氣壓式后坐模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

梁興旺， 李 強(qiáng)， 徐新奇

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 山西太原 030051)

引言

反后坐裝置被譽(yù)為現(xiàn)代火炮的“心臟”，反后坐裝置性能的好壞直接關(guān)系到火炮的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性[1]。通常反后坐裝置設(shè)計(jì)完成后通過(guò)液壓試驗(yàn)機(jī)等來(lái)完成初步驗(yàn)證，甚至直接通過(guò)實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其性能。通過(guò)液壓試驗(yàn)機(jī)的方法無(wú)法達(dá)到反后坐裝置的高速后坐要求，而實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性。

劉林等[2]設(shè)計(jì)了以液壓為動(dòng)力源的后坐模擬試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了仿真分析，為火炮動(dòng)力后坐模擬試驗(yàn)裝置的物理樣機(jī)研制提供了依據(jù)。孫也尊等[3]通過(guò)分析反后坐裝置的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理，并建立虛擬樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化分析。黃振全等[4]設(shè)計(jì)了一種反后坐裝置液壓試驗(yàn)機(jī)，同時(shí)可以對(duì)液量進(jìn)行檢查。吳國(guó)東等[5]設(shè)計(jì)了一種以火藥氣體為能源的反后坐裝置試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)試驗(yàn)表明試驗(yàn)壓力與計(jì)算結(jié)果相近。高躍飛等[6]建立了火藥氣體模擬后坐試驗(yàn)的理論計(jì)算模型并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論模型的正確性。

本研究通過(guò)分析火炮后坐過(guò)程，設(shè)計(jì)了一種氣壓式的后坐模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并且通過(guò)分析模擬后坐過(guò)程中的氣缸壓力變化過(guò)程，推導(dǎo)出氣缸充氣壓力計(jì)算公式，并以某反后坐裝置為原型進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可行性。

1 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)組成

如圖1所示，模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要有架體、滑軌、套箍、配重滑塊、反后坐裝置、氣缸等組成。當(dāng)發(fā)出開始后坐指令后，氣缸上的電磁單向閥被打開，氣缸中的高壓氣體從噴嘴以聲速流出，使得小氣缸中的壓力迅速降低，因此大氣缸中的高壓氣體推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)配重滑塊以及反后坐裝置向后運(yùn)動(dòng)，當(dāng)氣缸活塞桿向后運(yùn)動(dòng)到規(guī)定距離后與配重滑塊上的推桿分離，此時(shí)，模擬后坐部分的速度達(dá)到反后坐裝置的設(shè)計(jì)最大速度，氣缸完成模擬炮膛合力的作用，在之后的行程中反后坐裝置依靠慣性繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，完成剩余的后坐與復(fù)進(jìn)過(guò)程。

圖1 系統(tǒng)總體方案組成

2 氣缸壓力設(shè)計(jì)

2.1 氣缸工作原理

如圖2所示，氣缸主要由大氣缸、小氣缸、活塞、進(jìn)氣閥、放氣閥等組成[7]。氣缸作為模擬后坐的動(dòng)力源，用來(lái)推動(dòng)后坐裝置的后坐及復(fù)進(jìn)。

1.大氣缸 2.電磁作動(dòng)閥 3.壓力傳感器SP 4.氣源 5.活塞 6.小氣缸 7.電磁單向放氣閥

氣缸原理為：氣缸首次工作時(shí)，打開電磁作動(dòng)閥2，給大氣缸和小氣缸充氣，達(dá)到工作氣壓，充氣完畢；關(guān)閉電磁作動(dòng)閥2，繼續(xù)充氣，使活塞回位，活塞回位完畢后關(guān)閉氣源；打開單向放氣閥7，小氣缸放氣，大氣缸與小氣缸形成壓差使活塞向前運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)完畢。非首次工作：大氣缸氣體重復(fù)使用，電磁作動(dòng)閥2始終關(guān)閉；小氣缸充氣，使活塞回位，活塞回位完畢；打開單向放氣閥7，小氣缸放氣，大氣缸與小氣缸形成壓差使活塞向前運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)完畢。

2.2 模擬后坐過(guò)程分析

反后坐模擬測(cè)試裝置是為了模擬后坐過(guò)程中加速過(guò)程的后坐速度以及后坐位移，隨著后坐過(guò)程的進(jìn)行，反后坐裝置中的液體會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的后坐阻力，因此，模擬測(cè)試裝置需要克服加速過(guò)程中的后坐阻力來(lái)推動(dòng)模擬后坐部分向后運(yùn)動(dòng)。其中制退后坐速度位移曲線如圖3所示。

圖3 制退后坐速度位移曲線

其主要模擬膛內(nèi)時(shí)期火藥氣體對(duì)火炮后坐部分的作用力，因此對(duì)氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析：

(1)

式中，x—— 活塞的后坐位移

v—— 活塞的后坐速度

Ft—— 氣缸產(chǎn)生的推力

FR—— 后坐阻力

m—— 模擬后坐部分質(zhì)量

2.3 氣缸推力計(jì)算[8]

氣缸輸出的推力為：

F=p0A0-p1A1-f

(2)

