基于Rh曲線的大口徑火炮測試后坐阻力的分析研究

姜永增，姚仲敏，張 裕，線立紅，董 晶

（1.齊齊哈爾大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；3.齊齊哈爾北方機器有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000；4.齊齊哈爾大學(xué)教育與傳媒學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾161000）

0 引 言

大口徑火炮后坐阻力測試[1]是火炮測試技術(shù)的難點，后坐阻力Rh-Xh曲線是火炮設(shè)計及火炮鑒定的重要參數(shù)。后坐阻力Rh曲線通過測試火炮制退機[2]各種曲線（包括外腔壓力曲線、內(nèi)腔壓力曲線、火炮復(fù)進機壓力曲線及火炮后坐速度曲線），計算制退機、復(fù)進機緊塞具摩擦力、運動體常量摩擦力，最后計算合成。以火炮后坐位移Xh為橫坐標劃出Rh-Xh曲線，為火炮反后坐裝置的設(shè)計和改進提供依據(jù)。

1 Rh-t曲線測試中存在的問題

后坐阻力測試是火炮動態(tài)測試的基本項目，由于反后坐裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對火炮射擊穩(wěn)定性作用大，所以火炮科研領(lǐng)域?qū)鹋诜春笞b置投入了大量的人力、物力來進行結(jié)構(gòu)、工作性能的研究；但是，對壓力介質(zhì)——制退液的運動狀態(tài)[3]研究較少。從測試結(jié)果看，后坐阻力測試還存在技術(shù)難題，有待研究解決。

1.1 空腔管道

空腔管道（圖1）是測壓傳感器的敏感元件與被測壓力腔之間（≥15 mm）且沒有充滿壓力介質(zhì)的管道。

圖1 空腔管道示意圖

空腔管道的存在是由于制退機結(jié)構(gòu)造成的，為了測試內(nèi)腔壓力，在制退桿上鉆孔，安裝傳感器，傳感器到被測壓力全距離較長，通常達到100～320mm。而傳感器技術(shù)要求空腔管道直徑不大于15 mm，空腔管道長度不大于30mm，才能保證正常測試。由于內(nèi)腔裝配性能不好，制退液灌注很難，不易注滿，增加了空腔管道后，則更不易注滿。

火炮后坐時，內(nèi)部充滿可壓縮氣體，所以傳感器的敏感元件感受不到壓力介質(zhì)駐退液帶來的壓力變化，壓力傳感器無輸出信號，直到壓力介質(zhì)充滿內(nèi)腔且把氣體團壓縮到一定程度，傳感器才有輸出信號。空腔管道越長，傳感器測試的信號越小。

1.2 內(nèi)腔沖擊壓力

由于內(nèi)腔存在空腔管道，駐退液在火炮后坐時高速進入內(nèi)腔，其速度高達每秒幾千米。趙紀華[4]提出用永錘理論解釋內(nèi)腔壓力變化。高速液流進入內(nèi)腔后，形成濺射，作用于內(nèi)腔室壁，形成對室壁沖擊壓力，一般為800～900kg/cm2。該沖擊壓力雖然很高，但只作用于內(nèi)腔室壁，且作用時間只有3～5 ms，并沒有形成內(nèi)腔液體壓力，沒有影響反后坐裝置的正常工作。內(nèi)腔壓力傳感器設(shè)計受兩個壓力制約，一般情況下，內(nèi)腔壓力傳感器敏感元件的強度是按內(nèi)腔工作最大壓力250～300 kg/cm2設(shè)計的，因此這樣的傳感器在測試中強度是不夠的。內(nèi)腔壓力傳感器的敏感元件的強度應(yīng)按沖擊壓力800～900kg/cm2設(shè)計。這樣做的后果是內(nèi)腔壓力傳感器靈敏度低，使用全橋測量電路可以將靈敏度提高1倍。

1.3 后坐阻力曲線數(shù)據(jù)處理

有時內(nèi)腔壓力曲線前段存在嚴重的毛刷和沖擊信號，使該曲線數(shù)據(jù)采集無法進行。由于內(nèi)腔壓力曲線的毛刷非一般的干擾信號，不能去除，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對大量離散采集時，會使數(shù)據(jù)離散度加大，導(dǎo)致Rh曲線嚴重畸形；因此，Rh數(shù)據(jù)處理至今還沒有實現(xiàn)自動化處理，這也是制約Rh測試技術(shù)發(fā)展的一大難題。

2 Rh-t曲線測試的實現(xiàn)

2.1 測試系統(tǒng)組成及性能指標

選用壓電式測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)組成框如圖2所示。對傳感器的技術(shù)要求，壓電式測試系統(tǒng)要求頻響為10kHz，線性度滿量程0.1%。壓力標定機壓力范圍為0～50MPa。壓力表精度不低于GB/T1227-2002《精密壓力表》規(guī)定的0.4級。

圖2 壓電式測試系統(tǒng)組成框圖

2.2 標定試驗

在現(xiàn)場測試之前，首先要進行標定試驗，試驗之前要做好相應(yīng)的試驗準備。首先要選擇壓力傳感器安裝位置，設(shè)計加工測壓孔、密封溝槽，必須保證相關(guān)部件的強度，確保傳感器的安裝強度；其次要根據(jù)測壓孔和傳感器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計制作火炮試驗及標定試驗中必須的轉(zhuǎn)接頭，密封裝置，安裝傳感器的專用工具等；第三要檢查壓力傳感器、放大器、數(shù)字采集及記錄儀器確保其技術(shù)狀態(tài)良好，檢查電纜的外觀、通斷、絕緣阻值。檢查好的傳感器、電纜配套編號，命名貼好標記。

