于 淼 ，任勇峰 ，焦新泉 *，李輝景

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

0 引言

炮彈發(fā)射出膛瞬間，彈體加速主要依靠藥筒內(nèi)發(fā)射藥推動(dòng)完成，然而彈體在膛口速度過高會(huì)增大氣體和裝藥運(yùn)動(dòng)消耗的動(dòng)能，會(huì)導(dǎo)致膛底氣壓大、彈底氣壓小，從而降低了炮彈的發(fā)射效率，縮短了炮彈的射程［1-2］。為避免氣體流動(dòng)所造成的能量損失，同時(shí)降低膛底與彈底之間的壓力差，專家們提出了一種隨行裝藥推進(jìn)技術(shù)，目前，該項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于炮彈的增程技術(shù)領(lǐng)域［3］。但是，炮彈出膛瞬間承受過載高達(dá)幾千個(gè)g，此時(shí)，裝藥藥柱仍處于未燃狀態(tài)，會(huì)因過載過大發(fā)生形變，該劇烈形變會(huì)使藥柱結(jié)構(gòu)受損，甚至可能會(huì)因內(nèi)部裝藥顆粒劇烈摩擦引燃乃至爆炸，造成重大損失［4］。因此，獲取炮彈從發(fā)射到裝藥點(diǎn)燃過程中藥柱不同位置的形變尤為關(guān)鍵，這些壓力參數(shù)可以為藥柱和藥殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全性能的監(jiān)測(cè)提供理論支撐。

1 炮彈內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)

炮彈發(fā)射出膛的過程中，彈體底部的裝藥藥柱會(huì)承受較大的軸向過載，從而使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并擠壓藥殼的內(nèi)壁［5］，獲取裝藥藥柱不同位置的應(yīng)力參數(shù)能夠?yàn)樗幹慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全性評(píng)估提供有效的理論依據(jù)。

以130加農(nóng)榴彈炮為例，采用直徑為122 mm的炮彈，通過加工拆解將炮彈分為彈頭、主體和后座3個(gè)部分，相互之間用螺紋進(jìn)行連接。如圖1所示，藥柱位于炮彈主體內(nèi)部，為了盡可能地驗(yàn)證測(cè)量裝置的可行性，藥殼內(nèi)的測(cè)點(diǎn)應(yīng)越多越好，綜合考慮測(cè)試成本和測(cè)量有效性，根據(jù)用戶需求，在藥殼的頭尾中間對(duì)稱均勻分布了6個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。為獲取6個(gè)測(cè)點(diǎn)的信息，在測(cè)點(diǎn)前端安裝采集記錄器。

假定炮彈發(fā)射的軸向過載為6 000 g～12 000 g，旋轉(zhuǎn)角速度4 000 r/min，通過力學(xué)仿真，藥柱6個(gè)不同位置的擠壓應(yīng)力不盡相同，范圍大約為0 MPa～30 MPa。為了盡可能多地獲取各個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力信息，設(shè)定每個(gè)通道的采樣頻率為100 ksps。

2 壓力測(cè)量方案設(shè)計(jì)

2.1 壓力傳感類型選取

基于上述測(cè)試環(huán)境需求，要測(cè)量裝藥藥柱與殼體之間的壓力，其傳感器不僅需要具備靈敏度高、抗過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，而且安裝縫隙極小，并要實(shí)時(shí)承受高溫、高壓等惡劣環(huán)境。常規(guī)壓力傳感器在體積及安裝方式上顯然受限，需要尋求一種新型的壓力測(cè)試方法。

箔式應(yīng)變片利用壓阻敏感材料的應(yīng)變效應(yīng)，其體積小、散熱性好、精度高，具備抗高過載能力［6］，且可通過粘貼工藝固定在被測(cè)載體上，當(dāng)被測(cè)體發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，應(yīng)變片結(jié)構(gòu)隨之變化，并輸出微應(yīng)變物理量。被測(cè)體一般為金屬結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過了熱處理，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)有差異，且分布不均勻，若通過應(yīng)變量大小結(jié)合被測(cè)體結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取壓力值會(huì)存在較大誤差，因此，可以將應(yīng)變片安裝在藥殼外壁，對(duì)藥殼內(nèi)部施加標(biāo)準(zhǔn)壓力，通過測(cè)量應(yīng)變物理量得出壓力與應(yīng)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)裝藥藥柱與殼體之間的壓力測(cè)量。

2.2 箔式應(yīng)變片工作原理

箔式應(yīng)變片主要包括敏感柵、引線、粘結(jié)劑、覆蓋層和基底5個(gè)部分［7］，如圖2所示。其中，敏感柵用電阻絲制成，當(dāng)被測(cè)物體產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，其阻值便隨之發(fā)生變化，從而把應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻量；引線將外部導(dǎo)線進(jìn)行連接，作為電阻應(yīng)變片阻值的輸出端；覆蓋層也就是絕緣層，是用來保護(hù)敏感柵的；同時(shí)，基底也對(duì)敏感柵起到一定的保護(hù)作用，并將引線位置固定；通過粘結(jié)劑將以上4個(gè)部分粘結(jié)，即為一個(gè)完整的電阻應(yīng)變片。

