基于协同仿真技术的制退机故障规律研究

孙也尊，秦俊奇，狄长春，崔凯波，张晓东

（1.军械工程学院，石家庄 050003；2.轻武器论证研究所，北京 102202）

基于协同仿真技术的制退机故障规律研究

孙也尊1，秦俊奇1，狄长春1，崔凯波1，张晓东2

（1.军械工程学院，石家庄 050003；2.轻武器论证研究所，北京 102202）

制退机是反后坐装置的重要组成部分，它性能的好坏直接关系到火炮战斗力的发挥，为了研究制退机发生故障对火炮后坐运动产生的影响，对制退机故障进行了分析，运用计算流体力学理论和协同仿真技术，建立了制退机MATLAB/FLUENT协同仿真模型，解决了传统火炮后坐计算模型的局限性，与传统计算模型相比，提高了计算精度，得到了制退机内部瞬态流场参数。通过对节制环磨损典型故障进行仿真研究，分析了节制环在不同磨损程度下对火炮后坐运动的影响规律，并对节制环局部压力分布情况进行了简要解析，为进一步对制退机性能退化规律分析研究提供了有效途径。

火炮，制退机，协同仿真，故障分析，计算流体力学

引言

制退机是反后坐装置的重要组成部分，在火炮射击时起主要缓冲作用，其性能的好坏直接关系到火炮战斗力的发挥。由于制退机工作条件复杂恶劣，制退机的故障率比较高，是学者和技术人员重点研究对象之一。目前，对制退机研究和相关运动参数的计算大多建立在经典力学和经验公式的基础上，有较大的局限和误差［1］。随着计算机应用技术的发展，计算流体力学CFD［2］以及先进的仿真技术得到了广泛的运用，大大提高了仿真的精度和效率。

本文通过对制退机常见故障进行分析，运用CFD理论和MATLAB/FLUENT协同仿真技术［3］，实现了对制退机典型故障对火炮后坐运动影响规律的仿真研究，对制退机故障和性能退化规律的进一步研究提供了有效途径。

1 制退机常见故障和故障分析

1.1 制退机常见故障

火炮后坐时故障主要表现为：后坐过长、后坐过短、复进过猛和复进不足。制退机在火炮后坐时起主要缓冲作用，负责消耗大部分动能，故障率比较高［4］，发生故障易导致后坐过长，引发严重事故，造成该现象的主要原因有节制环磨损、制退杆活塞套磨损和制退机漏液。

1.1.1 节制环磨损

节制环和节制杆的间隙在后坐过程中产生的液压阻力起主要制退作用，节制环磨损导致环形漏口面积增大，液压阻力减小，从而使后坐速度增加，后坐距离变长。

1.1.2 节制杆活塞套磨损

节制杆活塞套磨损会增大活塞与驻退筒的间隙，降低后坐时的液压阻力，导致后坐速度增大，后坐距离增长。

1.1.3 制退机漏液

制退机漏液使制退机工作腔产生一段真空，长度为L=ΔVZ/A0，在真空长度范围内，后坐阻力约为0，导致后坐速度增大，后坐距离增长。

1.2 故障分析

制退机的相关故障中，漏液相对于部件磨损类的故障而言，容易检测，可在火炮静态检查中发现，并及时补充制退液。节制环、制退杆活塞套、调速筒均为铜质构件，后坐与复进过程中制退液高速流过时，极易发生空化空蚀、射流冲蚀等现象，造成零件磨损。由于制退机为密闭式结构，零件磨损后不易检测，必须将部件分解，再进行测量，成本较高，操作困难。因此，对制退机内部零件磨损的仿真研究有很大必要性。

2 协同仿真方案

式（1）中，FΦh为制退机液压阻力，K1、K2为液压阻力系数，该式为传统的火炮后坐运动计算方程，FΦh的计算主要是基于一维不可压定常流假设，通过引入液压阻力系数进行修正估算，与实际有较大差别［1］，利用式（2）计算可避免液压阻力取值不准这一问题。

式（2）中，p1为工作腔压力，p2为复进节制腔压力，乘以各自工作面积即可得到FΦh。

通过构建MATLAB/FLUENT协同仿真平台，利用MATLAB计算火炮后坐运动，FLUENT计算制退机腔内流体压力，即可实现火炮后坐动态过程的准确模拟，具体步骤如下：

