基于高压水射流火炮清膛装置的研究与设计

2023-02-28曹国强刘春全武晓龙

机床与液压 2023年3期

曹国强，刘春全，武晓龙

(1.沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁沈阳 110136；2.海装沈阳局驻沈阳地区第二军事代表室，辽宁沈阳 110043)

0 前言

火炮作为一种传统兵器，是地面部队大量装备的主要火力武器。炮管是火炮的重要组成部分之一，其作用是对弹丸的初始速度和射击方向进行设定。火炮能够准确无误地完成打击任务的决定性因素就在于炮管[1]。一般来说，定期对炮膛内部进行维护保养可以增加火炮的使用寿命，并能够在一定程度上提高火炮的射击准确度。炮膛内部的维护保养工作主要集中在对炮膛内表面留有的积碳、铜渍等残留物进行及时的清洗[2]。本文作者以炮膛清理为目的，通过对高压水射流基本结构、相关参数以及清除机制进行分析，设计了一种基于高压水全方位清除火炮内膛的积碳、挂铜和挂尼龙的火炮清膛装置，重点保证装置实用可靠。

近年来，高压水射流作为一种新型的高科技清洗技术，已经在行业内被广泛使用。该项技术主要利用液体增压原理，通过增压设备将压力能转换为动能，后经喷嘴小孔形成高能量射流来解决一些工程性问题[3]。高压水射流清洗技术相较于传统清洗技术(人工清洗、机械清洗、化学清洗)，其主要优势在于清洗效率高、无环境污染、综合费用低以及易于实现智能化控制等。此外，传统清洗技术在清洗形状多变的设备以及结垢较为复杂的零部件时，具有较大的清洗难度。然而高压水射流清洗技术的出现完美解决了此类问题，它能够在空间狭窄以及环境复杂等场所进行灵活的清洗工作[4]。

所设计装置通过携带清洁头在炮膛内自动化作业，从而大大减少人力。运行时，将带有两道环形支撑的高压管放置在炮筒内，利用两道柔性支撑给高压管路和两道高压喷头定位。启动高压水射流，高压水边清理内膛，高压管边向炮筒外方向运动，直至整个炮筒全部清理完毕，具有作业效率高、操作简单等特点。

1 高压水射流基本结构及相关参数

为了能使高压水射流技术更具实用价值，非常有必要掌握其结构特征以及基本参数，但产生射流的压力并不是一成不变的，同时射流还会受到环境介质以及试验条件的限制[5]。

在实际工程应用中，水射流的环境介质可分为大气或与射流工作介质相同的流体，前者称为非淹没水射流，后者称为淹没水射流，二者的射流结构特征大体相同。

1.1 水射流结构

射流是一种孔口或狭缝处的流动现象。目前，获学术界公认的一种水射流的结构特征如图1所示。工程所用水射流绝大多数是湍流流动。根据试验和理论结合的研究表明，其结构大致可分为等速核、连续射流、液滴层和外围气流层[6]。

图1 射流结构Fig.1 The jet structure

当速度为U0的射流离开喷嘴后，由于射流与环境介质在边界层上会存在一个速度差，且这个速度差往往较大，因此会与周围相对静止的环境形成一个紊动面，并且会产生一个垂直于射流轴心方向的力。由于受到该力的作用以及射流内部湍流的影响，推动射流与环境介质产生质量和动量的交换，使射流的边界不断地向外呈直线扩展[7]。扩散开始于射流表面并逐渐向轴心发展。

距喷嘴相对较近区域的流体依旧会保持单一介质，且速度仍为喷嘴出口速度U0，该区域就是射流的等速核。等速核作为一种纯液相流，能量最大，其流速和密度不会发生改变，整体呈楔形，流线为平行线，是射流主要的作用区域。

连续射流作为液相流，由于射流内部存在着液体紊流和黏滞的作用，导致被卷吸的环境介质逐渐增多，射流轴向流速及动压力逐渐减少，射流能量就会因缺乏凝聚力开始发散，但是其完整性保持相对较好，内部结构也较为紧密。

液滴层区域，射流与环境介质已完全混合，为气液二相混合流，其射流的轴向速度较为缓慢，动压力往往也相对较低，射流的能量因缺乏凝聚力产生扩散，质量差，卷吸环境介质的能力基本殆尽，同时气液两相会发生碰撞导致噪声的出现。

气流层位于高压水射流的最外层，一部分小液滴发散到射流周围的空气中。

综上所述，引起射流的形态和特性参数变化的主要因素就在于射流半径b(x)和射流长度L(x)的增加，具体表现在：

(1)射流组成状态发生由液态到气液两相的转变；

(2)射流流速降低，在截面上存在速度梯度，使得整体动能减弱；

(3)射流整体呈锥形发生逐渐扩散；

(4)流线由直线逐渐变为弯曲。

1.2 水射流相关参数

1.2.1 水射流初始速度

为了能更加深入地分析水射流理论，首先需要做出以下假设[8]：

(1)射流介质为常温下未添加任何磨料的纯净水；

(2)射流保持连续性，不会出现中断；

(3)射流介质不可压缩；

(4)过流元件无几何变形发生，且喷嘴长度极小。

根据伯努利(Bernoulli)方程及能量守恒方程，可以得到：

(1)

