復(fù)進(jìn)機(jī)液量檢測(cè)方法研究

蘇忠亭 李德

1. 陸軍裝甲兵學(xué)院兵器與控制系 北京 100072；

2. 31689部隊(duì) 吉林 四平 136000

引言

國(guó)內(nèi)外火炮設(shè)計(jì)師對(duì)幾種典型結(jié)構(gòu)的反后坐系統(tǒng)的開發(fā)理論和實(shí)踐已經(jīng)成熟，因此出現(xiàn)了不同類型﹑不同用途的火炮反后坐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似的現(xiàn)象。雖然現(xiàn)在的反后坐裝置已經(jīng)有了較大的發(fā)展，也滿足于現(xiàn)代裝備的需求，但是，國(guó)內(nèi)外的火炮設(shè)計(jì)師和專家們對(duì)于火炮反后坐系統(tǒng)一直都沒有停止腳步，他們正在研究更簡(jiǎn)便更能適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的反后坐系統(tǒng)，并且不同裝備的反后坐系統(tǒng)的原理﹑作用以及目的效果也是不同的，所以反后坐系統(tǒng)的發(fā)展一直在探索。

對(duì)于彈簧式駐退復(fù)進(jìn)機(jī)，由于火炮后坐的能量太大，所以相應(yīng)彈簧的彈性系數(shù)大，造成彈簧質(zhì)量大，彈性系數(shù)大也造成了彈簧很難被調(diào)節(jié)，所以其主要用于部分口徑比較小的炮，因?yàn)檫@種炮后坐力相對(duì)較小。彈簧式駐退復(fù)進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且彈簧的彈性系數(shù)受到溫度的影響很小，所以說彈簧式復(fù)進(jìn)機(jī)相對(duì)于液體式復(fù)進(jìn)機(jī)更加穩(wěn)定，如果沒有特別損傷就不需要經(jīng)常的進(jìn)行檢測(cè)。而部隊(duì)?wèi)?yīng)用比較廣泛的大中型火炮主要采用液壓駐退機(jī)和液體氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)組合的反后坐裝置，而液壓駐退機(jī)的工作介質(zhì)為駐退機(jī)，檢查方式比較直觀方便，因此此類反后坐裝置的主要故障主要體現(xiàn)在液體氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)漏氣漏液導(dǎo)致的動(dòng)作的可靠性﹑密封性等問題，對(duì)此類反后坐裝置的技術(shù)要求，除了要求后坐結(jié)束時(shí)，后坐部分應(yīng)平穩(wěn)無沖擊的復(fù)進(jìn)到位之外，還要求液量和氣壓應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

隨著科技的進(jìn)步和現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，火炮反后坐系統(tǒng)這個(gè)必不可少的傳統(tǒng)部分也發(fā)生著翻天覆地的變化，比如上置式桿后坐反后坐裝置與下置式筒后坐反后坐裝置，兩者看上去很相似，但是不論是在炮尾的位置還是在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，兩者的差別很大。這也說明了火炮反后坐系統(tǒng)的整體技術(shù)水平，也在慢慢向著更高的水平發(fā)展。

目前火炮智能化數(shù)字化的程度進(jìn)展較慢，裝備的維修保養(yǎng)還在用曾經(jīng)傳統(tǒng)的方法，時(shí)代在進(jìn)步，我們?cè)靥げ骄拖喈?dāng)于在退步。國(guó)內(nèi)一些油箱內(nèi)的油量檢查用的就是超聲波檢測(cè)，再通過單片機(jī)的編程連接指示燈，實(shí)現(xiàn)液量的檢查。地方當(dāng)中很多的超聲波液量檢測(cè)已經(jīng)比較成熟，但是在內(nèi)部的很多液量檢查還沒有達(dá)到這種現(xiàn)代化的方式。

1 復(fù)進(jìn)機(jī)液量檢測(cè)原理

液體氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)漏氣漏液導(dǎo)致的動(dòng)作的可靠性﹑密封性等問題，對(duì)此類反后坐裝置的技術(shù)要求，除了要求后坐結(jié)束時(shí)，后坐部分應(yīng)平穩(wěn)無沖擊的復(fù)進(jìn)到位之外，還要求液量和氣壓應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[1]。復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)液量雖然不能直接測(cè)定，但是可以用間接的方法測(cè)定。復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)的氣體和液體的總體積恒定且已知，只要測(cè)量氣體的體積就可以計(jì)算液量。理想氣體的狀態(tài)方程表示為：

