考虑制退液空化的火炮制退机复进液压阻力计算.pdf

2 0 1 3年 6月 第4 1 卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAULI CS J u n e 2 01 3 Vo 1 ． 4l No ．1 1 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 1 ． 0 2 5 考虑制退液空化的火炮制退机复进液压阻力计算 杨玉栋 ，张培林 ，傅建平 ，张晓东 1 ．军械工程 学院一 系，河北石家庄 0 5 0 0 0 3 ；2 ． 6 3 9 2 6部 队，北京 1 0 2 2 0 2 摘要传统反后坐理论假设火炮后坐结束时制退机非工作腔内有真空段 ，基于该假设的火炮复进计算结果与实测结果 有一定差异。以制退机非工作腔空化试验和压力试验为手段，研究了火炮后坐时制退液的空化现象及考虑制退液空化时制 退机复进液压阻力的计算方法。研究结果表明制退液在火炮后坐时发生了剧烈空化，后坐结束时制退机非工作腔内充满 制退液空化泡，并不存在真空段。制退液空化泡是在复进过程中逐渐溃灭的，制退机非工作腔几乎不提供复进液压阻力。 采用传统理论计算方法会导致对制退机复进液压阻力的高估。考虑制退液空化效应时，计算出的制退机复进液压阻力功比 传统理论值小4 ． 5 ％，火炮最大复进速度比传统理论值大 1 0 ． 5 ％。该结论为制退机的合理设计与故障诊断提供了参考。 关键词制退机；制退液；空化；空化试验；压力试验 ；液压阻力 中图分 类号 T J 3 0 3 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 1 0 9 3 4 Co u n t e r Re c o i l i n g Ca l c u l a t i o n o f Hy d r a u l i c Re s i s t a n c e o f Gu n Re c o i l Br a k e Ta k i n g Re c o i l Oi l Ca v i t a t i O n i n t o Ac c o un t Y ANG Yu d o n g ，Z HANG P e i l i n ，F U J i a n p i n g ，Z HANG Xi a o d o n g 1 ． D e p a r t me n t 1 ，O r d n a n c e E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 0 3 ，C h i n a ； 2 ． 6 3 9 2 6 T r o o p s ，B e i j i n g 1 0 2 2 0 2，C h i n a Ab s t r a c t T h e t r a d i t i o n al r e c o i l t h e o r y g e n e r a l l y s u p p o s e d t h a t t h e v a c u u m w a s e x i s t e d i n t h e n o n w o r k i n g c h a mb e r o f r e c o i l b r a k e a t t h e e n d o f r e c o i l i n g ， a n d t h e g u n c o u n t e r r e c o i l c a l c u l a t i o n r e s u l t b a s e d o n t h e h y p o t h e s i s w e r e d i s c r e p a n t wi t h t h e t e s t r e s u l t s ． T h e r e c o i l 0 i l c a v i t a t i o n e f f e c t a t r e c o i l i n g o f gu n w a s r e s e a r c h e d ．