彈鏈條進(jìn)行間接測試.

由于激光測振儀經(jīng)長城計量研究所依據(jù)國家計量規(guī)范嚴(yán)格校準(zhǔn)， 其測試結(jié)果最為權(quán)威可靠， 因此以激光測振儀法所得數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)， 將其余兩種方法所得的數(shù)據(jù)與之對比， 分析每一種方法得到的彈丸卡膛速度. 由測試數(shù)據(jù)可以看出， 鋼絲測速儀法誤差較高速攝像法大.

3 結(jié) 論

1) 激光測振儀測試方式所得測試結(jié)果最為理想， 誤差最小. 但是在實際應(yīng)用中， 激光測振儀測試方式受測試環(huán)境的影響(例如供彈機結(jié)構(gòu))， 對光路有遮擋， 需要增加反射鏡(甚至是多個反射鏡)， 調(diào)整光路比較耗時.

2) 鋼絲測速儀安裝簡便， 但對彈丸有明顯的拖拽阻力. 鋼絲測速儀測試對供彈機供彈速度的影響最大， 誤差也較大.

3) 高速攝像法測試由于是間接測試， 鏈條及鏈條與彈丸之間存在間隙， 所測得速度數(shù)據(jù)也有一定的誤差. 由于其搭建最為靈活， 在滿足工程測試應(yīng)用的基礎(chǔ)上， 測試最為方便快捷.

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Measurement Methods for Projectile’s Bayonet Velocity of Large Caliber Gun

GAO Rui, CAO Xin, DU Wenbin, LI Shili, JIAO Bo

(Nothwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang 712099, China)

This paper introduces some practical methods to measure the projectile’s bayonet velocity of large caliber gun. They’re based on three different transducers or devices, such as wire-steel velocimeter, laser vibrometer, and high-speed photography. The principles and measuring results of these methods are presented. By comparing the results of the three methods, the differences of each method were analyzed, and the causes of the differences were pointed out.

projectile’s bayonet velocity; wire-steel velocimeter; Laser vibrometer; large caliber gun

2016-11-21

高 瑞(1981-)， 男， 工程師， 主要從事火炮測試技術(shù)的研究.

1671-7449(2017)04-0364-05

TJ306

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.015