基于高壓水射流火炮清膛裝置的研究與設計

曹國強，劉春全，武曉龍

(1.沈陽航空航天大學機電工程學院，遼寧沈陽 110136；2.海裝沈陽局駐沈陽地區第二軍事代表室，遼寧沈陽 110043)

0 前言

火炮作為一種傳統兵器，是地面部隊大量裝備的主要火力武器。炮管是火炮的重要組成部分之一，其作用是對彈丸的初始速度和射擊方向進行設定。火炮能夠準確無誤地完成打擊任務的決定性因素就在于炮管[1]。一般來說，定期對炮膛內部進行維護保養可以增加火炮的使用壽命，并能夠在一定程度上提高火炮的射擊準確度。炮膛內部的維護保養工作主要集中在對炮膛內表面留有的積碳、銅漬等殘留物進行及時的清洗[2]。本文作者以炮膛清理為目的，通過對高壓水射流基本結構、相關參數以及清除機制進行分析，設計了一種基于高壓水全方位清除火炮內膛的積碳、掛銅和掛尼龍的火炮清膛裝置，重點保證裝置實用可靠。

近年來，高壓水射流作為一種新型的高科技清洗技術，已經在行業內被廣泛使用。該項技術主要利用液體增壓原理，通過增壓設備將壓力能轉換為動能，后經噴嘴小孔形成高能量射流來解決一些工程性問題[3]。高壓水射流清洗技術相較于傳統清洗技術(人工清洗、機械清洗、化學清洗)，其主要優勢在于清洗效率高、無環境污染、綜合費用低以及易于實現智能化控制等。此外，傳統清洗技術在清洗形狀多變的設備以及結垢較為復雜的零部件時，具有較大的清洗難度。然而高壓水射流清洗技術的出現完美解決了此類問題，它能夠在空間狹窄以及環境復雜等場所進行靈活的清洗工作[4]。

所設計裝置通過攜帶清潔頭在炮膛內自動化作業，從而大大減少人力。運行時，將帶有兩道環形支撐的高壓管放置在炮筒內，利用兩道柔性支撐給高壓管路和兩道高壓噴頭定位。啟動高壓水射流，高壓水邊清理內膛，高壓管邊向炮筒外方向運動，直至整個炮筒全部清理完畢，具有作業效率高、操作簡單等特點。

1 高壓水射流基本結構及相關參數

為了能使高壓水射流技術更具實用價值，非常有必要掌握其結構特征以及基本參數，但產生射流的壓力并不是一成不變的，同時射流還會受到環境介質以及試驗條件的限制[5]。

在實際工程應用中，水射流的環境介質可分為大氣或與射流工作介質相同的流體，前者稱為非淹沒水射流，后者稱為淹沒水射流，二者的射流結構特征大體相同。

1.1 水射流結構

射流是一種孔口或狹縫處的流動現象。目前，獲學術界公認的一種水射流的結構特征如圖1所示。工程所用水射流絕大多數是湍流流動。根據試驗和理論結合的研究表明，其結構大致可分為等速核、連續射流、液滴層和外圍氣流層[6]。

圖1 射流結構Fig.1 The jet structure

當速度為U0的射流離開噴嘴后，由于射流與環境介質在邊界層上會存在一個速度差，且這個速度差往往較大，因此會與周圍相對靜止的環境形成一個紊動面，并且會產生一個垂直于射流軸心方向的力。由于受到該力的作用以及射流內部湍流的影響，推動射流與環境介質產生質量和動量的交換，使射流的邊界不斷地向外呈直線擴展[7]。擴散開始于射流表面并逐漸向軸心發展。

距噴嘴相對較近區域的流體依舊會保持單一介質，且速度仍為噴嘴出口速度U0，該區域就是射流的等速核。等速核作為一種純液相流，能量最大，其流速和密度不會發生改變，整體呈楔形，流線為平行線，是射流主要的作用區域。

連續射流作為液相流，由于射流內部存在著液體紊流和黏滯的作用，導致被卷吸的環境介質逐漸增多，射流軸向流速及動壓力逐漸減少，射流能量就會因缺乏凝聚力開始發散，但是其完整性保持相對較好，內部結構也較為緊密。

液滴層區域，射流與環境介質已完全混合，為氣液二相混合流，其射流的軸向速度較為緩慢，動壓力往往也相對較低，射流的能量因缺乏凝聚力產生擴散，質量差，卷吸環境介質的能力基本殆盡，同時氣液兩相會發生碰撞導致噪聲的出現。