1）根据式（2）利用FLUENT计算出的制退机压力数据计算FΦh，利用MATLAB编写火炮后坐运动计算程序。

2）利用MATLAB中的Compiler和C/C++编译器将火炮后坐运动程序进行打包、编译，链接必要的MATLAB库和生成的结果文件。

3）利用FLUENT中UDF提供的DEFINE宏，编写C语言后坐运动程序的调用程序，设置数据计算输出，将实时计算出的制退机内各腔室压力数据保存到监测文件中。

4）MATLAB与FLUENT交互运行，分别读写由FLUENT计算的制退机压力数据和由MATLAB计算的火炮后坐运动参数，即实现火炮后坐协同仿真计算。

3 仿真模型建立及验证

3.1 建立计算仿真模型

由于制退机内液体流动非常复杂，为降低数值模拟难度，但又尽量保留其内部真实情况，对制退机进行如下简化和设置：

1）将三维轴对称流动简化为二维轴对称流动，运用FLUENT中针对轴对称空间流动设计的简化计算模型，可简化成对计算区域的一半进行计算，既提高了计算效率又保证了精度；

2）保留节制杆实际尺寸，简化调速筒内部结构和制退杆活塞套，将调速筒流液孔简化为环形通道，倾角不变，将制退杆活塞按照局部压力损失相等原则［5］简化为环形通道；

3）将非工作腔（区域A）底部简化为开有小口的端盖，出口压力设为0；

4）分区域划分网格，动网格区域内采用规则的四边形结构网格，不规则形状的静网格区域则采用三角形非结构网格，计算过程中区域和区域之间采用滑移网格界面进行数据交换。

简化、划分网格后的模型如图1所示。

图1 制退机划分网格后的模型

用FLUENT UDF驱动B、E动网格区域和G区域动边界运动，分别在工作腔C和复进节制腔F设置压力监测点p1、p2，实时记录两腔腔内压力变化，并将压力数据写入监测器文件，供MATLAB相应程序调用计算。

3.2 仿真计算验证

根据靶场某型火炮多次射击的试验数据结果，分别用协同仿真模型和传统模型按照同种试验条件进行仿真计算，以最大后坐位移和最大后坐速度为指标，采用“最大值”比较法，将协同仿真模型计算得到的数据和传统工程模型计算得到的数据分别与试验测得的数据进行对比验证。数据结果见表1。

表1 火炮射击试验结果和两种仿真结果

由表1可以看出，协同仿真计算得到的结果要比传统模型计算得到的结果误差小，表明本文运用的协同仿真模型计算精度高于传统模型，能较好地反映火炮实际运动情况。

4 节制环磨损仿真分析

根据火炮实际使用经验及制退机关键结构对后坐和复进性能影响的重要程度，本文针对制退机关键重要件节制环对火炮运动性能的影响规律进行了仿真分析，以研究节制环磨损对火炮后坐运动的影响。

4.1 节制环磨损机理

火炮后坐运动是在极短的时间内完成的，制退机内液体是处于高温高压下的高速射流，同时因节制环是铝黄铜合金材料，其磨损机理主要包括制退液高速流动对节制环表面的冲击、拖拽作用，液体中气泡的空化空蚀作用，高温下的液体化学腐蚀作用等［6］。节制环磨损使其孔径增加，制退液流过节制杆与节制环间环形流道的阻力减小，后坐速度增大，但同时制退机液压阻力是后坐速度平方的正比函数，速度增加，又会导致阻力增大，后坐速度减小，因此，节制环磨损对火炮后坐特性的影响是一个非常复杂的耦合过程。

4.2 节制环磨损仿真分析

为探索节制环不同磨损状态下火炮后坐特性变化规律，本文设定了4种磨损状态分别进行节制环磨损故障仿真计算。图3～图5分别为节制环正常及4种磨损状态下后坐位移、速度、后坐阻力曲线，图6为节制环正常及4种磨损状态下磨损部位压力等值线图。

图2 节制环不同状态下后坐位移曲线

图3 节制环不同状态下后坐速度曲线

由图2可见，在0～0.06 s的后坐初始段，节制环不同磨损程度下的后坐位移都较接近，说明此阶段节制环磨损对位移影响较小；在0.06 s～0.2 s的后坐结束段，位移变化较缓，后坐速度减小，节制环磨损对后坐位移影响逐渐变大，随着节制环磨损加大，位移量增长，差别变大。经分析，由于节制杆是先细后粗的变直径结构，在节制环随制退杆后坐运动过程中与节制杆配合形成的环形流道面积由大到小变化，初始段节制环孔径增加对流道面积的影响远小于对结束段流道面积的影响，因此，节制环磨损对后坐结束段的后坐阻力影响更大，从而使后坐位移变化更显著。

由图3可见，在后坐加速段，节制环不同磨损程度下的后坐速度都较接近，在后坐减速段，磨损对后坐速度的影响逐渐增加，磨损越大，后坐速度越大。经分析认为，虽然节制环磨损导致环形流道面积增加，后坐阻力减小，但在后坐加速段，炮膛合力远大于后坐阻力，因此，后坐阻力的变化难以在速度曲线上反映出来，而达到最大速度后，炮膛合力骤减直至为零，仅有后坐阻力消耗后坐能量，在后坐减速段，磨损致后坐阻力减小将显著反映在速度曲线上，磨损程度越大，速度下降越慢。

