曹 亭 ,張相炎

(1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094; 2.73906部隊,江蘇 南京 210028)

隨著武器裝備的系統(tǒng)化、復(fù)雜化,綜合保障能力的高低成為制約其戰(zhàn)斗力的重要因素。長期以來,軍隊對系統(tǒng)的綜合保障能力大多停留在發(fā)生故障后的維修層面上[1],對故障發(fā)生機理沒有太多的研究,對故障的處理方法也過于簡單。因此,對火炮進行故障分析以及故障處理方案的研究,可以及時獲得火炮的重要信息,進而采取有針對性的預(yù)防措施,更安全更好地保證任務(wù)的完成。

制退機用于消耗后坐能量,控制后坐運動規(guī)律。其作用在火炮發(fā)射過程中十分巨大。制退機發(fā)生故障,對火炮將產(chǎn)生很大的影響,常導(dǎo)致后坐過長、后坐過短、后坐阻力過大和后坐速度過快等現(xiàn)象,導(dǎo)致火炮作戰(zhàn)效能不能正常地發(fā)揮,甚至導(dǎo)致重大安全事故。常見故障有液量調(diào)節(jié)器漏液、液量調(diào)節(jié)器內(nèi)液體回不到制退機內(nèi)、制退機注液不足、制退機漏液和制退機磨損等。

制退機磨損故障主要有節(jié)制環(huán)磨損、節(jié)制桿磨損、制退機活塞套與制退筒磨損、節(jié)制桿調(diào)整筒磨損等。其中,節(jié)制桿活塞套磨損導(dǎo)致節(jié)制桿活塞與制退筒之間產(chǎn)生間隙,導(dǎo)致液壓阻力減小;節(jié)制桿磨損使節(jié)制桿在漏口處截面積變小,使漏口處環(huán)形面積增大,導(dǎo)致漏口液壓阻力減小;節(jié)制環(huán)磨損則直接導(dǎo)致漏口處環(huán)形面積增大。節(jié)制桿磨損和節(jié)制桿活塞套磨損可等效于節(jié)制環(huán)環(huán)形漏口面積增大。因此分析節(jié)制環(huán)磨損故障具有一定代表性。

1 節(jié)制環(huán)磨損故障

節(jié)制環(huán)磨損主要分為氣蝕磨損和沖蝕磨損[3]。氣蝕磨損,主要是當制退液從節(jié)制環(huán)與節(jié)制桿間的環(huán)形流液孔高速流向非工作腔時,液道突然減小導(dǎo)致環(huán)形流液孔處流速大大增加。由 Bernoulli方程可知液體壓強急劇降低。當壓強降至制退液的飽和蒸汽壓強時,局部液體會沸騰生成充滿蒸汽的游移型空泡。另外,空化數(shù)很快達到臨界空化數(shù)并繼續(xù)減小,所以在節(jié)制環(huán)表面形成可見的固定型空穴。復(fù)進時非工作腔壓強增大,游移型空泡和固定型空穴逐漸縮小凝結(jié)。當空泡潰滅時,液體質(zhì)點形成的微射流沖擊節(jié)制環(huán)金屬表面。較強沖擊力引起機械損壞,較弱沖擊力引起疲勞損壞。沖蝕則主要因為長期使用增加了節(jié)制環(huán)塑性,使得有碎屑脫落混在制退液里形成液固兩相流,反復(fù)沖擊和擠壓加劇了節(jié)制環(huán)表面的脫落[5]。另外還有化學(xué)腐蝕和熱作用等原因。

節(jié)制環(huán)磨損使節(jié)制環(huán)孔徑增大,環(huán)形漏口液壓阻力減小。這將導(dǎo)致制退機液壓阻力減小,從而影響了后坐阻力和后坐速度,最終導(dǎo)致后坐加長。液壓阻力為

其中,FΦh為制退機液壓阻力,ax為環(huán)形漏口面積(為未磨損時環(huán)形漏口面積 ax0與磨損掉的面積 Δax之和),V為后坐速度。

2 故障影響分析

以某型火炮的短節(jié)制桿式制退復(fù)進機為例建立數(shù)學(xué)模型,并以諸故障中較典型的節(jié)制環(huán)磨損故障為例,對其對后坐的影響進行仿真。