氣流層位于高壓水射流的最外層，一部分小液滴發散到射流周圍的空氣中。

綜上所述，引起射流的形態和特性參數變化的主要因素就在于射流半徑b(x)和射流長度L(x)的增加，具體表現在：

(1)射流組成狀態發生由液態到氣液兩相的轉變；

(2)射流流速降低，在截面上存在速度梯度，使得整體動能減弱；

(3)射流整體呈錐形發生逐漸擴散；

(4)流線由直線逐漸變為彎曲。

1.2 水射流相關參數

1.2.1 水射流初始速度

為了能更加深入地分析水射流理論，首先需要做出以下假設[8]：

(1)射流介質為常溫下未添加任何磨料的純凈水；

(2)射流保持連續性，不會出現中斷；

(3)射流介質不可壓縮；

(4)過流元件無幾何變形發生，且噴嘴長度極小。

根據伯努利(Bernoulli)方程及能量守恒方程，可以得到：

(1)

其中：g為重力加速度；ρ為水的密度；p1為高壓水的壓力；p2為噴嘴出口壓力；v1為蓄能器斷面的平均速度；v2為噴嘴出口速度。

由于p1>>p2，v2>>v1，所以可近似認為p2=0，v1=0。綜上，得到下式：

(2)

(3)

高壓水射流作用的過程就是利用增壓設備將壓力能轉換為動能的過程。由式(2)(3)可見，噴嘴出口處的速度僅與壓力p1有關，所以，在計算噴嘴出口處射流的流速時，一般會利用工作壓力來近似得到。

伴隨高壓水射流長度持續增加，由于射流會受到空氣阻力以及湍流作用的影響，水射流速度會隨之降低。影響水射流速度降低更重要的原因是積碳受到高壓水射流的作用被不斷去除，因此在高壓水射流與積碳相接觸的表面存在一個后移的速度，并且積碳的材料性質會直接影響這個速度。

1.2.2 水射流動能

高壓水射流清理主要依靠射流的動能E。

(4)

由此可以看出，在流量一定的情況下，可以通過增大射流壓力來獲得較大的動能。

1.2.3 水射流功率

噴嘴是高壓水射流能量轉換元件，噴嘴的性能優劣一般會通過轉換效率的高低來體現。μ(轉換效率)是噴嘴產生水射流的功率與進入噴嘴的高壓水功率的比值。在噴嘴內任取一滴水(dm)作為研究對象，由于存在沿X軸方向的運動，則水滴受兩側不平衡的壓力p的作用，因此噴嘴產生的射流能量就是水射流具有的動能。

(5)

(6)

1.2.4 水射流參數之間的轉換關系

由以上公式分析可以得出：

(7)

由式(7)可以得出：噴嘴直徑、水壓和噴射流量三者之間存在著兩兩制約的關系。當壓力不發生改變時，流量會受到噴嘴直徑的影響。當噴嘴直徑不發生改變時，壓力的增加會使得流量也隨之增加[9]。所以，現如今大多數的高壓水射流清理設備的噴嘴直徑都比較小，這樣做的目的就是為了能夠通過調節回流量大小控制水射流的壓力，回流量越大則壓力越低，反之則越高。

2 高壓水射流清理過程模擬仿真

2.1 高壓水射流清除機制

利用水射流清理積碳的本質就是使射流和積碳等雜質之間產生相互作用，并由此產生積碳剝落的一個過程[10]。積碳層與加入到射流內的磨料物質，二者存在的運動特征與射流的沖擊載荷會對水射流清理過程中的運作原理與實際表現產生決定性作用。即水射流沖擊法清理是射流初始的沖擊載荷和后期的準靜態壓力相結合產生的結果，其中重點是以沖擊載荷的作用為核心[11]。如果以時間為角度進行分析，能夠將水射流清理過程概括為如下所述的兩個流程[12]：

(1)水射流沖擊在積碳表面出現了應力波動，此時進入到破壞損傷的初始階段，這是積碳層破壞損傷表現的核心；

(2)在射流準靜態壓力產生的后期階段中，在原有沖擊載荷給積碳層帶來的損傷情況后，又出現的二次損傷問題。即處于射流準靜態壓力非間斷作用下，積碳內部形成的微孔隙、微裂紋等受到損傷而持續擴大，逐漸形成宏觀破壞。