图4 节制环不同状态下后坐阻力曲线

由图4可见，随着节制环磨损加剧，后坐阻力峰值逐渐变小，压力曲线变化越平缓，但当节制环磨损量达到1.6 mm时，峰值被抹平，此时后坐位移已超过后坐极限长度，不能再保证火炮正常射击。后坐阻力曲线变化规律可分为两部分，在后坐0.10 s之前，后坐阻力随磨损量增大而减小，但到0.10 s之后，后坐阻力随磨损量的增加而增大，这是因为节制环磨损越大，使后坐位移越大，则复进机气体被压缩越厉害，复进机阻力作用越明显，使后坐阻力明显增加。

图5 0.05 s时刻节制环局部压力等值线图

由图5可见节制环区域压力分布规律基本一致，在环形流道入口前的工作腔内压力较大，进入流道后压力梯度急剧变大，之后在流道内逐渐稳定下降。不同磨损状态下环形流道压力最小点均出现在节制环入口拐角，此处形成一个低压区，其范围随磨损加剧而略有增长。因入口流道呈渐缩式，因而与直角突缩式流道流场分布略有不同，未在此处形成涡旋。节制环与节制杆间的变直径环形流道起着消耗后坐能量的主要作用：一是通过流道入口附近的压力骤降，使此处压力梯度极大，增加了流层间的摩擦力及压力脉动；二是液体流出后形成了突扩流，因而在出口区域及非工作腔内形成了强烈的湍动区域，存在大量的涡旋，利用液体之间及液体与壁面间的剪切起到能量消耗作用。非工作腔因制退杆的抽出在后坐过程中存在真空，使得节制环流道内部出现负压，极易产生空化现象，对节制环内表面造成空蚀磨损。

5 结 论

本文以制退机为研究对象，简要分析了制退机的故障模式和失效机理，针对传统火炮后坐计算模型中存在液压阻力计算与实际相差较大这一问题，通过建立MATLAB/FLUENT协同仿真模型，对节制环磨损对火炮后坐运动的影响进行了仿真分析，并简要解析了节制环局部流场的现象。

综上所述，相比一维模型，基于CFD与二维模型的后坐运动协同仿真方法可对火炮反后坐动态过程进行更精确的数值模拟，同时仿真结果还能够显示丰富的制退机内部介质流动信息，为研究制退机典型故障的机理及其影响规律提供了有效可行的途径。

［1］高树滋，陈运生，张月林，等.火炮反后坐装置设计［M］.北京：国防工业出版社，1995：57-62.

［2］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2007：185-189.

［3］张晓东，张培林，傅建平，等.基于CFD与协同仿真的火炮后坐分析计算［J］.弹道学报，2010，22（3）：30-34.

［4］贾长治，胡仁喜，杜秀菊，等.基于虚拟样机技术的火炮反后坐装置设计评价研究［J］.系统仿真学报，2007（6）：2746-2749.

［5］赵建新，王兴贵，张鸿浩.基于局部损失的制退机液压阻力模型［J］.兵工学报，2001，22（4）：441-443.

［6］赵建新，刘海平.火炮反后坐装置故障机理研究［J］.军械工程学院学报，2004，16（4）：35-40.

Research on Faults of Recoil Brake Based on Collaborative Simulation Technology

SUN Ye-zun1，QIN Jun-qi1，DI Chang-chun1，CUI Kai-bo1，ZHANG Xiao-dong2
（1.Department of Mechanical Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；
2.Institute of Argumentation，Light Weapon，Beijing 102202，China）

Recoil brake is an important part of the recoil system.Its performance directly affects the effectiveness of artillery combat.To study the impact of the gun recoil when recoil brake had failure，the analysis of faults of recoil brake are done.The MATLAB/FLUENT collaborative simulation model is built with using computational fluid dynamics theory and co-simulation technology.Limitation of the conventional calculation model of artillery recoil is solved.Compared with the traditional computing model，calculation accuracy is improved，and transient flow parameters of interior recoil are obtained.The law of gun recoil movement is analyzed when degree of wear of throttling ring is different by simulated typical fault of throttling ring.And a brief analysis about partial pressure distribution of throttling ring is carried out.It provides an effective way to have the further analysis on the law of degradation of recoil system performance.

gun，recoil brake，collaborative simulation，fault analysis，CFD

TJ303

A

1002-0640（2014）11-0072-04

2013-09-10

2013-11-27

孙也尊（1989- ），男，河北邯郸人，硕士研究生。研究方向：武器系统仿真与信息化技术。