火炮結(jié)冰結(jié)霜射擊試驗技術(shù)研究

陳蕊，萬先鋒，王志杰，佘昌偉，劉偉

（1.西安昆侖工業(yè)（集團）有限責任公司，西安 710043； 2.廣州克萊美特儀器設(shè)備科技有限公司，廣州 511458）

引言

某火炮結(jié)冰結(jié)霜環(huán)境試驗是考核火炮在高低溫結(jié)冰結(jié)霜環(huán)境下零部件的強度、機構(gòu)動作的可靠性、以及射擊指標能否滿足火炮作戰(zhàn)要求。GJB《某火炮***壽命試驗方法》結(jié)冰結(jié)霜試驗要求，要求火炮在-50℃保存6 h后，將火炮移至常溫條件下放置1～1.5 h或待其外表面結(jié)霜蒙上濕氣并開始出現(xiàn)水珠為止，將表面、膛內(nèi)水珠擦拭干凈后，再將火炮移入低溫-50 ℃的低溫環(huán)境環(huán)境箱出現(xiàn)結(jié)冰結(jié)霜現(xiàn)象后保低溫1 h后進行實彈射擊。在以往結(jié)冰結(jié)霜射擊試驗一般采用人工手動拆卸移出辦法，即操作人員進入-50 ℃低溫環(huán)境箱首先把火炮從炮架上拆下，然后手動抬出環(huán)境箱至常溫下。此方法對小型火炮來說適用，從拆卸到移出大約10 min左右，對于大型火炮來說，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大、重量較大，操作復(fù)雜，整個操作過程1 h以上，一是人員不能長時間待低溫環(huán)境箱，需頻繁更換操作人員，二是頻繁拆裝某火炮增加了火炮的故障率。三，環(huán)境箱密封嚴實，箱內(nèi)空氣干燥；在冬天，如果室外空氣干燥，即使將火炮移至常溫下，也很難結(jié)霜凝露。常規(guī)環(huán)境箱要實現(xiàn)結(jié)冰結(jié)霜試驗一般采用噴淋方式，而噴淋方式與自然空氣溫差結(jié)霜蒙濕氣不同，無法滿足GJB《火炮自動機壽命試驗方法》試驗要求。同時，普通環(huán)境箱一般要求箱內(nèi)空氣干燥，避免在溫度較低情況下蒸發(fā)器結(jié)霜引起壓縮機結(jié)霜結(jié)冰導致系統(tǒng)性能下降。因此開展火炮結(jié)冰結(jié)霜試驗相對困難。

1 結(jié)冰結(jié)霜試驗技術(shù)

鑒于上述情況，一，試驗箱自身密封的局限，二火炮拆卸困難，我們考慮能否突破此兩項桎梏，尋求第三方資源，引入加熱加濕新風吹風系統(tǒng)，同時利用自然環(huán)境變化資源來解決問題。我們將高低溫環(huán)境箱設(shè)計為快速升溫模式，即在低溫情況下溫度迅速回升，同時引入加熱加濕新風吹風系統(tǒng)，而此系統(tǒng)僅對火炮進行吹掃，無需將火炮移出，完成結(jié)冰結(jié)霜射擊試驗。

1.1 快速升溫模式

在試驗箱設(shè)計初我們將設(shè)備設(shè)計為快速升溫模式，即升溫速率≥10 ℃/min，這樣設(shè)計的理念就是利用自然環(huán)境規(guī)律來達到試驗?zāi)康?，空氣中只有在溫差變化較大的情況下，才可出現(xiàn)結(jié)霜凝珠現(xiàn)象，火炮在-50 ℃保存6 h甚至更長時間，試件已完全凍透，在快速升溫過程中，僅環(huán)境箱內(nèi)空氣溫度迅速上升，而火炮溫度則無法這么快速響應(yīng)，試驗箱從-50 ℃升至0 ℃需要5 min，而此時火炮溫度可能為-40 ℃左右，甚至更低，在-40 ℃與0 ℃的溫差下，火炮表面自然會有結(jié)霜現(xiàn)象發(fā)生。隨著環(huán)境箱內(nèi)溫度的迅速上升，火炮表面結(jié)霜凝露至水珠出現(xiàn)，從而達到考核火炮的目的。如果升溫速率為1℃/min，或者更低，那么，試驗箱從-50 ℃升至0 ℃需要50 min甚至更長時間，此時火炮溫度和箱內(nèi)溫度同步上升，行不成較大溫差，試驗失敗。上面研究是從大自然環(huán)境理論的角度來分析，而實際工況是在相對密閉箱體內(nèi)空氣較干燥，濕度較低，尤其在北方干燥的冬季，幾乎無法實現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，因此我們引入加熱加濕新風系統(tǒng)。