2.2 清理過程模擬仿真

選擇固體有限體積法模擬研究水射流清理工作過程，清理過程截面圖如圖2所示。

圖2 三維模型截面圖Fig.2 3D model cross-section

為了提高實效性，在分析方式上選擇精度參數符合要求且應用面較廣泛的流固耦合分析方式。從圖3可以看出，積碳層在受到射流沖擊后會突然凹陷變形，從而在積碳層內部產生一個應力相對集中的區域。當受到射流沖擊時，受沖擊的表面會形成裂紋，液體迅速滲入裂紋中形成水楔，侵蝕并逐漸破壞積碳層。同時，在射流沖擊區的邊緣，會產生較大的拉應力，呈放射狀的作用效果，方向指向沖擊中心。當沖擊速度足夠高時，積碳層表面則會出現大量微裂紋，并逐漸向積碳層內部擴展。

圖3 射流沖擊作用下積碳層破壞過程

從積碳層中也能夠體現出射流沖擊過程中存在的清理現象屬于顯著的局部效應。主因是水射流沖擊積碳層后出現的應力波會在積碳層中進行傳遞，產生的瞬態應力場可以被分解成為徑向的壓應力和環向的拉應力，并且積碳層的抗拉強度比抗壓強度大很多。但由于應力波在積碳層中傳遞的強度隨徑向距離的增加極速衰減，在距離射流沖擊點相對較遠處，積碳層中的沖擊能量密度己經達不到可造成積碳層破壞的臨界值。

模擬仿真結果明確指出：高壓水射流清理是射流初始的沖擊載荷和后期的準靜態壓力相結合產生的結果，其中又以沖擊載荷的作用為主。即水射流進行清理的主要方法是射流沖擊所導致的介質的拉伸破壞。同時也證實了利用高壓水射流全方位清理火炮內膛的操作可行。

3 火炮清膛機結構設計

3.1 設備的構成

設備采用整體布局方式，主體思路簡單、直接。設備整機如圖4所示。

圖4 設備整機示意Fig.4 Schematic of equipment

整套設備主要由高壓泵工作裝置、傳動裝置、水槍、壓力附屬裝置、水處理裝置及車載平臺六大部分組成，具體如下：

(1)工作裝置由大小轉盤及附屬構件組成；

(2)傳動裝置由電動機、聯軸器、減速器、電磁離合器以及支架等組成；

(3)水槍由噴嘴及配合移動裝置等組成；

(4)壓力裝置由高壓泵組、蓄能器、控制器等組成；

(5)水處理裝置由回收水槽、濾水池、軟化水裝置等組成；

(6)車載平臺由6 m的軍用卡車改裝。

所有主要部件都安裝在支架體上，由轉盤支撐、輸入轉矩利用聯軸器與軸相連。通過電磁離合器的協調工作完成大小轉盤的轉動要求，進而完成炮膛內部清理。

3.2 清理裝置設計參數及要求

(1)設備的加工范圍：用于清理直徑150 mm、長度6 000 mm范圍內的炮管內膛；

(2)確定設備的總體架構。結合野外作業的實際情況，優化設備的布局，在卡車裝載平臺上容易實現擺設；采用柴油發電機供電，設備的能耗不超過80 kW·h，清理效率最高約為每小時6臺炮管；

(3)傳動與控制方式。考慮到現場較惡劣的條件，總體設計以機械傳動為主，在保證使用功能的前提下，最大程度上做到結構簡單、動作實用、操作方便，并且盡可能優化其結構，在一定程度上縮短傳動鏈，降低故障的發生，以便后期保養，最大限度延長其使用壽命。高壓水槍在炮筒中采用兩道柔性支撐方式，用帶滑輪的圓環支撐炮筒外壁；

(4)設備平臺的外觀及構造。整機質量約2 t；尺寸：長1.9 m，寬1.8 m，高2 m；總功率共89 kW；工作介質為清水；水槍耗水量42 L/min；炮膛封閉空間的尾部設集水裝置，將工作后的殘水通過管路排到遠處，以確保不會對現場造成環境污染。除安裝機架外，其余外殼均用不銹鋼板焊接或鉚接成型；

