坦克火炮反后坐裝置在線檢測方法研究

張金忠,蘇忠亭,趙富全,熊 旭

(裝甲兵工程學院兵器工程系,北京 100072)

武器裝備在使用之前需要對其健康狀況及完成任務的能力進行評估,檢測是狀態評估的前提。而且裝備維修之前也需要進行技術狀態檢查。傳統對反后坐裝置的檢查,只能通過簡單儀器檢測其部分靜態參數,對評估或維修不能提供正確的指導[1]。

隨著現代檢測技術的發展,武器系統的性能檢測已經可以實現系統化、實時化和一體化。對反后坐裝置的性能檢測,可以在坦克進行實彈射擊時,在裝置本身安裝傳感器,實時采集射擊過程中的能夠有效反映其技術狀態的動態參數。然而,從檢測的目的來看,評估檢測就是為了檢驗武器裝備能否順利完成射擊任務而在執行任務之前對其進行功能檢測;維修檢測的對象是武器系統出現故障的坦克,本身也無法進行實彈射擊試驗。因此需要尋找一種科學準確又操作方便的方式對反后坐裝置性能進行檢測。

人工后坐是通過外力使火炮的后坐部分和自動機產生與實彈射擊時產生相同或近似相同的動態效應,以代替或部分代替實彈射擊試驗來檢驗火炮的動態性能。如果在坦克執行任務之前,以人工后坐方式模擬實彈射擊條件下火炮的后坐和復進,并在其過程中完成反后坐裝置的功能檢測,也可以達到評估反后坐裝置完好狀況的目的。

本文基于人工后坐思想,設計了反后坐裝置在線檢測系統,使技術狀況檢查“復顯”裝甲裝備武器系統在不同工況下的動作及功能,在此基礎上完成反后坐裝置各指標參數的在線檢測。

1 反后坐裝置在線檢測系統組成

該系統主要由液壓系統、控制及數據處理單元、臺架結構、人工后坐推動裝置、火線高調整裝置和人工后坐身管解脫裝置組成。整個系統安裝在車間的地基平臺上。其結構原理如圖1所示。

1.1 液壓動力系統

如圖2所示,液壓動力系統由電機、葉片式液壓泵、油箱、各類液壓閥、液壓缸和人工后坐推動裝置組成。用來為人工后坐提供動力,并通過控制和數據處理單元來精確地控制人工后坐距離。

1.2 控制及數據處理單元

該部分主要由數據采集卡、傳感器和工作軟件等組成,用來完成對液壓站、液壓缸、人工后坐試驗裝置進行數據采集、控制、處理和顯示結果等功能。

采集板卡采用PXI-4472B型數據采集卡。它可以實現8個通道模擬輸入信號的同步采集,采樣頻率最高可達到 102.4 Hz,精度為 24位分辨率[2]。使用的各型號傳感器包括:量程為0～1 m、輸出電壓為1～5 V的拉線位移傳感器;量程為0～20 MPa、輸出電壓為0～5 V的壓力傳感器;量程為0～100 MPa、輸出電壓為0～5 V的壓力傳感器兩個。

1.3 人工后坐推動裝置

人工后坐推動裝置用來將人工后坐液壓缸的推力傳遞給火炮身管,通過人工方式使火炮后坐,該裝置分兩部分,第1部分為活塞桿接頭,與人工后坐液壓缸活塞頭連接;第2部分為炮口接頭,與炮口連接,具有緩沖推力和保護炮口的作用,同時當后坐到位后,炮口接頭與解脫裝置配合,以實現對火炮后坐部分的定位和解脫。

1.4 火線高調整裝置

該裝置由左右帶斜面滑塊、火線高調整底座、絲杠、蝸輪、蝸桿調整手柄和緊固螺栓等組成,對于不同的被測坦克,由于其火線高不盡相同,通過火線高調整裝置來調整人工后坐裝置的水平高度,使其能準確對正火炮身管。

1.5 身管解脫裝置

該裝置用于對人工后坐到位的身管進行人工固定,使身管炮口帽上的炮耳卡入掛臂裝置后,當需要復進時,啟動解脫液壓缸,釋放掛臂,解脫火炮身管使之實現復進。

2 反后坐裝置在線檢測原理

2.1 檢測思想

由文獻[3]中火炮在后坐過程中的受力情況可知,駐退機故障主要體現在節制環磨損、駐退桿活塞套磨損和漏液,復進機故障主要體現在漏液漏氣。駐退機磨損將引起節制環有效面積增大,后坐阻力減小,后坐速度增大;駐退機漏液將引起后坐阻力減小,后坐速度增大,復進機漏液漏氣將引起復進速度減小。