1.2 加熱加濕新風系統(tǒng)

環(huán)境箱長時間保高溫、保低溫試驗，箱內(nèi)空氣相對干燥，濕度低，在溫差較大的情況下，也無法完成結(jié)霜凝珠試驗。新風吹風系統(tǒng)主要將實時環(huán)境空氣經(jīng)過過濾、加濕、加熱后引入環(huán)境箱。具體包含塵過濾器、加濕鍋爐、加熱器、離心分輪、風機、進出口溫度濕度傳感器等。其主要工作原理圖見圖1所示。

塵過濾器主要材質(zhì)為縱橫交錯的波形不銹鋼網(wǎng)組成，過濾網(wǎng)多層次交叉將空氣中沙粒、粉塵、揚塵以及氣態(tài)污染物經(jīng)過物理化學反應(yīng)形成的鹽類顆粒物濾除掉。加濕鍋爐主要是通過蒸汽加濕，它的作用是將過濾后的干燥空氣增加濕度，增加空氣中水分子含量，在溫差變化大的情況下極易結(jié)霜凝露。利用PID算法來控制加濕量，加濕量從0～100 %PH進行無級調(diào)節(jié)，實現(xiàn)精確控制。在北方冬天或者溫度相對低的環(huán)境下，空氣溫度皆在0 ℃以下，加熱器功能是將空氣溫度按設(shè)定的溫度值進行加熱，加熱器一般采用鎳鉻絲進行加熱，離心風輪就是強制空氣對流熱換，達到恒定溫度、恒定濕度并將空氣送出。風機設(shè)有擋位調(diào)整，分為低中高三檔進行可調(diào)，以此控制出風口風流量。進風口、出風口位置分別安裝溫度、濕度傳感器，溫度傳感器采用K型熱電偶，濕度傳感器采用電容式濕度傳感器，溫濕度傳感器皆有響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點。進風口溫度、濕度主要用于檢測外部引入空氣溫度濕度值，即為當下環(huán)境溫度濕度值，出風口溫度、濕度主要用于控制加熱器、加濕鍋爐輸出。出風口溫濕度值可根據(jù)結(jié)霜凝露情況進行調(diào)節(jié)設(shè)置。當環(huán)境溫濕度值大于設(shè)置溫濕度值，系統(tǒng)加熱器加濕鍋爐不工作，此過濾后的空氣可直接作為新風源使用。其中一項高于設(shè)定值則該項加熱器或加濕鍋爐不參與工作，低于設(shè)定值參與工作。整個循環(huán)控制系統(tǒng)通過PLC精準控制來實現(xiàn)。

圖1 加熱加濕新風系統(tǒng)工作原理圖

1.3 通風管路

我們設(shè)計引入的新風系統(tǒng)主要是引入高溫、高濕空氣，目的為了與環(huán)境箱內(nèi)火炮形成溫差，另外一個重要的原因就是引入的新風可獨立對火炮進行吹掃，如果將新風引入整個箱體，那么箱體頂部蒸發(fā)器同火炮一樣也出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，這樣導致壓縮機結(jié)霜整個制冷系統(tǒng)性能下降，甚至損壞壓縮機導致環(huán)境箱故障。因此，我們設(shè)計了獨立吹掃通風管路。