(5)設備的主要運動有如下幾項：為了變換工作角度和高度及改變清理工位，設計了轉盤繞主軸的轉動，由主軸驅動機構實現；為了使炮筒能得到有效的清理，設計了一個炮筒內的高壓管及噴嘴的旋轉角度及抽拉的復合運動；清理設備設置電氣控制裝置，控制柜安裝在車體后部。

為了避免設備因為誤操作而導致損壞，首先，要保證電路控制上的互鎖；其次，在水槍驅動機構中加裝限位行程開關。

3.3 裝置工作原理

此設備以高壓泵組產生高壓水(30～60 MPa)，經水槍發射出高壓水射流沖擊炮筒內部的積碳、掛銅和掛尼龍。設備運行時，將帶有兩道環形支撐的高壓管放置在炮筒內，利用兩道柔性支撐給高壓管路和兩道高壓噴頭定位。啟動高壓水射流，高壓水邊清理內膛，高壓管邊向炮筒外方向運動，直至整個炮筒全部清理完畢。

車身上布置有柴油電力發電設備，高壓泵組、蓄能器、控制器組、高壓水軟管及其回收裝置，大小轉盤附屬及其驅動附屬構件等設備。

小轉臺上側布置有對接裝置。通過調節大小轉盤高度、回轉位置及車身前進后退，實現對接裝置與炮口對接，對接裝置為楔形敞口設計，敞口直徑大于炮口直徑，便于對接。

對接裝置上安裝有移動裝置行進驅動機構，如圖5所示。拉力彈簧(拉力可調)與上下兩凹面輪軸固定連接，為兩凹面輪提供夾緊力，凹面輪軸可沿支架內槽相對滑動。電機驅動凹面輪，實現移動裝置的送入及抽出。

圖5 移動裝置行進驅動機構示意Fig.5 Moving device driving mechanism

此設備設計有集液裝置，提供回收、過濾、軟化水質功能。

水槍前端部分水管為硬管，硬管中段設計有一個回轉接頭，對接裝置后側為軟管，軟硬管固定連接。

水槍移動裝置如圖6所示，4個斜向輪通過連桿與移動裝置主體鉸接，同時連桿末端與主體鉸接有推力彈簧，移動裝置主體為中空圓柱設計，水槍硬管穿過圓柱內部且與主體固定連接。水槍末端噴嘴具備高壓水射流噴射功能。斜向輪與硬管回轉接頭的設計，使移動裝置伸入或抽出時實現伸縮回轉復合運動，滿足噴嘴回轉均勻清除殘余物需求。

圖6 移動裝置行進裝置的示意Fig.6 Moving device traveling device

各斜向輪連桿還布置有擦干裝置，在高壓水射流噴射清潔后實現炮筒擦干功能。

4 總結

(1)模擬仿真結果指出：高壓水射流清理是射流初始的沖擊載荷和后期的準靜態壓力相結合產生的結果，其中又以沖擊載荷的作用為主。即水射流進行清理的主要原理是射流沖擊所導致的介質的拉伸破壞；

(2)根據火炮清膛機的使用特點和用戶提出的技術要求，為改變傳統人工推拉的方式清洗炮膛的現狀，通過對高壓水射流基本結構、相關參數以及清除機制進行分析，重點提出了火炮清膛裝置的設計方案，主要包括設備構成、設計參數及要求、工作原理，重點保證裝置實用可靠。

(3)裝置構成。裝置采用整體布局方式，主體思路簡單、直接。整套設備主要由高壓泵工作裝置、傳動裝置、水槍、壓力附屬裝置、水處理裝置及車載平臺六大部分組成。

(4)裝置設計要求。考慮到現場較惡劣的條件，總體設計以機械傳動為主，在確保使用功能的前提下，該裝置操作較為簡單、動作實用，并且能夠對結構做進一步的優化，在一定程度上縮短傳動鏈，以保障正常的運作，減少故障的發生，使得后期的維修保養更加方便，并最大程度延長其使用壽命。

(5)闡述工作原理。以高壓泵組產生高壓水，經水槍發射出高壓水射流沖擊炮筒內部的積碳、掛銅和掛尼龍。設備運行時，將帶有兩道環形支撐的高壓管放置在炮筒內，利用兩道柔性支撐給高壓管路和兩道高壓噴頭定位。啟動高壓水射流，高壓水邊清理內膛，高壓管邊向炮筒外方向運動，直至整個炮筒全部清理完畢。