式中，A0—— 大氣缸側(cè)活塞面積

A1—— 小氣缸排氣側(cè)活塞面積

f—— 摩擦阻力(包括活塞與氣缸以及活塞桿與氣缸之間的摩擦力)

p0—— 大氣缸側(cè)的壓強(qiáng)

p1—— 小氣缸側(cè)的壓強(qiáng)

式(2)中，活塞與活塞桿的摩擦力可視為后坐阻力的一部分，因此可將摩擦力移至后坐阻力當(dāng)中，此時(shí)，氣缸的純推力可用下式來(lái)表示：

Ft=p0A0-p1A1

(3)

1) 大氣缸側(cè)氣壓推力計(jì)算

由于后坐過(guò)程時(shí)間極短，大氣缸側(cè)氣體狀態(tài)為絕熱膨脹，因此，大氣缸側(cè)的氣體規(guī)律服從絕熱過(guò)程的氣體狀態(tài)方程：

(4)

式中，p00—— 初始位置時(shí)的大氣缸側(cè)壓強(qiáng)

V00—— 初始位置時(shí)的大氣缸側(cè)體積

p0x—— 后坐開始后任意時(shí)刻的大氣缸側(cè)壓強(qiáng)

V0x—— 后坐開始后任意時(shí)刻的大氣缸側(cè)體積

V0x=V0+A0x

x—— 后坐位移

κ—— 比熱容比，一般取1.4

因此，大氣缸側(cè)的氣壓推力變化規(guī)律為：

(5)

2) 小氣缸排氣側(cè)阻力計(jì)算

對(duì)小氣缸排氣側(cè)，由于放氣時(shí)間很短，可視為絕熱放氣，同時(shí)由于活塞的后坐運(yùn)動(dòng)，小氣缸側(cè)的體積也在不斷縮小，因此，小氣缸側(cè)的放氣過(guò)程為變體積的絕熱放氣過(guò)程，其氣體狀態(tài)方程為：

-κRTdM=κp1xdV1x+V1xdp1x

(6)

式中，T—— 熱力學(xué)溫度

dM—— 氣體質(zhì)量的變化量

p1x—— 放氣過(guò)程中小氣缸側(cè)的壓強(qiáng)

V1x—— 放氣過(guò)程中小氣缸側(cè)的體積

當(dāng)外界大氣壓力與小氣缸側(cè)的壓力比值小于0.528時(shí)，氣體以聲速流出的質(zhì)量流量為：

(7)

式中，QM—— 質(zhì)量流量

S—— 排氣孔面積

因此，從腔室中流出的氣體的質(zhì)量dM=QMdt，因此小氣缸側(cè)的壓強(qiáng)變化規(guī)律可寫為：

(8)

因此結(jié)合制退后坐的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)上式進(jìn)行積分，可以得到小氣缸中的氣體壓力隨后坐位移的變化規(guī)律:

(9)

式中，L為小氣缸長(zhǎng)度。

在放氣過(guò)程中，氣體流經(jīng)放氣孔口的時(shí)間很短，可以忽略其中的摩擦損失，因此可認(rèn)為放氣孔口的流動(dòng)為絕熱過(guò)程的等熵流動(dòng)，故小氣缸內(nèi)的氣體溫度服從絕熱過(guò)程的溫度變化規(guī)律：

(10)

式中，T0—— 小氣缸側(cè)初始溫度

Tx—— 任意時(shí)刻溫度

3) 推力計(jì)算

由以上分析可知，大氣缸側(cè)活塞的工作面積A0與小氣缸側(cè)活塞的工作面積A1由結(jié)構(gòu)確定可知，大氣缸側(cè)的氣體壓強(qiáng)p0x與小氣缸側(cè)的氣體壓強(qiáng)p1x的變化規(guī)律可以計(jì)算得出。因此，氣缸的純推力為：

(11)

2.4 氣缸負(fù)載阻力計(jì)算

反后坐模擬測(cè)試裝置主要用于測(cè)試反后坐裝置的后坐阻力是否滿足要求。因此氣缸的負(fù)載為理論后坐阻力FR。后坐阻力是由制退機(jī)液壓阻力FΦh，復(fù)進(jìn)機(jī)力Ff，滑軌的摩擦力FT，密封裝置的摩擦力f，以及后坐部分重力的分力等組成。在該測(cè)試裝置中，只模擬反后坐裝置在0°射角下的后坐過(guò)程，因此可以不考慮后坐部分重力的分力。故后坐阻力可由下式表示:

FR=FΦh+Ff+f+FT

(12)

在反后坐模擬測(cè)試裝置中，搖架導(dǎo)軌的摩擦力可用模擬后坐部分在滑軌上的摩擦力代替，密封裝置的摩擦力包括反后坐裝置密封裝置以及氣缸密封裝置的摩擦力。

2.5 氣缸壓力計(jì)算

進(jìn)行試驗(yàn)之前，活塞兩側(cè)受力平衡，對(duì)活塞進(jìn)行受力分析，可以得出p00與p10的關(guān)系如下:

(13)

因此，氣缸的推力為:

