火炮結冰結霜射擊試驗技術研究

陳蕊，萬先鋒，王志杰，佘昌偉，劉偉

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

引言

某火炮結冰結霜環境試驗是考核火炮在高低溫結冰結霜環境下零部件的強度、機構動作的可靠性、以及射擊指標能否滿足火炮作戰要求。GJB《某火炮***壽命試驗方法》結冰結霜試驗要求，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或待其外表面結霜蒙上濕氣并開始出現水珠為止，將表面、膛內水珠擦拭干凈后，再將火炮移入低溫-50 ℃的低溫環境環境箱出現結冰結霜現象后保低溫1 h后進行實彈射擊。在以往結冰結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 ℃低溫環境箱首先把火炮從炮架上拆下，然后手動抬出環境箱至常溫下。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，由于其結構復雜，體積龐大、重量較大，操作復雜，整個操作過程1 h以上，一是人員不能長時間待低溫環境箱，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，環境箱密封嚴實，箱內空氣干燥；在冬天，如果室外空氣干燥，即使將火炮移至常溫下，也很難結霜凝露。常規環境箱要實現結冰結霜試驗一般采用噴淋方式，而噴淋方式與自然空氣溫差結霜蒙濕氣不同，無法滿足GJB《火炮自動機壽命試驗方法》試驗要求。同時，普通環境箱一般要求箱內空氣干燥，避免在溫度較低情況下蒸發器結霜引起壓縮機結霜結冰導致系統性能下降。因此開展火炮結冰結霜試驗相對困難。

1 結冰結霜試驗技術

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，同時利用自然環境變化資源來解決問題。我們將高低溫環境箱設計為快速升溫模式，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，而此系統僅對火炮進行吹掃，無需將火炮移出，完成結冰結霜射擊試驗。

1.1 快速升溫模式

在試驗箱設計初我們將設備設計為快速升溫模式，即升溫速率≥10 ℃/min，這樣設計的理念就是利用自然環境規律來達到試驗目的，空氣中只有在溫差變化較大的情況下，才可出現結霜凝珠現象，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，僅環境箱內空氣溫度迅速上升，而火炮溫度則無法這么快速響應，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霜現象發生。隨著環境箱內溫度的迅速上升，火炮表面結霜凝露至水珠出現，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境理論的角度來分析，而實際工況是在相對密閉箱體內空氣較干燥，濕度較低，尤其在北方干燥的冬季，幾乎無法實現結霜現象，因此我們引入加熱加濕新風系統。

1.2 加熱加濕新風系統

環境箱長時間保高溫、保低溫試驗，箱內空氣相對干燥，濕度低，在溫差較大的情況下，也無法完成結霜凝珠試驗。新風吹風系統主要將實時環境空氣經過過濾、加濕、加熱后引入環境箱。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。

塵過濾器主要材質為縱橫交錯的波形不銹鋼網組成，過濾網多層次交叉將空氣中沙粒、粉塵、揚塵以及氣態污染物經過物理化學反應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進行無級調節，實現精確控制。在北方冬天或者溫度相對低的環境下，空氣溫度皆在0 ℃以下，加熱器功能是將空氣溫度按設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。風機設有擋位調整，分為低中高三檔進行可調，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快、精度高等優點。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結霜凝露情況進行調節設置。當環境溫濕度值大于設置溫濕度值，系統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。其中一項高于設定值則該項加熱器或加濕鍋爐不參與工作，低于設定值參與工作。整個循環控制系統通過PLC精準控制來實現。

圖1 加熱加濕新風系統工作原理圖

1.3 通風管路

我們設計引入的新風系統主要是引入高溫、高濕空氣，目的為了與環境箱內火炮形成溫差，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，那么箱體頂部蒸發器同火炮一樣也出現結霜現象，這樣導致壓縮機結霜整個制冷系統性能下降，甚至損壞壓縮機導致環境箱故障。因此，我們設計了獨立吹掃通風管路。

環境箱頂部預留出風口，新風系統出風口與環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 通風管路系統工作示意圖

2 火炮結冰結霜試驗

2.1 低溫存儲試驗

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

2.2 結霜凝珠試驗

當火炮低溫保溫結束后，將環境箱溫度控制設置為自動升溫模式，即最大升溫速率模式，目標溫度可根據試驗情況設置為20 ℃或者30 ℃，可調節，并啟動升溫試驗。同時啟動加熱加濕新風系統，新風系統濕度、溫度設置可隨意調節，根據火炮表面結霜緩慢程度進行設置。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，當環境溫度低于0 ℃，引入高溫加濕新風空氣，火炮表面出現結霜現象，當結霜達到一定要求時，關閉新風系統，完成火炮產品GJB結霜考核要求。隨著箱內環境溫度迅速上升，此時火炮自身溫度恢復緩慢，當環境溫度高于0 ℃，火炮表面慢慢蒙上濕氣，隨著溫度繼續上升，直至達到設定溫度值，此時，環境箱停止升溫，保持此溫度值，火炮表面及膛內由蒙上濕氣到出現凝珠現象，此時達到了GJB凝珠環境考核要求，關閉環境箱控制系統。

2.3 低溫結冰保存

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

2.4 實彈射擊試驗

低溫保存結束后，打開環境箱射擊窗口，完成實彈射擊試驗，完成整個結冰結霜試驗考核。

3 結論

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，從而實現了結霜結冰試驗。環境箱在常規設置基礎上引入新風系統，并對火炮單獨吹掃，實現了僅火炮完成結冰結霜試驗。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冰結霜試驗，試驗箱運作穩定，結冰結霜效果顯著，實現了常規試驗箱開展結冰結霜這一重要功能。