基于負(fù)壓法炮彈氣密性檢測(cè)方法研究

胡延臣，王新穎，宋佳祺

（1.陸軍駐牡丹江地區(qū)軍事代表室，黑龍江 牡丹江 157000； 2.沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng) 110159；3.陸裝沈陽(yáng)軍代局，沈陽(yáng) 110015）

炮彈成品長(zhǎng)期儲(chǔ)存在部隊(duì)庫(kù)房中，炮彈的氣密性直接決定了其長(zhǎng)期儲(chǔ)存的可靠性。為防止炮彈因漏氣而失效，炮彈氣密性檢測(cè)在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在傳統(tǒng)炮彈檢測(cè)中，常通過(guò)底火孔向炮彈內(nèi)充高壓氣體來(lái)檢測(cè)炮彈的氣密性，但當(dāng)?shù)谆鸢惭b之后，底火處的氣密性無(wú)法驗(yàn)證。因此，當(dāng)前工藝只對(duì)炮彈半成品和發(fā)射裝藥半成品進(jìn)行氣密性檢測(cè)，還無(wú)法便捷、批量地實(shí)現(xiàn)全彈成品的檢測(cè)。由于檢測(cè)手段的缺乏，在炮彈生產(chǎn)工藝和倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中，往往會(huì)遺漏部分的檢測(cè)內(nèi)容，這必然會(huì)引入一定的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，影響炮彈長(zhǎng)期儲(chǔ)存的可靠性。因此，炮彈全彈的氣密性檢驗(yàn)對(duì)進(jìn)一步保障炮彈長(zhǎng)期儲(chǔ)存的可靠性具有重要意義。

目前用氣體流量公式進(jìn)行氣密性檢測(cè)的應(yīng)用較多[2]。首先測(cè)量與泄漏量相關(guān)的一些參數(shù)，例如壓力、壓差、超聲波等[3]，然后將這些相關(guān)量通過(guò)一定的關(guān)系式轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的泄漏量。為提高泄漏檢測(cè)的精度與效率，國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)提出了一些理論和方法[4-5]，如快速充氣法、溫度補(bǔ)償法、基準(zhǔn)曲線法、加裝填充物減少被測(cè)工件內(nèi)容積等方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣密性檢測(cè)理論做了大量的研究，GUNTUR H L等[6]研究了壓差檢測(cè)方法；JOHNSON C H等[7]提出了基于聲學(xué)原理的無(wú)損檢測(cè)方法；CHEN P等[8]通過(guò)對(duì)聲泄漏信號(hào)的研究評(píng)估出液壓缸泄漏的情況；GIL PITA R等[9]提出了使用頸項(xiàng)基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)(RBFN)的超聲波探傷方案；合肥智能機(jī)械研究所提出了模糊評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[10]；南京理工大學(xué)研究了器件的極限泄漏率并將其作為產(chǎn)品氣密性檢測(cè)的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)[11]，南京航空航天大學(xué)對(duì)復(fù)雜零件腔體的氣密性檢測(cè)技術(shù)展開(kāi)研究，建立了零件腔體泄漏率模型和等效內(nèi)容積的計(jì)算模型[12]；張偉等[13]描述了一種密封箱室氣密性驗(yàn)收檢測(cè)方案；上海交通大學(xué)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域展開(kāi)了超聲波技術(shù)檢測(cè)[14]；遲曉銘等利用紅外成像檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)泄露源的遠(yuǎn)距離、大范圍檢測(cè)及快速定位[15]。此外，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)一直在尋求一種有效的干式泄漏檢測(cè)與定位的方法，主要產(chǎn)品集中在兩類，一類是利用質(zhì)譜檢測(cè)的原理[16]，采用稀有氣體作為示蹤介質(zhì)，探頭在被測(cè)對(duì)象外逐點(diǎn)檢測(cè)，當(dāng)探頭靠近泄漏點(diǎn)時(shí)，儀器進(jìn)行聲光報(bào)警；另一類是利用超聲波定向原理[17-18]，向被測(cè)對(duì)象充入一定壓力的純凈空氣，當(dāng)被測(cè)對(duì)象存在較大漏孔時(shí)，氣體就會(huì)穿過(guò)漏孔形成湍流，此時(shí)利用檢漏儀的超聲波定向探頭進(jìn)行掃描，即可完成漏點(diǎn)定位。

