变阻力火炮制退机结构设计

肖本勇，郑建国

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

图1 制退机结构简化图

火炮射击后，炮身在火药气体压力下后坐，制退杆活塞压迫制退液通过流液孔流出，形成“主流”和“支流”。此时，由于制退液由静止状态转化为高速流动状态，产生了很大的惯性阻力；同时，液体的高速流动使液体与液体之间，液体与金属壁面之间形成了黏性摩擦阻力。这两部分阻力合称液压阻力，其作用方向与后坐方向相反，起到阻碍火炮后坐的作用，以保证火炮发射的稳定性[2]。由于火炮射击后都需要射手观察火炮后坐距离指标器的后坐距离，以便决定下一发是否可以射击。但火炮在进行远距离打击和近距离压制敌人时，装药量是改变的，故火炮后坐距离也会随之改变，这将影响火炮的射击效率。通过设计一种新的制退机模型可有效控制火炮的后坐位移，提高射击效率。

1 变阻力制退机结构设计

通过在传统制退机上增加一个旁路，旁路上设有调节装置和检测装置，对后坐位移起到调节和监控的作用，其简化模型如图2所示。

图2 变阻力制退机模型

调节装置由压力传感器和液压阀组成，调节变阻力下火炮的后坐位移大小。检测装置由位移传感器和单片机等组成，显示并记录火炮的后坐位移，以提高火炮的射击效率。

1.1 总体设计方案

在火炮炮身和后坐指示器上分别安装压力传感器和距离传感器，当火炮的装药量发生变化后，由压力传感器检测到炮膛合力的变化，从而对阀门的开口做出相应的改变[3]，以确保后坐位移基本保持不变，并以后坐指示器的游标作为获取信号的对象。在后坐指示器的指示尺的起始位置安装位移传感器，当火炮后坐时，传感器的接收器接受信号送至单片机，单片机收到信号通过D/A转换将模拟信号转换为数字信号并在数码管中显示[4]。装置的总体方案如图3所示。

图3 装置的总体方案

1.2 传感器信号的采集与处理

位移传感器采用超声测距获取信号，火炮后坐时，带动后坐游标向后移动；停止后，单片机通过检测输入引脚的电平变化来判断是否计数。计数器所记录的数据可通过换算得到传感器与被测物之间的距离。结构框图如图4所示。

图4 结构框图

1.3 放大电路设计

系统使用的主电源电路原理图如图5所示。

图5 电路原理图

图5为一个三端集成稳压电源应用电路图，电源电压经分压后得到的 + 12 V电压，经转化后即可在输出端输出电压为+ 5 V的稳定电压。在输出端上接入一个值为 50 μF电容 C0，以改善负载的瞬态响应。为防止输出电压过高，在输入端和输出端之间跨接一个保护二极管 V2，型号为 IN4007 ，以保护集成稳压器内部电源。

2 带旁路制退机模型的理论推导

采用控制体上的积分型能量方程来推导流体的流动控制方程，假设制退液体为一维定常流，根据质量守恒方程和能量守恒得到液体流动的阻力方程。

火炮后坐时，后坐部分以速度V沿导轨向后运动，制退杆活塞以同样的速度向后运动，设移动距离为dx，则流动的连续方程为：

(1)

ρAfjdx=ρA1w2dt

(2)

(3)

对于主流、旁路和支流分别有如下方程：

(4)

(5)

(6)

式中：pi、wi分别为制退机内各腔的压力和流速；ρ为制退机内液体的密度；Hri为各流液孔处液体流动的比动能损失。根据制退机工作时的情形，可将p1、p2、w0的值定为0，可以把比能损失写成比动能的形式，引入因数k1=1+ε1，k2=1+ε2，k3=1+ε3，且z0g=z1g=z2g=z3g，则式(4)、式(5)、式(6)可分别简化为：

(7)

(8)

(9)

(10)

将式(3)代入式(9)，得：

(11)

把式(10)代入式(7)，得到：

(12)

制退机后坐时，把制退杆当作自由体，液压阻力可表示为：

Fφh=p0(A0-Ap)+(p0-p3)Afj

(13)

把式(11)和式(12)代入式(13)得：

(14)

从式(14)中可以看出，调节旁路开口af的大小可以改变液压阻力Fφh的大小，而后坐阻力公式为：

FR=Fφh+Ff+F+FT-mhgsinφ

(15)

由式(15)可以看出，增加旁路的开口面积，可减小后坐阻力，而当其他条件不变时，后坐阻力和炮膛合力决定着后坐位移的大小。因此，当火炮的装药量发生变化时，可通过改变旁路开口的大小，来缓冲由装药量改变引起的炮膛合力的变化，达到调节后坐阻力的效果，从而控制整个后坐位移基本保持不变。

3 后坐仿真计算

仿真是以某型号榴弹炮的制退机为例[6]， 在20 ℃的温度下进行。设定制退液为不可压缩粘性流体，密度取ρ=1 100m3/s，运动粘度取μ=0.020Pa·s。采用标准的k-ε模型，压力项采用PRESTO方法进行离散，动量项釆用一阶迎风格式离散，其他项均采用二阶迎风格式进行离散。运用动网格分别对改进前后制退机进行三维流场仿真，时间步长选择为5×10-5s，整个迭代次数为8 000次，计算时间为0.16s。

由前文推导的阀门开口面积与炮膛合力的关系式来调整在不同装药量的情况下阀门的开口大小，得到传统制退机分别在全装药、半装药和3/4装药下的仿真结果图6-图8所示。

图6 全装药位移图

图7 半装药位移图

图8 3/4装药位移图

从图6-图8可以看出，传统制退机模型下，火炮在全装药、3/4装药和半装药下的最大后坐位移分别为0.613m、0.527m、0.406m。

火炮由全装药转变为3/4装药后后坐位移改变量为：

由全装药转变为半装药后坐位移改变量为：

由计算得出，传统制退机在改变装药量后后坐位移改变量较大，不利于火炮的快速射击。

带旁路制退机分别在全装药、半装药、3/4装药情况下的后坐位移仿真结果如图9-图11所示。

图9 全装药位移图

图10 3/4装药位移图

图11 半装药位移图

从图9-图11可以看出，带旁路制退机模型下，火炮在全装药、3/4装药、和半装药下的最大后坐位移分别为0.605m、0.593m、0.578m。

由全装药变为3/4装药后坐位移改变量为：

由全装药转变为半装药后坐位移改变量为：

通过计算结果可以看出，在传统制退机上增加一旁路，通过改变旁路上阀门开口的大小可使变阻力制退机的后坐位移变化量减小，从而实现火炮的快速射击。

4 结语

在不改变火炮总体性能的情况下，在火炮制退机上加一旁路，旁路上装有液压阀等装置，当火炮装药量发生变化后可通过调节阀门的开口来减小后坐位移的变化量。通过理论推导和数值仿真得出在传统制退机模型下装药量由全装药变为半装药后后坐位移变化量为34%，变化量较大，而带旁路制退机在同样条件下变化量仅为4.5%，后坐位移基本趋于稳定，对火炮的快速射击具有较大的实际意义。

[1] 谈乐斌，张相炎，管红根，等．火炮概论[M]. 北京：北京理工大学出版社，2005.

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[3] 张平格. 液压传动与控制[M]. 北京：冶金工业出版社，2009.

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