組成測試系統(tǒng)的各級儀表的量程，靈敏度設(shè)置應(yīng)保證輸入最大值時，各級儀表的輸入均不小于2/3量程[5]。標定曲線的最大值（最高臺階）大于被測壓力值3～5MPa，等分為不小于4個量值作為標定臺階。標定前，必須把壓力標定機工作腔及壓力表內(nèi)殘存氣體排除干凈，確保壓力表零點準確。標定通常取加載曲線，標定不少于3次，標定機由專人操作。標定后用二次儀表進行系統(tǒng)電標定1～3臺階，以監(jiān)控系統(tǒng)靈敏度變化情況。

2.3 現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試過程如下：

第1步，檢查并記錄復(fù)進機初壓值。

第2步，傳感器安裝。安裝時應(yīng)遵循如下原則：（1）嚴格控制安裝力矩，一方面要保證傳感器的安裝強度，另一方面又不能扭壞傳感器或傳感器本體。由傳感器本體變形而產(chǎn)生的附加輸出為人為誤差。（2）密封可靠。（3）電纜連接，接頭處絕緣良好可靠。電纜線要在傳感器引線接頭處充分固定，射擊中電纜線不能產(chǎn)生抖動。傳感器安裝示意圖如圖3所示。

圖3 傳感器平齊安裝示意圖

第3步，調(diào)試測試系統(tǒng)平衡，顯示屏上輸出信號正常狀態(tài)。如有干擾信號，找出原因并清除。

第4步，數(shù)據(jù)采集。火炮每次發(fā)射，測試系統(tǒng)都會收集到大量的后坐阻力數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)分為下位機硬件部分和上位機軟件部分。采集的數(shù)據(jù)包括實時的駐退機壓力、外腔壓力、內(nèi)腔壓力、復(fù)進機壓力、模具摩擦力等數(shù)據(jù)。每次激發(fā)都會采集到大量的數(shù)據(jù)，表1給出了采集的部分數(shù)據(jù)。

表1 采集的部分數(shù)據(jù)

2.4 曲線生成

首先要根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計算后坐、制退機阻力等數(shù)據(jù)，最后根據(jù)這些數(shù)據(jù)合成后坐阻力函數(shù)Rhi[6]。

（1）進行壓力標定系數(shù)計算，其計算公式為

式中：Uj——第j個標定點量值；

Vij——第j個標定點第i次標定系統(tǒng)輸出值；

Kj——第j個標定點測試系統(tǒng)標定系數(shù)；

K——測試系統(tǒng)的標定系數(shù)；

n——標定點數(shù)。

（2）計算制退機阻力Фhi，計算公式為

式中：Фhi——制退機后坐阻力；

Phi——制退機外腔壓力；

Aoi——制退機外腔活塞面積；

Phi′——制退機內(nèi)腔壓力；

Afi——制退機內(nèi)腔活塞工作面積。

（3）計算復(fù)進機阻力Rhf，公式為

式中：Rhf——復(fù)進機阻力；

Pfi——復(fù)進機壓力；

Af——復(fù)進機活塞工作面積。

（4）計算緊塞具摩擦力 T1i、T2i。

（5）搖架滑動摩擦力及重力分力計算，公式為

式中：Rφ——搖架滑動摩擦力；

f——搖架摩擦系數(shù)；

T0——緊塞具予緊力；

Mn——火炮運動體質(zhì)量；

g——重力加速度；

φ——火炮仰角。

（6）根據(jù)以上步驟產(chǎn)生的結(jié)果，合成后坐阻力Rhi（kN）為

根據(jù)結(jié)果生成測試曲線，每組射擊試驗條件相同的實測曲線中至少選取3發(fā)有效曲線進行處理[7]。同時有缺欠的有效曲線允許修正。若速度曲線出現(xiàn)凹凸較大時，采取直線修正；毛刷較大曲線，用細實線取毛刷中點連線，作為處理曲線；內(nèi)腔壓力曲線的沖擊壓力部分取細小毛刷中點修正。圖4顯示了3種情況下的曲線結(jié)果。

圖4 3種情況下修正曲線結(jié)果

2.5 實驗結(jié)果分析

根據(jù)采集的火炮后座阻力數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算生成測試曲線。曲線完整，當彈丸離開炮膛1.3×10-2s后，后座阻力迅速達到最大，最大值達0.72 MPa，并且前沿極陡，作用8×10-4s后阻力逐漸變小，最后為0，曲線規(guī)律完全符合火炮動力學(xué)[8]后坐阻力的特征，為大口徑火炮后坐阻力測試的進一步研究提供了有力的試驗數(shù)據(jù)。經(jīng)過多次試驗驗證，本文所提出的測試方法和對應(yīng)的測試手段都很好地完成了大口徑火炮后坐阻力的測試。

3 結(jié)束語

在火炮設(shè)計及火炮鑒定當中，后坐阻力Rh曲線一直是重要參數(shù)[9]。針對目前常規(guī)測試方法中的一些缺陷，本文提出了一系列的測試方法和手段，并通過標定試驗、現(xiàn)場測試得到大量的實際數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的分析和計算最終生成理想的Rh曲線。通過試驗驗證，本文提出的方法成功地測試了大口徑火炮后坐阻力，解決了多年來火炮后坐阻力測試技術(shù)的相關(guān)問題。

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[5]宗士增，錢林方，徐亞棟．火炮反后坐裝置動力學(xué)耦合分析與優(yōu)化[J]．兵工學(xué)報，2007，28（3）：272-275.

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