綜合比較目前的檢測(cè)方法，傳統(tǒng)的示蹤氣體法受檢測(cè)原理的限制，存在效率低、無(wú)法在線診斷等缺點(diǎn)[19]。超聲波法也只能在泄漏孔較大并且泄漏氣體為湍流時(shí)才可以采用[20]。對(duì)具有一定體積、外觀完整的炮彈進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)、局部、非破壞性的氣密性檢測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳的檢測(cè)成本控制、效率、性能等，目前尚未實(shí)現(xiàn)。本文提出一種基于負(fù)壓法的炮彈局部氣密性檢驗(yàn)方法，詳細(xì)說(shuō)明了該方法的基本原理和檢測(cè)算法。該方法可實(shí)現(xiàn)定裝式炮彈的全彈檢測(cè)，以及分裝式炮彈彈丸和發(fā)射裝藥藥筒的密封性單獨(dú)檢測(cè)。該方法主要應(yīng)用于炮彈生產(chǎn)環(huán)節(jié)、儲(chǔ)存過(guò)保期技術(shù)檢測(cè)環(huán)節(jié)的炮彈氣密性檢驗(yàn)，同時(shí)也可促進(jìn)和指導(dǎo)炮彈氣密性檢驗(yàn)設(shè)備的研制。

1 炮彈氣密性檢測(cè)方法原理

1.1 炮彈氣密性檢測(cè)方法的約束

炮彈類生產(chǎn)及存儲(chǔ)在各階段、各個(gè)部位都安排有氣密性檢測(cè)環(huán)節(jié)，但相應(yīng)的檢驗(yàn)方法都存在一定的局限性，對(duì)于炮彈的成品或長(zhǎng)儲(chǔ)的氣密性檢測(cè)則較為困難，這主要是由炮彈自身特征所涉及的成本、方法實(shí)現(xiàn)難度、檢驗(yàn)的批量等方面因素決定的。因此，常規(guī)炮彈成品的氣密性檢測(cè)方法有一定約束性，需要適應(yīng)炮彈自身的特征，總結(jié)起來(lái)大體如下：

1）炮彈內(nèi)腔具有一定量的體積，火藥裝填具有一定的空隙，空隙間不可避免地保有一定數(shù)量的氣體，氣體壓強(qiáng)應(yīng)與裝配時(shí)環(huán)境溫度下的壓強(qiáng)相同；