a n d t h e c o u n t e r c alc u l a t i n g me t h o d o f h y d r a u l i c r e s i s t a n t t aki n g r e c o i l o i l c a v i t a t i o n i n t o a c c o u n t wa s c o n s i d e r e d b y u s i n g me a s u r e s o f c a v i t a t i o n t e s t a n d p r e s s u r e t e s t i n n o n w o r k i n g c h a mb e r o f r e c o i l b r a k e ． T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e c o i l o i l c a v i t i e s a r e p r o d u c e d d r a s t i c a l l y i n r e c o i l i n g c o u pe o f t h e g u n，a n d t h e n o n - w o r k i n g c h a m b e r o f r e c o i l b r a k e i s f u l l o f r e c o i l o i l f o a m a t t h e e n d o f r e c o i l i n g ． i n s t e a d o f n o v a c u u m i s e x i s t e d ． T h e n o n wo r k i n g c h a mb e r o f r e c o i l b r a k e d o e s n o t o f f e r c o u n t e r h y d r a u l i c r e s i s t a n c e ．for t h e r e c o i l o i l b u b b l e s c o l l a p s e g r a d u a l l y d u r i n g c o u n t e r r e c o i l i n g ． T h e t r a d i t i o n a l t h e o r y c a l c u l a t i n g me t h o d c a n c a u s e o v e r r a t e o f t h e c o u n t e r r e c o i l h y d r a u l i c r e s i s t a n c e o f r e c o i l b r a k e ． Wh e n t a k i n g e ff e c t o f r e c o i l o i l c a v i t a t i o n i n t o a c c o u n t ． t h e c a l c u l a t e d c o u n t e r r e c o i l i n g h y d r a u l i c r e s i s t a n c e w o r k o f r e c o i l b r a k e i s 4 ． 5 ％ l e s s t h an t r a d i t i o n al t h e o r e t i c a l v a l u e ． a n d t h e m i mu m c o u n t e r r e c o i l i n g v e l o c i t y o f t h e g u n i s 1 0 ． 5 ％gre a t e r t h a n t r a d i t i o n al t h e o r e t i c al v alu e ． Th e c o n c l u s i o n s p r o v i d e a r e f e r e n c e for t h e r e a s o n a b l e d e s i g n a n d f a u l t d i a g n o s i s o f r e c o i l b r a k e ． Ke y wo r d s Re c o i l b r a k e；Re c o i l o i l ； C a v i t a t i o n ； C a v i t a t i o n t e s t ； P r e s s u r e t e s t ； Hy d r a u l i c r e s i s t a n c e 制退机是一种液压缓冲器 ，通过挤压制退液高速 流过突缩流道而产 生的液 压阻力 消耗火 炮后 坐动 能 ， 使火炮保持射击稳定 。