通過外力模擬火藥氣體作用力,推動火炮后坐部分實現人工后坐并在復進機的作用下完成復進運動,在人工后坐過程中完成后坐推力、后坐速度、后坐位移和復進機氣壓液量的檢測,其中推力模擬實際射擊過程中的火藥氣體作用力,由液壓系統的人工后坐推動裝置提供并由壓力傳感器測得,后坐位移由拉線位移傳感器測得,后坐速度由相應的位移值進行微分得到。復進機氣壓由安裝在復進機上的壓力傳感器測得。

當后坐到正常距離時,復進機、駐退機內的液、氣介質分布與正常情況下相同,釋放火炮后坐部分完成復進,就能正常完成復進、開閂、抽筒、拋殼等動作,且由拉線傳感器測得的復進時間、復進速度等都與真實值保持一致。基于LabWindows可視化平臺,通過PXI、數據采集卡和傳感器就可以實現對各指標數據的采集和處理[4]。

但在人工后坐過程中,火炮后坐速度比正常實彈射擊條件下要小得多,使得原本在實彈射擊時與速度相關的液壓阻力在后坐阻力中占主導的情況變為人工后坐條件下的復進機力和摩擦阻力在后坐阻力中占主導。由此帶來的問題是檢測結果能否準確反映反后坐裝置的真實技術狀態。

在檢測系統中,液壓系統采用流量閥,可以對推炮速度進行調節,使火炮在勻速下后坐,這種情況下,反后坐裝置產生的后坐阻力將不受該已知的恒定后坐速度影響,它所反映的完全是反后坐裝置的功能狀態,這就確定了反后坐裝置在線檢測的可行性和有效性,并為分析檢測結果提供了方便。

2.2 基本算法原理

火炮射擊時在炮膛合力作用下先進行后坐運動,并在反后坐裝置作用下在一定距離內停止,然后進行復進運動,恢復到射前位置。其后坐運動微分方程[1]為:

式中:x為后坐行程,Ppt為膛底合力;R為后坐阻力;Q0為后坐部分重力。

本系統在此基礎上另辟蹊徑,以勻速方式推炮口后坐,故Ppt=R,即檢測系統中的推力在人工模擬后坐過程中代替膛底合力進行工作。又對后坐部分進行受力分析,得出在與炮身軸線平行方向上作用于后坐部分上的力除推力F以外,還有:

式中:Φ0為駐退機液壓阻力;Pf為復進機抗力;Rf為緊塞裝置對后坐部分的摩擦阻力;φ為射角。

在該檢測系統中,基于通過外力模擬火藥氣體作用力推動火炮后坐部分人工后坐的思想,射角為零。

將后坐運動計算公式整理修改后,后坐過程中各力的計算公式為:

式中:Φ1為主流提供的液壓阻力;Φ2為支流提供的液壓阻力;k、k1分別為主流和支流的阻力系數;其他各參數量含義和表達式參見文獻[3]。

對于流液孔面積 αx,結合節制桿外形尺寸變化,按照不同型號火炮的駐退機結構尺寸,在圖紙上取點,編寫牛頓插值函數得出其變化規律。在反后坐裝置計算中習慣采用混合單位制[5]。

通過上述方程組計算,結合后坐阻力、后坐速度和后坐位移的檢測參數,即可求得后坐過程中的液壓阻力、摩擦阻力等參數。

后坐阻力檢測原理:由受力分析可知后坐阻力數值上等于推力,所以可在推炮液壓缸兩端各自安裝壓力傳感器,所測得的壓力相減即為推力值。

復進速度檢測原理:在調整到位后的檢測平臺臺架頂端,安裝一個拉線位移傳感器,把傳感器拉線接頭固定到火炮炮口的掛栓上,通過零位調整使之在火炮靜止時,輸出一個穩定的初值并記錄。在人工后坐的后坐、復進階段,隨著火炮炮口的運動,傳感器拉線就會拉伸或回縮,在傳感器固定位置與炮口之間的拉線被拉伸的長度,等同于火炮炮口相對于起始位置所運動的位移。傳感器輸出與拉線的拉伸長度成比例的電壓信號。通過數據采集卡采集該不斷變化的電壓信號,減去事先記錄的初值,再經過比例換算,就是該時刻的位移。在復進階段,計算在兩個時刻上的位移差值,除于兩個時刻之間所經歷的時間,即為該段平均的復進速度,如果時間間隔取得足夠的短,即可認為是該時間的瞬時復進速度。