(14)

已知?dú)飧谆钊倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律后，可由活塞的理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律求出所需要的氣缸推力，進(jìn)而得出大氣缸側(cè)的初始?jí)毫00。

此時(shí)求得的大氣缸初始?jí)毫00為開始工作前活塞在工作位置時(shí)的大氣缸壓力，在向大氣缸充氣時(shí)，活塞受到高壓氣體的作用，其在靠后的位置上。此時(shí)大氣缸的壓力為充氣壓力p，其值比p00小。當(dāng)大氣缸側(cè)的充氣壓力達(dá)到p時(shí)，向小氣缸中開始充氣，直到活塞位置回到工作位置，此時(shí)的大氣缸側(cè)的壓力為p00，這一過(guò)程可視為等溫過(guò)程，因此p與p00之間的關(guān)系可用下式求出:

p(V0+V1)=p00V0

(15)

(16)

3 模擬試驗(yàn)

3.1 大氣缸充氣壓力計(jì)算

以某型火炮反后坐裝置為原型，進(jìn)行后坐模擬試驗(yàn)。該反后坐裝置設(shè)計(jì)某火炮制退后坐速度位移曲線如圖4所示。

圖4 某火炮制退后坐速度位移曲線

由圖4可以看出，該反后坐裝置設(shè)計(jì)后坐位移為300 mm，最大后坐速度為2.56 m/s。由模擬試驗(yàn)裝置的工作原理可知，氣缸工作過(guò)程為模擬后坐加速部分，即在后坐開始的34 mm行程內(nèi)速度達(dá)到2.56 m/s。因此，根據(jù)前述分析，結(jié)合氣缸相應(yīng)尺寸，可以計(jì)算得出模擬該反后坐裝置后坐過(guò)程所需要的大氣缸側(cè)充氣壓力為4 MPa。

3.2 模擬試驗(yàn)測(cè)試

依據(jù)前期設(shè)計(jì)加工，模擬試驗(yàn)裝置如圖5所示。為直觀的觀測(cè)模擬反后坐裝置的后坐過(guò)程參數(shù)，運(yùn)用LabVIEW編制相應(yīng)的軟件控制界面，進(jìn)行后坐模擬試驗(yàn)的控制與測(cè)試，如圖6所示。試驗(yàn)開始前，點(diǎn)擊大氣缸充氣，通過(guò)空氣壓縮機(jī)向大氣缸中充入4 MPa高壓氣體，然后點(diǎn)擊小氣缸回位，向小氣缸中充氣，使得活塞回到初始位置，此時(shí)，試驗(yàn)前準(zhǔn)備完畢。點(diǎn)擊后坐開始，放氣閥被打開，小缸中的氣體排出，活塞推動(dòng)反后坐裝置進(jìn)行模擬后坐過(guò)程，軟件界面同時(shí)檢測(cè)反后坐裝置的各個(gè)參數(shù)。

圖5 試驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)

圖6 模擬實(shí)驗(yàn)界面

3.3 結(jié)果對(duì)比

對(duì)反后坐裝置而言，其最重要的參數(shù)為工作腔壓力，工作腔壓力與后坐行程以及后坐速度有很大的關(guān)系。后坐模擬試驗(yàn)裝置的主要功能為模擬后坐行程以及后坐速度，因此，對(duì)于已知參數(shù)的反后坐裝置，其在同樣地后坐行程及速度上應(yīng)有相同的工作腔壓力。因此，將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)參數(shù)相對(duì)比，可得出模擬試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)是否準(zhǔn)確合理，如圖7、圖8所示。

圖7 制退后坐速度位移曲線對(duì)比

由圖7可以看出，模擬實(shí)驗(yàn)裝置后坐位移與后坐速度峰值基本與設(shè)計(jì)值相同，但峰值相對(duì)滯后，這種情況是由于小氣缸側(cè)電磁放氣閥排氣速度較慢所致。由圖8可以看出，試驗(yàn)工作腔壓力與設(shè)計(jì)工作腔壓力值基本相同，但試驗(yàn)工作腔壓力后期壓力值比設(shè)計(jì)壓力值大，這是由于反后坐裝置中節(jié)制桿調(diào)整造成的工作腔壓力降低有一定程度的滯后現(xiàn)象。

圖8 工作腔壓力對(duì)比

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)火炮后坐過(guò)程分析，設(shè)計(jì)了一種氣壓式后坐模擬試驗(yàn)裝置。該裝置通過(guò)氣缸兩側(cè)壓強(qiáng)差來(lái)推動(dòng)活塞，進(jìn)而推動(dòng)反后坐裝置模擬后坐運(yùn)動(dòng)。并通過(guò)分析模擬后坐過(guò)程中的氣缸壓力變化過(guò)程，推導(dǎo)出氣缸充氣壓力計(jì)算公式。以某型火炮反后坐裝置為原型，計(jì)算得到其所需要的氣缸壓力，進(jìn)行后坐模擬實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，后坐模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本能滿足要求。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于反后坐裝置，緩沖器，懸架等緩沖裝置的試驗(yàn)與輔助設(shè)計(jì)。