而上述的公式是將氣體看作了理想氣體，而這種理想氣體是考慮質(zhì)量而不考慮體積的，也忽略分子間的作用力。氮?dú)庠趶?fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)液體的溶解度非常的小，所以也忽略了復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)氣體溶解發(fā)生的能量的轉(zhuǎn)化，并且復(fù)進(jìn)機(jī)可以近似地看成一個(gè)封閉的空間。此外，由于整個(gè)工作過程中，復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部滿足溫度不太低，壓力不太大，故氣室內(nèi)氣體可近似按理想氣體處理。

根據(jù)上面的論述，我們將氣體當(dāng)作理想氣體，不考慮中間過程，只考慮始末狀態(tài)，此時(shí)上述的等式成立。我們把實(shí)驗(yàn)的整個(gè)進(jìn)程當(dāng)作一個(gè)等溫的過程，即T1=T2，得到公式。

這個(gè)公式就是波義耳－馬略特定律。這個(gè)定律是在假設(shè)時(shí)間足夠短溫度沒有發(fā)生變化得到的情況，一些單位仍然在用這樣傳統(tǒng)的方式，其中存在很大的誤差。

2 人工后坐檢測(cè)液量方法

人工后坐法是最普遍也是最傳統(tǒng)的復(fù)進(jìn)機(jī)液量檢測(cè)方法，該方法的基本思路是測(cè)得復(fù)進(jìn)機(jī)剛開始的氣壓P，顧名思義，在人工的向后后坐一段距離，測(cè)得后坐后的氣壓P1，這是用測(cè)得的兩個(gè)數(shù)據(jù)P和P1對(duì)照炮尾上的液量檢查表，液量檢查表上面對(duì)應(yīng)的位置向下向右延伸交點(diǎn)的位置看是否在兩直線相夾的框內(nèi)，如果在說明液量正常；若不在范圍內(nèi)，看檢查表上分辨出液量是不足還是多余。這種方法后坐﹑讀取數(shù)值和對(duì)照表格都是人工操作，存在誤差大的問題，精度也得不到保證，關(guān)鍵已經(jīng)不符合現(xiàn)代這樣快速的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

人工后坐過程，復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部液體在活塞的帶動(dòng)下會(huì)壓縮氣體，因此人工后坐任意距離氣壓液量分析計(jì)算可用氣體分子熱力學(xué)中多變過程的氣體狀態(tài)方程描述。標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)進(jìn)機(jī)氣體體積可以用W0表示，此時(shí)氣壓用P0表示。當(dāng)人工后坐任意距離后（后坐長(zhǎng)度為L(zhǎng)），氣體體積減小為L(zhǎng)與活塞工作面積 的乘積，氣體壓力將為P1，系統(tǒng)氣體狀態(tài)關(guān)系為：

其中：n為多變指數(shù)index，可以用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。對(duì)于具體火炮n為常量。但是不同的火炮﹑不同的后坐復(fù)進(jìn)速度和狀態(tài)下，產(chǎn)生的多變指數(shù)也不盡相同，確定多變指數(shù)的過程比較困難，要求和標(biāo)準(zhǔn)也比較高，當(dāng)設(shè)定好人工后坐距離后，則L已知，相應(yīng)的氣體體積變化率已知，而初壓，末壓可測(cè)，再根據(jù)設(shè)定的多變指數(shù)n，即可算出相應(yīng)的氣體容積W即：

復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)液量的偏差ΔV 可由氣體容積的偏差反應(yīng)出來，即：

如果ΔV為正值，說明復(fù)進(jìn)機(jī)液量多余標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的液量；反之，計(jì)算結(jié)果ΔV為負(fù)值時(shí)，液量少于標(biāo)準(zhǔn)。