2.1 建模

根據(jù)火炮后坐運動微分方程[6-7]

建立數(shù)學(xué)模型。其中,m為彈重,mh為后坐部分質(zhì)量,X為后坐位移,t為后坐時間,Fpt為炮膛合力,FR為后坐阻力。

FR的求解可根據(jù)以下公式:

式(3)-式(6)中,Ff為復(fù)進機力,F為密封裝置摩擦力, P為短節(jié)制桿減速比,Af為游動活塞工作面積,A1為支流最小流液面積,Afj為小活塞桿內(nèi)腔截面積,Ap為節(jié)制環(huán)孔面積,A0為大活塞桿活塞工作面積,Ax為節(jié)制桿橫截面積,ρ為制退液密度,K、K1分別為主、支流液壓阻力系數(shù), n為氣體多變指數(shù),νf為游動活塞摩擦系數(shù),pf0為復(fù)進機儲氣腔氣體初壓,V0為復(fù)進機儲氣腔氣體初始體積。

Fpt的求解可根據(jù)以下公式:

其中,γ為修正系數(shù),χ為炮口制退器沖量特征量,φ為次要功系數(shù),φ1為僅考慮彈丸旋轉(zhuǎn)和摩擦的次要功系數(shù),ω為全裝藥重,S為炮膛橫斷面積,ppt為炮膛壓力,tg、tk分別為后效期開始時刻和結(jié)束時刻,pptg、Fptg分別為后效期開始時刻膛壓和炮膛合力。

由于慣性后坐末期速度為零,為便于求解,將慣性后坐時期的式(2)變形為

2.2 計算與模型驗證

將某火炮及其制退復(fù)進機基本參數(shù)代入式(2)-式(8)。取射角為零,對微分方程(2)采用 MATLAB中的四級五階Runge-Kutta法的ode45函數(shù)求解。得到零射角下的后坐阻力隨后坐位移變化曲線(如圖1)和后坐速度隨后坐位移變化曲線(如圖 2中的實線)。

圖1 后坐阻力隨后坐位移變化曲線

圖2 后坐速度隨位移變化理論曲線與實際曲線

由以上曲線可得到火炮后坐的特征量:后坐行程976.2mm,最大后坐速度14.87m/s,最大后坐阻力125.86KN。該火炮實際參數(shù)中,后坐范圍是920～1050mm,最大后坐阻力不超過 140KN,最大速度不超過15.51m/s。后坐特征量符合火炮參數(shù)要求。速度位移曲線也基本與實際曲線(如圖2中虛線)位置和走向一致。仿真模型可行。

2.3 后坐特征量變化預(yù)測

取不同射角,得到后坐行程、最大后坐阻力和最大后坐速度隨射角變化的關(guān)系曲線(如圖3～圖5)。

圖3 后坐行程隨射角變化曲線

圖4 最大后坐阻力隨射角變化曲線

圖5 最大后坐速度隨射角變化曲線

曲線表明,隨著射角增大,最大后坐阻力減小,最大后坐速度增大,最終后坐行程加長。當射角取最大 65°時后坐行程和最大后坐速度取得最大值,為1002.2mm和14.95m/s;最大后坐阻力在射角為零時取得最大,為 125.86KN。三個特征量在各射角下都能符合火炮參數(shù)要求。

2.4 故障仿真

為簡化計算,取零射角,假定其他條件不變,節(jié)制環(huán)磨損后,仿真后得到后坐阻力和后坐液壓阻力對比如圖 6和圖 7所示(圖 7中可明顯看出后坐加長)。

圖6 節(jié)制環(huán)磨損前后后坐阻力對比

圖7 節(jié)制環(huán)磨損前后液壓阻力對比

取磨損量為 0～60mm2,得到后坐行程、最大后坐阻力、最大后坐速度隨磨損量變化曲線(如圖 8～圖10)。

圖8 后坐行程隨磨損量變化曲線

圖9 最大后坐阻力隨磨損量變化曲線

圖10 最大后坐速度隨磨損量變化曲線

仿真表明,隨著節(jié)制環(huán)磨損量的增大,最大后坐速度不斷增大,而最大后坐阻力先變小后變大。其原因可由圖6看出:隨著磨損量增大,后坐前段液壓阻力逐漸降低,后坐后段液壓阻力逐漸抬高,于是形成最大液壓阻力先減小后增大的趨勢,而磨損量在一定程度時(圖9中磨損約35mm2時)后坐前后段液壓阻力變化相對較小,曲線較平,這時最大液壓阻力取得最小值。最終后坐行程加長。其他故障情況可類似仿真分析,不再贅述。