復進機液量、氣壓檢測原理:針對復進機氣壓、液量檢查,以往只能在后坐前的初始狀態測得一次復進機氣壓值,本系統首先可在初始狀態檢查復進機氣壓值p0,然后通過人工后坐,在身管后坐到110 mm距離上時停下來,可再次測得復進機的氣壓值p。按照復進機液量公式q=7.12-0.523×p/(p-p0)就可以計算出復進機液量。之后,只須將檢測到的氣壓、液量與事先存入數據庫的檢查標準進行比較,就可給出該指標的評估結果。

基于以上原理分析,采用位移拉線傳感器測量后坐及復進位移值并進行微分,即可得實時的后坐速度,采用壓力傳感器可測得復進機氣壓,采用力傳感器可測得后坐阻力,通過測試程序即可得出綜合檢測結果。

2.3 檢測過程

如圖3所示,將待測坦克駛入修理車間的火炮在線檢測平臺前并對正炮口。通過人工后坐的身管推動裝置勻速推身管向后,在此過程中檢測系統不斷采集信號并通過程序計算得出駐退機液壓阻力曲線、復進機阻力曲線和摩擦阻力曲線。后坐長度為550 mm。而后通過身管解脫裝置將火炮及后坐部分固定在該位置,然后將人工后坐的身管推動裝置收回600 mm,以留出充足的火炮復進空間,最后將解脫裝置解脫,此時火炮及后坐部分將在復進機的作用下向前復進到位,檢測系統得出復進速度曲線。而炮閂將工作實現自動開閂和抽出空藥筒。

2.4 檢測結果

對某型坦克炮反后坐裝置進行在線檢測,可得后坐阻力、復進機氣壓、液量和復進速度。檢測結果實時顯示了各參數的變化規律。檢測結果如圖4～圖6所示。

3 結 論

1)由圖4可以看出,后坐阻力在后坐速度恒定的情況下呈指數規律變化,符合后坐阻力中復進機力占主導的特征。

2)由圖5顯示的結果表明,該坦克火炮復進機初壓為6.28 MPa,由PXI主機計算得出的復進機液量為5.1 L,而復進機初壓的允許范圍是6.2～6.4 MPa,復進機液量的允許范圍是5.0～5.2 L,可見復進機氣壓和液量均在標準范圍之內。

3)由圖6的復進速度曲線可以看出,測試得到的復進最大速度為 1.71 m?s-1,復進時間為0.299 s,復進速度曲線完整地給出了復進過程的速度變化,數值均在合格范圍之內。在線檢測方法解決了很多過程量指標長久以來沒能解決的測試手段問題,在部隊得到了廣泛推廣。

[1]傅建平,張曉東,張培林.火炮后坐復進運動動態檢測與模糊評估[J].火炮發射與控制學報,2007(3):58-61.FU Jian-ping,ZHANG Xiao-dong,ZHANG Pei-lin.Dynamic detection and fuzzy evaluation of gun recoil and counter-recoil movement[J].Journol of Gun Launch&Contral,2007(3):58-61.(in Chinese)

[2]陳杰,黃鴻.傳感器與檢測技術[M].北京:高等教育出版社,2002.CHEN Jie,HUANG Hong.Sensor and test technique[M].Beijing:Higher Education Press,2002.(in Chinese)

[3]王愷華,張志杰.坦克武器結構與計算[M].北京:裝甲兵技術學院,1981.WANG Kai-hua,ZHANG Zhi-jie.Tank arm configuration and numeration[M].Beijing:Academy of Armored Force Technology,1981.(in Chinese)

[4]李凌峰,頓建華,郭英.在線檢測在專家系統中的應用[J].火炮發射與控制學報.2004(3):61-63.LI Ling-feng,DUN Jian-hua,Guo Ying.Application of on-line inspection in expert system[J].Journal of Gun Launch&Control,2004(3):61-63.(in Chinese)

[5]趙富全,吳東亞,邵思杰.火炮與自動武器原理[M].北京:裝甲兵工程學院,2007.ZHAO Fu-quan,WU Dong-ya,SHAO Si-jie.Theory of gun&automatic[M].Beijing:Academy of Armored Force Engineering,2007.(in Chinese)