2）適應(yīng)炮彈整體檢測(cè)或局部檢測(cè)，檢測(cè)部位和待檢測(cè)部位的形狀根據(jù)炮彈型號(hào)不同而存在差異；

3）炮彈氣密性檢測(cè)不能破壞原有炮彈的完整性，檢測(cè)手段可重復(fù)進(jìn)行；

4）炮彈拆裝后，重新裝配仍可執(zhí)行同樣的氣密性檢測(cè)；

5）炮彈成品在常規(guī)環(huán)境下即可進(jìn)行氣密性檢測(cè)；

6）針對(duì)炮彈批量生產(chǎn)工藝，氣密性檢測(cè)需要快捷、便捷、安全、可靠、成本低廉。

1.2 炮彈氣密性檢測(cè)方法的基本原理

炮彈成品為含內(nèi)腔的完整封閉體，在實(shí)際工況下，正壓法檢測(cè)無(wú)法用于炮彈成品及倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程。根據(jù)炮彈氣密性檢測(cè)的實(shí)際需求，文中提出了差壓式負(fù)壓檢測(cè)方法。負(fù)壓法可以方便檢測(cè)儀器與被測(cè)物的接觸，無(wú)需外加力即可連接，而且靈敏度比正壓法高。采用負(fù)壓法檢測(cè)炮彈氣密性時(shí)，需要保證負(fù)壓腔抽真空不受炮彈內(nèi)腔原有氣體外泄的影響；需要考慮實(shí)現(xiàn)該方法的儀器的側(cè)漏率問(wèn)題，即需要考慮外界空氣進(jìn)入儀器對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。同時(shí)，該方法需要針對(duì)具有一定空氣容量的炮彈密封檢測(cè)，否則會(huì)因?yàn)槿萜鲀?nèi)泄漏氣體少、測(cè)量敏感度低而導(dǎo)致檢測(cè)不準(zhǔn)。

炮彈氣密性檢測(cè)方法的基本原理如圖1所示。測(cè)試裝置由聯(lián)接腔、測(cè)量腔、基礎(chǔ)腔三個(gè)真空腔組成，其體積分別為Q1、Q2、Q3。聯(lián)接腔覆蓋被測(cè)對(duì)象，內(nèi)裝有真空檢測(cè)傳感器1，通過(guò)閥門1與測(cè)量腔相通，不與大氣環(huán)境相鄰。測(cè)量腔包裹聯(lián)接腔并覆蓋被測(cè)對(duì)象，其形狀和腔體空間根據(jù)炮彈被測(cè)部位形狀不同而不同。測(cè)量腔與大氣環(huán)境、聯(lián)接腔都密封隔離，腔內(nèi)裝有真空檢測(cè)傳感器2，通過(guò)閥門2與基礎(chǔ)腔相通?；A(chǔ)腔為一個(gè)大的真空腔，腔內(nèi)裝有真空檢測(cè)傳感器3，負(fù)責(zé)真空狀態(tài)的保持，提供工作狀態(tài)所需的真空環(huán)境。傳感器4用于測(cè)量工作時(shí)的大氣壓力。真空泵和閥門3配合使用，保證基礎(chǔ)腔一直處于一個(gè)穩(wěn)定的真空狀態(tài)。閥門3只有在閥門2關(guān)閉狀態(tài)時(shí)才準(zhǔn)許工作。三個(gè)腔的體積關(guān)系如下所示：

圖1 炮彈氣密性檢測(cè)裝置原理 Fig.1 Schematic diagram of shell air tightness detection device

檢測(cè)方法實(shí)施流程如圖2所示。將被測(cè)彈藥與測(cè)試裝置的聯(lián)接腔連接固定好，打開(kāi)閥門3，此時(shí)測(cè)試裝置的聯(lián)接腔和測(cè)量?jī)?nèi)的壓力與大氣壓相等。將基礎(chǔ)腔抽至真空狀態(tài)，關(guān)閉閥門3、打開(kāi)閥門2，此時(shí)測(cè)量腔與基礎(chǔ)腔真空度相同，通過(guò)測(cè)量真空度的變化計(jì)算測(cè)量腔與聯(lián)接腔之間、測(cè)量腔與大氣之間的壓差泄漏率。關(guān)閉閥門2、打開(kāi)閥門1，根據(jù)測(cè)量腔內(nèi)真空度的變化情況，判斷檢測(cè)部位的氣密性。

圖2 檢測(cè)方法實(shí)施流程 Fig.2 Implementation flow chart of detection method

2 炮彈氣密性檢測(cè)計(jì)算

如果炮彈的氣密性很差或是測(cè)量裝置的密封性嚴(yán)重不足，漏氣會(huì)極為明顯，真空檢測(cè)傳感器測(cè)量值的變化也會(huì)非常明顯，很容易判別，無(wú)需計(jì)算。由于泄漏是通過(guò)壓差發(fā)生的，測(cè)量腔中的真空度變化要通過(guò)一段時(shí)間的氣體泄漏量來(lái)反映，因此文中的檢測(cè)計(jì)算針對(duì)常規(guī)情況，即炮彈的氣密性問(wèn)題或測(cè)量裝置的密封性問(wèn)題。