典 型的筒后 坐节制杆式制退机 工作原理如图1 所示 。火炮发射时，炮身带动制退筒 快速后坐 ，挤压工作腔 I 中的制 退液通过 节制环流液 孔高速射入非工作腔 I I ，制退液在流动过程中产生很 大的惯性阻力，制退液内部以及制退液与制退机各部 件内表面也形成摩擦阻力 ，这两部分阻力合称为液压 阻力，该阻力作用方向与后坐方向相反，通过制退筒 作用在炮身上，使后坐运动在规定的距离上停止⋯。 图 1 筒后坐节制杆式制退机工作原理图 传统反后坐理论认为，火炮后坐结束时，由于制 退杆的抽出，非工作腔内存在一真空段 即P 0 。 在复进真空排除阶段，制退机复进液压阻力主要来自 复进节制腔 I I I ，该阻力通常小于复进剩余力 ，因此 收稿 日期 2 0 1 2 0 51 6 作者简介杨玉栋 1 9 8 4 一 ，男，博士研究生，主要从事武器装备维修理论与技术研究。Em a i l y y d s x t y 2 0 0 1 1 6 3 ． c o rn。 9 4 机床与液压 第4 1 卷 是复进加速时期；待非工作腔内真空排除后 ，制退 机非工作腔突然产生一较大的液压阻力，使得复进液 压阻力大于复进剩余力 ，复进进入减速时期 。目 前 ，制退机内流场仿真计算也基于以上假设 。由 于未考虑制退液的空化效应及其对火炮复进的影响， 上述分析和仿真计算结果与实际情况之问存在一定差 异，无法反映制退机的实际工作性能。 1 制退机非工作腔内空化的理论分析 1 ． 1 非工作腔 内制退液空化机制分析 空化是 由于液 流系 统 中的局 部低 压 低 于 相应 温度下该液体的饱和蒸汽压 使液体快速蒸发而引 起的微汽泡爆发性生长现象，通常也包括空化泡的形 成 、发展及溃灭过程 。 火炮后坐时，工作腔中的制退液受到挤压 ，通过 节制环流液孔高速射入非工作腔 ，由于此处 液流通 道 面积突然缩小，液流速度急剧提高，由伯努利方程可 知该处压强急剧降低，局部压力甚至接近于0 ，文献 [ 4 ]和 [ 6 ]对火炮后坐 时制退机 内流场 的数值模拟 结果显示了非工作腔内的低压分布。文中研究的某型 制退液在2 0℃时的饱和蒸汽压为 5 ． 6 9 k P a ，远远高 于火炮后 坐时非 工作腔 内的最低压力 。 1 ． 2 非工作腔 内制退液空化过程分析 火炮后坐时由于制退杆的抽出使非工作腔内出现 真空趋势 ，同时节 制环 流液 孔处 的液 流 速度 急剧 升 高，局部压强会迅速降低到 5 ． 6 9 k P a以下，促使制 退液发生空化，产生的制退液空化泡被制退液流冲散 到非工作腔内，后坐结束时，制退机非工作腔内充满 制退液空 化泡 ，内部 压强应 为 制退 液 的饱 和蒸汽 压 5 ． 6 9 k P a ，而并不存在通常所说的真空段。 2 制退机非工作腔空化的试验研究 2 ． 1 制退机非工作腔 空化试验原理与方法 当超声波垂 直 入射 到声 阻抗 不 同的两 介质 界 面 时，会在界面处发生透射与反射。一般常用反射波声 压P 与入射波声压P 。 的比值表示声压反射率r ，且有 r 1 P 0 0 10 2 、 式中 和 为两种介质的声阻抗值 。 已知钢 对 纵 波 的声 阻抗 为 4 ． 61 0 k g ／ m S ， 制退液对纵波的声阻抗为 2 ． 11 0 k g ／ m S ，则超 声波从钢入射到制退 液时界面处声压反射率约为 9 1 ． 6 7 ％；而超声纵波在真空中无法传播 ，由式 1 可知，当 远大于 z 时，声波在界面上几乎全反射 而透射极少 ，如果制退机内部存在真空，则超声波在 钢和真空的界面处应为全反射 ，理论反射率应 为 1 0 0 ％。制退液泡沫根据其内部制退液蒸汽含量不同， 其与制 退筒 交 界面 对入 射超 声 波 的反射 率 应在 9 1 ． 6 7 ％到 1 0 0 ％之 间。超 声试 验 中所 用 的超 声探 头 及其安装位置如图2所示。 图 2 空化试 验中所用的超 声探 头 2 ． 2 制退机非工作腔空化试验结果分析 将火炮发射前交界面处反射的首列回波能量值标 定为0 ． 8 量纲为一 ，火炮发射过程 中仪器接收到 界面处的回波能量值曲线如图 3 所示。 由图3 可见， 火炮 麓 后坐时的冲击 作用确实 0 ． 8 5 会使制退机内部的制 退裂 慧 液剧烈空化， 泡沫化的 蓦 制退 液声阻抗变小 ，使0 ．8 得制 退 机 钢 筒 与 制 退 液 。 要 竺 的 量 塞 图 3 界 面 处 反 射 的 回 导 ， 。 