其中：g为重力加速度；ρ为水的密度；p1为高压水的压力；p2为喷嘴出口压力；v1为蓄能器断面的平均速度；v2为喷嘴出口速度。

由于p1>>p2，v2>>v1，所以可近似认为p2=0，v1=0。综上，得到下式：

(2)

(3)

高压水射流作用的过程就是利用增压设备将压力能转换为动能的过程。由式(2)(3)可见，喷嘴出口处的速度仅与压力p1有关，所以，在计算喷嘴出口处射流的流速时，一般会利用工作压力来近似得到。

伴随高压水射流长度持续增加，由于射流会受到空气阻力以及湍流作用的影响，水射流速度会随之降低。影响水射流速度降低更重要的原因是积碳受到高压水射流的作用被不断去除，因此在高压水射流与积碳相接触的表面存在一个后移的速度，并且积碳的材料性质会直接影响这个速度。

1.2.2 水射流动能

高压水射流清理主要依靠射流的动能E。

(4)

由此可以看出，在流量一定的情况下，可以通过增大射流压力来获得较大的动能。

1.2.3 水射流功率

喷嘴是高压水射流能量转换元件，喷嘴的性能优劣一般会通过转换效率的高低来体现。μ(转换效率)是喷嘴产生水射流的功率与进入喷嘴的高压水功率的比值。在喷嘴内任取一滴水(dm)作为研究对象，由于存在沿X轴方向的运动，则水滴受两侧不平衡的压力p的作用，因此喷嘴产生的射流能量就是水射流具有的动能。

(5)

(6)

1.2.4 水射流参数之间的转换关系

由以上公式分析可以得出：

(7)

由式(7)可以得出：喷嘴直径、水压和喷射流量三者之间存在着两两制约的关系。当压力不发生改变时，流量会受到喷嘴直径的影响。当喷嘴直径不发生改变时，压力的增加会使得流量也随之增加[9]。所以，现如今大多数的高压水射流清理设备的喷嘴直径都比较小，这样做的目的就是为了能够通过调节回流量大小控制水射流的压力，回流量越大则压力越低，反之则越高。

2 高压水射流清理过程模拟仿真

2.1 高压水射流清除机制

利用水射流清理积碳的本质就是使射流和积碳等杂质之间产生相互作用，并由此产生积碳剥落的一个过程[10]。积碳层与加入到射流内的磨料物质，二者存在的运动特征与射流的冲击载荷会对水射流清理过程中的运作原理与实际表现产生决定性作用。即水射流冲击法清理是射流初始的冲击载荷和后期的准静态压力相结合产生的结果，其中重点是以冲击载荷的作用为核心[11]。如果以时间为角度进行分析，能够将水射流清理过程概括为如下所述的两个流程[12]：

(1)水射流冲击在积碳表面出现了应力波动，此时进入到破坏损伤的初始阶段，这是积碳层破坏损伤表现的核心；

(2)在射流准静态压力产生的后期阶段中，在原有冲击载荷给积碳层带来的损伤情况后，又出现的二次损伤问题。即处于射流准静态压力非间断作用下，积碳内部形成的微孔隙、微裂纹等受到损伤而持续扩大，逐渐形成宏观破坏。

2.2 清理过程模拟仿真

选择固体有限体积法模拟研究水射流清理工作过程，清理过程截面图如图2所示。

图2 三维模型截面图Fig.2 3D model cross-section

为了提高实效性，在分析方式上选择精度参数符合要求且应用面较广泛的流固耦合分析方式。从图3可以看出，积碳层在受到射流冲击后会突然凹陷变形，从而在积碳层内部产生一个应力相对集中的区域。当受到射流冲击时，受冲击的表面会形成裂纹，液体迅速渗入裂纹中形成水楔，侵蚀并逐渐破坏积碳层。同时，在射流冲击区的边缘，会产生较大的拉应力，呈放射状的作用效果，方向指向冲击中心。当冲击速度足够高时，积碳层表面则会出现大量微裂纹，并逐渐向积碳层内部扩展。

图3 射流冲击作用下积碳层破坏过程

从积碳层中也能够体现出射流冲击过程中存在的清理现象属于显著的局部效应。主因是水射流冲击积碳层后出现的应力波会在积碳层中进行传递，产生的瞬态应力场可以被分解成为径向的压应力和环向的拉应力，并且积碳层的抗拉强度比抗压强度大很多。但由于应力波在积碳层中传递的强度随径向距离的增加极速衰减，在距离射流冲击点相对较远处，积碳层中的冲击能量密度己经达不到可造成积碳层破坏的临界值。