設(shè)定炮彈密封部位的氣密性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為，在一定的炮彈內(nèi)外壓力差環(huán)境下，在一定時(shí)間內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下由炮彈內(nèi)向外泄漏氣體的體積小于規(guī)定值。記為：

式中：Q,pt為由炮彈向外泄漏的氣體體積；p為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的炮彈內(nèi)外壓力差；t為規(guī)定的泄漏檢測(cè)時(shí)間；QE為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的合格標(biāo)準(zhǔn)氣體體積。

因工程狀況的復(fù)雜性及測(cè)量裝置的差異性，為了方便操作和經(jīng)濟(jì)性等因素，執(zhí)行時(shí)通常選擇大于炮彈內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)壓力差且時(shí)間長(zhǎng)于規(guī)定時(shí)間的參數(shù)，計(jì)算出炮彈向外泄漏的氣體體積仍小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，則判定合格。其中，具體的大于炮彈內(nèi)外壓力差值和時(shí)間長(zhǎng)于規(guī)定時(shí)間值要根據(jù)不同測(cè)量裝置的工藝狀況給定，需要滿足國(guó)標(biāo)和國(guó)軍標(biāo)的要求。由于測(cè)試裝置的安裝條件不同，為了檢驗(yàn)炮彈氣密性標(biāo)準(zhǔn)是否滿足要求，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的炮彈狀況來(lái)計(jì)算確定相關(guān)參數(shù)。炮彈密封箱檢測(cè)計(jì)算的過(guò)程如圖3所示，炮彈泄漏氣體量的計(jì)算公式在下文中會(huì)逐一給出。

圖3 炮彈氣密性檢測(cè)計(jì)算的過(guò)程 Fig.3 Calculation process of shell air tightness detection calculation

2.1 測(cè)量腔安裝密封效果的檢驗(yàn)

儀器在正常工作條件下，由基礎(chǔ)腔維持穩(wěn)定的真空度條件；當(dāng)基礎(chǔ)腔達(dá)不到條件時(shí)，由真空泵工作來(lái)維持基礎(chǔ)腔中的真空度。在真空泵停止運(yùn)行的狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)，打開(kāi)閥門2，保證測(cè)量腔與基礎(chǔ)腔聯(lián)通，其它各閥門均關(guān)閉，測(cè)量腔和基礎(chǔ)腔的氣壓值瞬間保 持一致，其計(jì)算公式如下：

式中：P準(zhǔn)備為打開(kāi)閥門2時(shí)兩腔的壓力；P基礎(chǔ)為基礎(chǔ)腔中維持的壓力；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，可以理解為外界大氣壓力值；Q2、Q3分別為測(cè)量腔、基礎(chǔ)腔的體積。當(dāng)該計(jì)算值與此時(shí)測(cè)量腔中真空傳感器測(cè)得的氣體壓力值差別大時(shí)，表明儀器裝置未準(zhǔn)備好，密封性差，不能進(jìn)行測(cè)試工作。

2.2 測(cè)量腔泄漏的壓差泄漏率計(jì)算

2.2.1 聯(lián)接腔向測(cè)量腔泄漏的氣體量

如果P準(zhǔn)備與此時(shí)測(cè)量腔中測(cè)得的氣體壓力值一致，當(dāng)P準(zhǔn)備<

當(dāng)測(cè)量腔與基礎(chǔ)腔連通并保持統(tǒng)一真空度時(shí)，為減少基礎(chǔ)腔的干擾，關(guān)閉閥門2，切斷測(cè)量腔與基礎(chǔ)腔的連接。保持一段時(shí)間T校準(zhǔn)，如果存在裝置側(cè)漏問(wèn)題，測(cè)量腔和聯(lián)接腔內(nèi)的壓力傳感器將測(cè)得氣壓的相應(yīng)變化，公式為：