。 磊 离 从 零 增 大 到 最 大 值 ， ⋯⋯⋯一 探头接收的回波能量值由发射前的0 ． 8 增加到最大值 随着复进过程逐渐降低到初始水平，这说明泡沫化制 笔者在不 同火炮射角下进行 了反复测试 ，并在 同 非工作腔的不同区域。如果非工作腔内存在真空段， 在火炮大射角射击时，制退液受重力作用位于非工作 地分布在制退机非工作腔内，填补了由于制退杆抽出 根据空化试验结果可知，制退液空化泡是在火炮 塞上产生的液压阻力几乎可忽略不计，并不会成为复 进 由加速变为减速 的原 因。曾有学者对制退液空化及 第 1 1 期 杨玉栋 等考虑制退液空化的火炮制退机复进液压阻力计算 9 5 节制环空蚀破坏机制进行过研究 ，并未研究 过制退液 空化泡溃灭 的宏 观力学表现及其对 火炮复进 的影 响 。 一 。 为了进一步研究制退液空化对火炮复进运动的影 响，笔者对制退机非工作腔压力进行了测试。测试选 用的是压电式压力传感器 ，火炮发射前将其安装在制 退筒上的注液孑 L 处，如图4所示。 图4 压力传感器及其安装位置 2 ． 4 制退机非工作腔压力试验结果分析 火炮发射过程中传感器测得的非工作腔内部压力 曲线如 图 5所示 。 分析 图 5可知 ，在 火 炮发射时，后坐部分速度 在 约 0 ． 0 1 s内达 到最 大 值，制退筒快速挤压制退 液，使工作腔压力急剧升 高，由于此时制退筒上的 压力传感器位于制退机活 塞后方 ，因此测量 的仍是 工作腔压力 ，该脉 冲压力 图5 非工作腔内 部压力曲线 峰值约为2 ． 1 MP a ，持续约 0 ． 0 3 S ；而后传感器随着 制退筒 的移 动越过制退机活塞 ，开始测量非工作腔压 力 ，该压力值约6 k P a 并保持到后坐结束，即0 ． 1 6 2 s 处 ；在复进 的前 0 ． 3 s 内 ，即复进 位移达到 0 ． 3 5 m之 前，非工作腔压力一直保持在 6 k P a 左右，在复进运 动开始约 0 ． 3 s 后 ，非工作腔 压力 出现一小 幅度快 速 升高 ，约在 0 ． 3 3 S 时达 到最 大值 0 ． 2 1 M P a ，然后 随 着复进行程的增大逐渐降低，直至恢复为 0 。在火炮 复进过程中，非工作腔压力始终未超过 0 ． 2 1 MP a ， 这与传统反后坐理论中的假设极不相符。 3 制退机复进液压阻力计算结果对 比 3 ． 1 传统理论 中制退机 复进液压阻力的计算方法 传统反后坐理论认为，火炮复进制动图上有一个 复进合力的突跃点 ，即制退机非工作腔真空消失点 ， 在此点之前复进液压阻力中不包含制退机非工作腔液 压阻力 ，只含有复进节制腔液压阻力 ；待真空段排除 后，非工作腔内制退液开始回流，制退机非工作腔才 提供液压阻力。 传统制退机复进液压阻力方程见式 2 、 3 F 3 2 2 2 r 0 ‘ F o A 日 f ⋯ 哪 一 一 Lj 式 中F 似 和 F 分别为制退机非工作腔液压阻力与复 进节制腔液压阻力；K 和 分别为主流和支流液压 阻力 系数 ；A 。 为复 进 时制退 机活 塞工 作 面积 ；n 为 节制环流 液孔 面积 ；A 为复进节制器工作面积 ；o 为 复进节制流液沟槽面积 ； P为制退液密度；“为复进 速度。在真空排除之前，制退机复进液压阻力用式 3 计算，真空排除之后，制退机复进液压阻力为 F m 和 F 之和 。 3 ． 2 考虑制退液空化的制退机复进液压阻力计算 方 法 分析非工作腔内制退液空化试验和压力试验的结 果可知 ，由于制退液发生剧烈空化 ，火炮 后坐结束时 制退机非工作腔内并不存在所谓真空段；由于制退液 泡沫是在复进过程 中逐渐受压溃灭 ，非工作腔在预期 的真空消失点处并未出现压力的突然升高 ，相应也没 有提供复进液压阻力 ，在复进开始约0 ． 3 s 后非工作 腔出现压力升高现象 ，但该点明显滞后于复进制动图 上的真 空消失 点 文 中所 研究 的火炮 制退 机 “ 真空 消失 点” 约在复 进行程 0 ． 2 3 m处 ，对 应复 进时 间约 0 ． 2 1 s ，且该压力峰值仅有 0 ． 2 1 M P a 。因此考虑制 退液空化时 ，制退机复进液 压阻力 应 当按照下 面 的方法计算 F F 锄 p A 0 f 4 式中P为实测的制退机非工作腔压力，F 按照式 3 方法计算 。 3 ． 