模拟仿真结果明确指出：高压水射流清理是射流初始的冲击载荷和后期的准静态压力相结合产生的结果，其中又以冲击载荷的作用为主。即水射流进行清理的主要方法是射流冲击所导致的介质的拉伸破坏。同时也证实了利用高压水射流全方位清理火炮内膛的操作可行。

3 火炮清膛机结构设计

3.1 设备的构成

设备采用整体布局方式，主体思路简单、直接。设备整机如图4所示。

图4 设备整机示意Fig.4 Schematic of equipment

整套设备主要由高压泵工作装置、传动装置、水枪、压力附属装置、水处理装置及车载平台六大部分组成，具体如下：

(1)工作装置由大小转盘及附属构件组成；

(2)传动装置由电动机、联轴器、减速器、电磁离合器以及支架等组成；

(3)水枪由喷嘴及配合移动装置等组成；

(4)压力装置由高压泵组、蓄能器、控制器等组成；

(5)水处理装置由回收水槽、滤水池、软化水装置等组成；

(6)车载平台由6 m的军用卡车改装。

所有主要部件都安装在支架体上，由转盘支撑、输入转矩利用联轴器与轴相连。通过电磁离合器的协调工作完成大小转盘的转动要求，进而完成炮膛内部清理。

3.2 清理装置设计参数及要求

(1)设备的加工范围：用于清理直径150 mm、长度6 000 mm范围内的炮管内膛；

(2)确定设备的总体架构。结合野外作业的实际情况，优化设备的布局，在卡车装载平台上容易实现摆设；采用柴油发电机供电，设备的能耗不超过80 kW·h，清理效率最高约为每小时6台炮管；

(3)传动与控制方式。考虑到现场较恶劣的条件，总体设计以机械传动为主，在保证使用功能的前提下，最大程度上做到结构简单、动作实用、操作方便，并且尽可能优化其结构，在一定程度上缩短传动链，降低故障的发生，以便后期保养，最大限度延长其使用寿命。高压水枪在炮筒中采用两道柔性支撑方式，用带滑轮的圆环支撑炮筒外壁；

(4)设备平台的外观及构造。整机质量约2 t；尺寸：长1.9 m，宽1.8 m，高2 m；总功率共89 kW；工作介质为清水；水枪耗水量42 L/min；炮膛封闭空间的尾部设集水装置，将工作后的残水通过管路排到远处，以确保不会对现场造成环境污染。除安装机架外，其余外壳均用不锈钢板焊接或铆接成型；

(5)设备的主要运动有如下几项：为了变换工作角度和高度及改变清理工位，设计了转盘绕主轴的转动，由主轴驱动机构实现；为了使炮筒能得到有效的清理，设计了一个炮筒内的高压管及喷嘴的旋转角度及抽拉的复合运动；清理设备设置电气控制装置，控制柜安装在车体后部。

为了避免设备因为误操作而导致损坏，首先，要保证电路控制上的互锁；其次，在水枪驱动机构中加装限位行程开关。

3.3 装置工作原理

此设备以高压泵组产生高压水(30～60 MPa)，经水枪发射出高压水射流冲击炮筒内部的积碳、挂铜和挂尼龙。设备运行时，将带有两道环形支撑的高压管放置在炮筒内，利用两道柔性支撑给高压管路和两道高压喷头定位。启动高压水射流，高压水边清理内膛，高压管边向炮筒外方向运动，直至整个炮筒全部清理完毕。

车身上布置有柴油电力发电设备，高压泵组、蓄能器、控制器组、高压水软管及其回收装置，大小转盘附属及其驱动附属构件等设备。

小转台上侧布置有对接装置。通过调节大小转盘高度、回转位置及车身前进后退，实现对接装置与炮口对接，对接装置为楔形敞口设计，敞口直径大于炮口直径，便于对接。

对接装置上安装有移动装置行进驱动机构，如图5所示。拉力弹簧(拉力可调)与上下两凹面轮轴固定连接，为两凹面轮提供夹紧力，凹面轮轴可沿支架内槽相对滑动。电机驱动凹面轮，实现移动装置的送入及抽出。

图5 移动装置行进驱动机构示意Fig.5 Moving device driving mechanism

此设备设计有集液装置，提供回收、过滤、软化水质功能。

水枪前端部分水管为硬管，硬管中段设计有一个回转接头，对接装置后侧为软管，软硬管固定连接。

水枪移动装置如图6所示，4个斜向轮通过连杆与移动装置主体铰接，同时连杆末端与主体铰接有推力弹簧，移动装置主体为中空圆柱设计，水枪硬管穿过圆柱内部且与主体固定连接。水枪末端喷嘴具备高压水射流喷射功能。斜向轮与硬管回转接头的设计，使移动装置伸入或抽出时实现伸缩回转复合运动，满足喷嘴回转均匀清除残余物需求。