式中：Q聯(lián)為由聯(lián)接腔向測(cè)量腔泄漏的氣體在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體量；1,TP校準(zhǔn)為聯(lián)接腔最終的氣壓值；Q1為聯(lián)接腔的體積。

2.2.2 測(cè)量腔與環(huán)境間的壓差泄漏率

在已知聯(lián)接腔向測(cè)量腔泄漏的氣體量的情況下，可以計(jì)算得到大氣環(huán)境向測(cè)量腔注入的氣體量，如下式：

式中：Q環(huán)境為環(huán)境向測(cè)量腔注入的氣體量；P2,T校準(zhǔn)為經(jīng)過(guò)T校準(zhǔn)時(shí)間時(shí)，測(cè)量腔內(nèi)的氣體壓力值。此時(shí)由環(huán)境向測(cè)量腔泄漏氣體的泄漏率Vt為：

此時(shí)，由外界環(huán)境大氣與測(cè)量腔的壓差造成的環(huán)境向測(cè)量腔氣體泄漏的壓差泄漏率Vtp為：

2.3 測(cè)量腔的初始測(cè)量壓力值

當(dāng)計(jì)算得到環(huán)境向測(cè)量腔氣體泄漏的壓差泄漏率后，打開(kāi)閥門1并連通聯(lián)接腔和測(cè)量腔，當(dāng)兩腔真空度一致時(shí)，可計(jì)算得到此時(shí)測(cè)量腔中的氣體壓力值P2,初始：

如果該計(jì)算值與此時(shí)測(cè)量腔測(cè)得的氣體壓力值不一致，表明炮彈泄漏非常嚴(yán)重，炮彈氣密性不好。

2.4 炮彈氣體泄漏量計(jì)算

如果P2,初始計(jì)算值與此時(shí)測(cè)量腔測(cè)得的氣體壓力值一致，且P2,初始<

式中：P2,T測(cè)量為保壓T測(cè)量后測(cè)得的腔內(nèi)壓力值。 計(jì)算可知，環(huán)境氣體的注入量為：

因此，炮彈內(nèi)腔氣體的外泄量：

因?yàn)闇y(cè)量時(shí)的氣壓值與保壓時(shí)間都要嚴(yán)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，所以同等條件下有：

式中：Qp,t為標(biāo)準(zhǔn)條件下炮彈的氣體泄漏量。如果Q外泄＜Qε，表明炮彈測(cè)量部位的氣密性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，否則可以判定不合格。

3 總結(jié)

1）提出了基于負(fù)壓法的炮彈氣密性檢測(cè)方法，測(cè)試裝置為由小到大的聯(lián)接腔、測(cè)量腔、基礎(chǔ)腔三個(gè)真空腔組成，通過(guò)測(cè)量腔內(nèi)真空度的變化情況，判斷檢測(cè)部位的氣密性。此方法的靈敏度比正壓法高。

2）針對(duì)工程實(shí)際，給出了檢測(cè)方法的具體算法，包括測(cè)量腔安裝密封性計(jì)算、測(cè)量腔泄漏的壓差泄漏率計(jì)算、測(cè)量腔的初始測(cè)量壓力值計(jì)算、炮彈氣體泄漏量計(jì)算等，并給出了氣密性的判定方法。

3）文中的研究是建立在多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，該方法的實(shí)施將有效保障炮彈氣密性檢驗(yàn)自動(dòng)化設(shè)備開(kāi)發(fā)的效率和有效性，在該方法實(shí)施的過(guò)程中，尚需對(duì)真空度、保壓時(shí)長(zhǎng)、環(huán)境氣壓等技術(shù)參數(shù)根據(jù)工程需要進(jìn)行規(guī)范和換算，需要滿足國(guó)標(biāo)和國(guó)軍標(biāo)的要求。