環(huán)境箱頂部預(yù)留出風口，新風系統(tǒng)出風口與環(huán)境箱頂部用普通通風管連接，箱頂出風口與火炮之間用可隨意拉伸硅橡膠管連接，硅橡膠管耐溫范圍為-73～180 ℃，硅橡膠管一端與箱頂出風口連接，另一端與不銹鋼管連接，不銹鋼管口設(shè)計為喇叭口，便于擴大吹掃面積，如圖2所示。

圖2 通風管路系統(tǒng)工作示意圖

2 火炮結(jié)冰結(jié)霜試驗

2.1 低溫存儲試驗

按火炮環(huán)境試驗要求，將火炮試件移入低溫環(huán)境箱，并安裝完好，進行低溫存儲試驗。

2.2 結(jié)霜凝珠試驗

當火炮低溫保溫結(jié)束后，將環(huán)境箱溫度控制設(shè)置為自動升溫模式，即最大升溫速率模式，目標溫度可根據(jù)試驗情況設(shè)置為20 ℃或者30 ℃，可調(diào)節(jié)，并啟動升溫試驗。同時啟動加熱加濕新風系統(tǒng)，新風系統(tǒng)濕度、溫度設(shè)置可隨意調(diào)節(jié)，根據(jù)火炮表面結(jié)霜緩慢程度進行設(shè)置。將通風管拉伸至火炮位置，不銹鋼喇叭口對著火炮表面進行來回吹掃，當環(huán)境溫度低于0 ℃，引入高溫加濕新風空氣，火炮表面出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，當結(jié)霜達到一定要求時，關(guān)閉新風系統(tǒng)，完成火炮產(chǎn)品GJB結(jié)霜考核要求。隨著箱內(nèi)環(huán)境溫度迅速上升，此時火炮自身溫度恢復(fù)緩慢，當環(huán)境溫度高于0 ℃，火炮表面慢慢蒙上濕氣，隨著溫度繼續(xù)上升，直至達到設(shè)定溫度值，此時，環(huán)境箱停止升溫，保持此溫度值，火炮表面及膛內(nèi)由蒙上濕氣到出現(xiàn)凝珠現(xiàn)象，此時達到了GJB凝珠環(huán)境考核要求，關(guān)閉環(huán)境箱控制系統(tǒng)。

2.3 低溫結(jié)冰保存

用干凈棉紗將火炮表面、膛內(nèi)水珠擦拭干凈，然后，將環(huán)境箱溫度控制設(shè)置為程序控制模式，降溫速率設(shè)置為1 ℃/min，低溫目標溫度設(shè)置為試驗要求溫度，并進行低溫保存。由于火炮膛內(nèi)及一些零部件拐角位置處有部分地方水珠不易擦拭，在低溫保存時產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，達到GJB低溫結(jié)冰環(huán)境考核要求。

2.4 實彈射擊試驗

低溫保存結(jié)束后，打開環(huán)境箱射擊窗口，完成實彈射擊試驗，完成整個結(jié)冰結(jié)霜試驗考核。

3 結(jié)論

由于在-50～20 ℃采用了快速升溫模式，空氣溫度迅速回溫，而火炮溫度恢復(fù)緩慢，造成了一定的溫差，于此同時引入加濕加熱過濾后的新風空氣，從而實現(xiàn)了結(jié)霜結(jié)冰試驗。環(huán)境箱在常規(guī)設(shè)置基礎(chǔ)上引入新風系統(tǒng)，并對火炮單獨吹掃，實現(xiàn)了僅火炮完成結(jié)冰結(jié)霜試驗。同時避免了因拆裝火炮帶來的火炮故障隱患，人員低溫操作帶來的安全隱患。

該試驗箱完成多項火炮結(jié)冰結(jié)霜試驗，試驗箱運作穩(wěn)定，結(jié)冰結(jié)霜效果顯著，實現(xiàn)了常規(guī)試驗箱開展結(jié)冰結(jié)霜這一重要功能。