人工后坐檢測(cè)技術(shù)可以在盡量不放出氣體的情況下對(duì)氣壓液量進(jìn)行檢測(cè)，但目前存在的問題主要有后坐距離長(zhǎng)，需要的力量大，不同種類火炮在進(jìn)行人工后坐時(shí)，設(shè)備安裝困難，勞動(dòng)強(qiáng)度大。目前人工后坐檢測(cè)方法費(fèi)時(shí)﹑費(fèi)力，工具數(shù)量多，工作效率低，檢查結(jié)果誤差較大的問題，將傳統(tǒng)指針式氣壓表改進(jìn)為壓力傳感器，并將裝備上附帶的復(fù)進(jìn)機(jī)液量氣壓檢查表制定成電子數(shù)據(jù)，依據(jù)波義耳－馬略特定律，在一定的后坐距離范圍內(nèi)，求解不同后坐距離上的復(fù)進(jìn)機(jī)末壓，并進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，從而可以實(shí)現(xiàn)不同后坐距離的人工后坐液量檢測(cè)，提高適用性與測(cè)試精度。人工的后坐越來越不符合時(shí)代的要求。

3 放氣式液量檢測(cè)方法

放氣式氣壓液量檢查方法中，使用檢查筒作為放出氣體的容器，其內(nèi)部容積體現(xiàn)的是氣體容積變化量。

放氣過程中，氣體屬于增容過程，因此放氣式氣體狀態(tài)變化規(guī)律可用氣體分子熱力學(xué)中多變過程的氣體狀態(tài)方程描述。復(fù)進(jìn)內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)氣體體積我們用W0表示，這時(shí)候的氣壓我們用表示。當(dāng)檢查筒接入系統(tǒng)后（檢查筒容積為ΔW），氣體體積增加為W0+ΔW，氣體壓力將為P1，系統(tǒng)氣體狀態(tài)關(guān)系為：

其余計(jì)算方法與人工后坐時(shí)一致，最終可算出相應(yīng)的氣體容積W即：

這種方法在坦克炮實(shí)際操作中很常見，相對(duì)分析和計(jì)算的方法也比較成熟。放氣法看上去方便快捷，而且不用花費(fèi)那么多的人力物力，操作也相對(duì)簡(jiǎn)單，但每次使用此方法的時(shí)候會(huì)放出氣體，同時(shí)也會(huì)帶出少部分液體，不利于液量的保持[2]。此外，簡(jiǎn)易檢測(cè)的原空氣參與末壓試驗(yàn)引入誤差，人工量取助推液的過程也引入誤差，整體精度不高。但這種方法遇到的最大的問題就是適用范圍比較窄?；鹋诳趶接纱蟮叫?，復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)液量和總?cè)莘e也大小不一。在總?cè)莘e相差較大的情況下，要實(shí)現(xiàn)放氣式檢測(cè)技術(shù)的通用化，必須保證采用的擴(kuò)容檢查筒容積要固定，這就要求多變指數(shù)計(jì)算要準(zhǔn)確，同時(shí)數(shù)據(jù)采集精度要高，在傳感器選型﹑標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)﹑調(diào)理電路﹑數(shù)字濾波上充分設(shè)計(jì)論證，并進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證。

目前放氣式氣壓液量檢測(cè)方法零部件適配性差﹑傳感器與數(shù)顯表零位標(biāo)定復(fù)雜﹑故障率高等問題，擴(kuò)展適用范圍，研究不同型號(hào)火炮復(fù)進(jìn)機(jī)在氣體擴(kuò)散過程中的不同的摩爾比熱容與多變指數(shù)所帶來的不同的熱力學(xué)特性，提高測(cè)試精度。優(yōu)化壓力傳感器，優(yōu)化液晶顯示屏幕與數(shù)據(jù)顯示儀表，提高檢測(cè)設(shè)備可靠性與適配性。

4 放液式復(fù)進(jìn)機(jī)液量檢測(cè)方法

把復(fù)進(jìn)機(jī)中的液體放入一定體積的小氣瓶中。放出液體后，氣體充滿了整個(gè)空間，壓力與體積也隨之改變。觀察壓力值的變化，計(jì)算液體體積。測(cè)量再將液體充回復(fù)進(jìn)機(jī)使得液量不變。助推液被推入小氣瓶的過程中，氣體所占的體積變大壓強(qiáng)降低，這時(shí)候氣體壓著液體對(duì)其做功，會(huì)產(chǎn)生一定的溫度變化，但是這個(gè)過程是緩慢進(jìn)行的，所以我們忽略熱量的變化，所以放液法也滿足之前說過的檢測(cè)原理。這種方法步驟簡(jiǎn)單易于操作，從而增加了工作的效率。這對(duì)于后坐很難的所有種類的火炮都有意義。