3 降級使用及應(yīng)急處理方案

圖8表明零度射角下,假定其他條件不變時,不同磨損量與后坐行程之間的關(guān)系。以此為例,則節(jié)制環(huán)磨損到一定程度,后坐距離達到極限后坐長(取1100mm)。為預(yù)留一個安全系數(shù),在達到極限后坐長之前取一條“報警線”(比如取 1050mm)。該方案的故障處理示意圖如圖11所示。

圖11 故障處理方案示意圖

當節(jié)制環(huán)磨損到一定程度時,最大后坐距離加大到達“報警線”,火炮開始保警,提醒人員注意。此時一般可考慮停止射擊并檢修;如戰(zhàn)場條件不允許,可以降級使用,比如采取降低裝藥量、調(diào)低射角、降低射速等措施。

假定其他條件不變,由圖 11可知,后坐行程與節(jié)制環(huán)磨損量的關(guān)系曲線隨射角的增大而上移。在30°射角下,假定此時后坐行程已越過“報警線”,應(yīng)當降級使用火炮。采用降低射角的方法(比如將射角打到15°),就可達到降級繼續(xù)使用的目的。

為進一步分析,嘗試作出在給定節(jié)制環(huán)磨損量下的后坐行程與射角關(guān)系曲線(如圖12)。

圖12 不同磨損量下后坐行程與射角關(guān)系圖

由圖8可看出,其他條件不變時,隨著節(jié)制環(huán)磨損量的增加,后坐行程與射角關(guān)系曲線將上移。理想條件下,節(jié)制環(huán)磨損量在 20.77 mm2以下時,則無論射角如何變化,后坐行程都不會超過“報警線”,因此火炮在整個射角范圍內(nèi)都可以正常使用;當磨損量在20.77 mm2和30.5 mm2之間時,可采用降低射角的降級使用方法,保證后坐行程不超過“報警線”(以上假定的 27mm2磨損量可以通過將射角限制在16.5°以下降級使用);如磨損量超過30.5 mm2時,則降低射角的降級方法已經(jīng)不能使后坐行程低于“報警線”,必須采取其他降級方法方可實現(xiàn)降級使用。其他降級使用方法還有限制裝藥量以降低炮膛合力、限制射速以保證溫度不過高從而保證制退液粘度和后坐阻力等,另外還能給制退復(fù)進機增加氣壓以彌補制退機阻力的損失。

以上方法定量分析了節(jié)制環(huán)磨損情況下減小多大射角以降級使用火炮的方法。實際使用中,故障影響因素復(fù)雜,不會只有節(jié)制環(huán)磨損故障,因此后坐行程與射角關(guān)系曲線還要偏向上移動,但是因為“報警線”到“停止線”有一段余量,所以還是有機會采取降級措施的。這也正是制定“報警線”,而不是傳統(tǒng)的只根據(jù)“停止線”來處理故障的原因。

當后坐行程達到極限后坐長即到達“停止線”時,火炮應(yīng)立即采取應(yīng)急處理措施并停止射擊,以保障人員和裝備安全。應(yīng)急處理措施分為機械方面和電氣方面。機械方面的應(yīng)急處理,可通過停止發(fā)射和供彈的機構(gòu)來實現(xiàn);電氣方面的應(yīng)急處理,主要是通過檢測故障狀態(tài),當后坐行程達到“停止線”時發(fā)出指令,使機械應(yīng)急處理機構(gòu)開始工作。兩者配合從而達到應(yīng)急處理的目的。

4 結(jié)束語

本文對制退機節(jié)制環(huán)磨損故障進行了總體把握和分析,利用了強大的數(shù)值分析工具MATLAB來編程仿真其磨損對火炮后坐的影響,得到的結(jié)果符合實際。另外還提出了發(fā)生故障后的處理方案。本文是一次理論性與嘗試性的實驗和方案思考,具有一定參考意義。

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