3 火炮复进液压 阻力对比分析 笔者以火炮实测复进速度为依据，结合制退机实 际结构参数，按照式 2 一 4 用 M A T L A B编程， 对根据传统反后坐理论和考虑制退液空化这两种情况 下的复进液压 阻力进 行对 比分析 ，结果见 图 6 。 图6 火炮复进液压阻力曲线 分析图6可知 ，考虑制退液空化时计算得出的复 进液压阻力变化趋势较为平缓，最大值为 3 ． 5 21 0 N，出现在复进时间约 0 ． 3 5 s 处；而传统方法计算出 9 6 机床与液压 第 4 1卷 的复进液压阻力在复进时间约0 ． 2 2 s 时出现一较大 峰值 ，达 6 ． 3 1 X 1 0 N 。依据传统方法计算得 出的液 压阻力值要大于依据考虑制退液空化的方法计算的液 压阻力值。对两种情况下的液压阻力分别求阻力功可 得前者阻力 功约为 1 ． 8 9 X 1 0 J ，后者 阻力 功约为 1 ． 9 8 X 1 0 J ，前者 比后 者 小约 4 ． 5 ％ 。 由于考 虑制 退液空化的计算方法考虑了制退液空化 的影响 ，且 依据的是实测的非工作腔压力 ，因此更加贴近实际 情 况 。 3 ． 4火炮复进速度的对比分析 为研究制退液空化对火炮复进运动的影响，笔者 将用两种方法计算出的火炮复进速度曲线与实测的火 炮复进速度进行对 比，结果见 图 7 。 f 鲁 趟 图7 火炮复进速度曲线 如图7所示 ，在 1 5 。 射角时，根据传统方法计算 得出在复进约 0 ． 2 1 s 时，火炮复进速度 即达到最大 值 1 ． 7 1 m ／ s ，复进到位速度为0 ． 2 4 5 m ／ s ；而试验测 得火炮在 0 ．3 2 s 时复进速度才达到最大值 1 ． 8 9 m ／ s ， 复进 到位 速度 为 0 ． 4 2 m ／ s ；根 据考 虑 制退 液空 化 的 方法计算得火炮在 0 ． 3 s时达到最大复进速度 1 ． 8 7 m ／ s ，复进到位速度为 0 ． 4 m ／ s 。分析可知，采用考 虑制退液空化的方法计算得出的火炮复进速度最大值 比传统方法计 算值 大 1 0 ． 5 ％ ，与试验测 量值更 为 接近。 4结论 通过对制退液空化的理论分析 ，结合非工作腔的 空化试验 与压力试验 ，指出火炮后 坐过程 中制退 液发 生剧烈空化 ，后坐结束时制退机非工作腔内并不存在 真空段，而是充满制退液空化泡。制退机在复进过程 中提供的液压阻力小于传统反后坐理论计算值。提出 一 种考虑制退液空化 的火炮复进 液压 阻力计算 方法 ， 根据此方法计算出的制退机复进液压阻力功比传统理 论值4 “ 4 ． 5 ％左右 ，计算出的火炮最大复进速度比传 统理论值大 1 0 ． 5 ％左右，考虑制退液空化的计算结 果与实测的火炮复进速度更为吻合。上述结论为制退 机的合理设计与故障诊断提供了有用的参考。 参考文献 【 1 】张培林， 李国章， 傅建平． 自行火炮火力系统[ M] ． 北京 兵器工业出版社， 2 0 0 2 1 9 5 ． 【 2 】 高树滋， 陈运生 ， 张月林 ， 等． 火炮反后坐装置设计[ M] ． 北京 兵器工业 出版社 ， 1 9 9 5 1 5 41 6 4 ． 【 3 】 张晓东， 张培林 ， 傅建平 ， 等． 基于动网格的火炮制退机 内部流场数值模拟[ J ] ． 南京理工大学学报 自然科学 版 ， 2 0 1 0 ， 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Hi g h - p r e s s u r e El e c t r o s t a t i c A c t u a t o r f o r V a l v e A p p l i c a t i o n s [ J ] ． S e n s o r s a n d A c t u a t o rs A P h y s i c al， 2 0 0 2 ， 1 0 0 2 ／ 3 2 6 4 2 7 1 ． 【 6 】 周元春， 杨曙东， 罗博 ， 等． 基于 F l u e n t 的大通径滑阀压 力流量特性研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 9 1 0 3 1 0 5． 【 7 】 朱红钧． F l u e n t l 2 流体分析及工程仿真[ M] ． 北京 清华 大学出版社 ， 2 0 1 1 ． 【 8 】国亚东 ， 闫辉， 夏宇宏 ， 等． 金属橡胶滤材过滤精度研究 [ J ] ． 功能材料， 2 0 1 0 ， 4 1 8 1 3 8 71 3 8 9 ．