5 阻力式氣壓液量檢測(cè)法

人工后坐與放氣式氣壓液量檢測(cè)方法需要打開開閉桿放出部分氣體，從而導(dǎo)致氣體不足的弊端，研究復(fù)進(jìn)機(jī)力的變化規(guī)律及其與復(fù)進(jìn)機(jī)氣壓液量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過檢測(cè)復(fù)進(jìn)機(jī)在一定距離上后坐，形成的復(fù)進(jìn)機(jī)阻力的變化規(guī)律，提取復(fù)進(jìn)機(jī)阻力的特征數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)，評(píng)估復(fù)進(jìn)機(jī)氣壓液量的偏差。

液體氣壓式復(fù)進(jìn)機(jī)在后坐過程中，活塞與內(nèi)筒內(nèi)壁的相互作用，帶動(dòng)助推液壓縮氣體，使得氣體通過外筒與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換，氣體壓力對(duì)活塞的作用就是復(fù)進(jìn)機(jī)阻力P1，一般用多變過程來描述。

復(fù)進(jìn)機(jī)阻力P1與初壓P0﹑氣體初體積W0﹑活塞工作面積Af﹑后坐距離L﹑氣體多變指數(shù)n有關(guān)，而活塞工作面積Af在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初即已經(jīng)確定，初壓P0可通過壓力傳感器測(cè)定，后坐距離L已設(shè)置，氣體多變指數(shù)n計(jì)算完畢后，即可明確復(fù)進(jìn)機(jī)阻力P1與氣體初體積W0的關(guān)系。

6 液量檢測(cè)方法分析對(duì)比

論文對(duì)復(fù)進(jìn)機(jī)氣壓和液量的檢測(cè)進(jìn)行了必要性分析，然后對(duì)人工后坐式氣壓液量檢測(cè)方法﹑放氣式氣壓液量檢測(cè)方法﹑復(fù)進(jìn)機(jī)阻力式氣壓液量檢測(cè)方法等常用的液量檢測(cè)方法進(jìn)行了具體分析。在這三種常用的檢測(cè)方法中，人工后坐是法定的檢測(cè)方法，也就是在出廠時(shí)，由生產(chǎn)廠家指定的檢測(cè)方法，檢測(cè)過程中不會(huì)大量漏氣漏液，在安裝氣壓表或帶壓力傳感器的三通管時(shí)所泄漏的氣體可以忽略不計(jì)。放氣式液量檢測(cè)方法在使用單位中普遍反映較好，安裝方便快捷，設(shè)備輕便，操作使用比較簡(jiǎn)單，檢測(cè)精度比較高，放液式液量檢測(cè)方法使用操作比較耗時(shí)耗力，緩慢進(jìn)行的過程中，溫度變化比較小，所以檢測(cè)精度也比較高。但是這些方法也有其突出的確定，其中[3]，①人工后坐式氣壓液量檢測(cè)方法，目前人工后坐檢測(cè)方法費(fèi)時(shí)﹑費(fèi)力，工具數(shù)量多，工作效率低，檢查結(jié)果誤差較大的問題。②放氣式氣壓液量檢測(cè)方法，目前放氣式氣壓液量檢測(cè)方法零部件適配性差﹑傳感器與數(shù)顯表零位標(biāo)定復(fù)雜﹑故障率高等問題。③復(fù)進(jìn)機(jī)阻力式氣壓液量檢測(cè)方法，人工后坐與放氣式氣壓液量檢測(cè)方法需要打開開閉桿放出部分氣體，從而導(dǎo)致氣體不足的弊端，研究復(fù)進(jìn)機(jī)力的變化規(guī)律及其與復(fù)進(jìn)機(jī)氣壓液量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過檢測(cè)復(fù)進(jìn)機(jī)在一定距離上后坐，形成的復(fù)進(jìn)機(jī)阻力的變化規(guī)律，提取復(fù)進(jìn)機(jī)阻力的特征數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)，評(píng)估復(fù)進(jìn)機(jī)氣壓液量的偏差。