敏感柵的電阻值可表示為：

式中，R表示敏感柵電阻絲的阻值，ρ表示其電阻率，l表示它的長(zhǎng)度，S表示它的橫截面積。當(dāng)電阻絲受到軸向力作用時(shí)，長(zhǎng)度拉長(zhǎng)，橫截面積變小，根據(jù)式（1）得出敏感柵電阻絲阻值的相對(duì)變化量是：

從而可得電阻絲的阻值相對(duì)變化為：

從式（4）中可明顯看出箔式應(yīng)變片的阻值變化僅與靈敏度系數(shù)K和軸向應(yīng)變?chǔ)庞嘘P(guān)，那么，在理想情況下使用電阻應(yīng)變片，只需按照粘貼工藝將其粘貼在被測(cè)物體的表面，由于其靈敏度系數(shù)K出廠時(shí)給定，因此，根據(jù)電阻變化量便可獲取被測(cè)物體的應(yīng)變量。

2.3 測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

測(cè)量裝置主要由采編記錄器、6個(gè)箔式應(yīng)變片和電纜網(wǎng)組成，如圖3所示，6個(gè)應(yīng)變片分布在藥殼外壁之間的不同位置，可以敏感不同位置的壓力。

為了提高測(cè)量精度，應(yīng)變片的選取需充分考慮藥殼厚度、材料結(jié)構(gòu)及溫度補(bǔ)償?shù)纫蛩?，因此，選擇全橋型應(yīng)變片，主要包括4個(gè)縱向敏感柵，如圖4（a）所示。藥殼外壁通過銑刀加工出方形槽面，并確保槽面的光潔度，如圖4（b）所示，必要時(shí)須用細(xì)砂紙沿45°方向上交叉磨出些許紋路，以增強(qiáng)粘結(jié)力，打磨面積約為應(yīng)變片面積的5倍左右。

橋型應(yīng)變片一般采用恒流源或者恒壓源供電［8］，如圖5所示，為了保證應(yīng)變片的靜態(tài)輸出，每個(gè)橋臂的電阻阻值相等，即R1=R2=R3=R4，且溫度特性收斂一致，假設(shè)各個(gè)橋臂電阻的溫變量為ΔRT。

從圖4可以看出，為了提高測(cè)量分辨率，將R1、R3安裝在靠近槽中心的位置，因此，當(dāng)裝藥藥柱和藥殼內(nèi)壁之間擠壓力逐漸增大時(shí)，R1和R3阻值變化幅度更大，假設(shè)R1、R3隨壓力變化為ΔR，R2、R4 為 Δr。

當(dāng)選用恒壓源時(shí)，電橋的輸出U2是：

對(duì)比分析式（5）和式（6），可以發(fā)現(xiàn)式（5）能保持較好的線性關(guān)系，并且與溫變無關(guān)，因此，該橋型應(yīng)變片采用恒流源供電。所有應(yīng)變片的恒流源來自于采編記錄器，采編記錄器為硬回收設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用可充電鋰電池進(jìn)行供電，并具有延時(shí)啟動(dòng)或過載啟動(dòng)功能，滿足炮彈發(fā)射的應(yīng)用環(huán)境。采編記錄器、傳感器及電纜網(wǎng)均安裝在如圖1所示的陰影結(jié)構(gòu)體上，加工對(duì)應(yīng)工裝，通過對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部藥柱部分施加標(biāo)準(zhǔn)壓力，模擬藥柱和藥殼內(nèi)壁之間的擠壓力，從而得到壓力與輸出之間的靜態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 靜態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)

下頁圖6為靜態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)示意圖，壓力源采用活塞式的油壓計(jì)，將其與藥殼尾部利用工裝進(jìn)行螺紋連接，連接時(shí)須增加密封圈，保證其內(nèi)部絕對(duì)密封性，其中圖 6（a）為校準(zhǔn)示意圖，圖 6（b）為校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)照片。

采編記錄器、應(yīng)變片及電纜網(wǎng)安裝并固化完畢后，將整個(gè)結(jié)構(gòu)與油壓計(jì)連接，采用負(fù)延遲方式啟動(dòng)記錄，采編記錄器進(jìn)入記錄狀態(tài)。通過設(shè)置油壓計(jì)在量程范圍內(nèi)以相等時(shí)間間隔向藥殼內(nèi)部注入不同壓力，壓力值從小到大，同時(shí)采編記錄器實(shí)時(shí)采樣、存儲(chǔ)6路應(yīng)變片的輸出，記錄完畢后，通過讀數(shù)電纜讀取記錄器中的數(shù)據(jù)。通過配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可得出單路的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖7為應(yīng)變片1的輸出繪制結(jié)果。

對(duì)圖7進(jìn)行取值，取其平滑部分的測(cè)量均值，即可得到輸出數(shù)字量與注入壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1。

表1 采集數(shù)字量與輸入壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)關(guān)系

表1中，其對(duì)應(yīng)關(guān)系式由最小二乘法擬合而成，直線擬合圖如圖8所示，可以看出二者之間的線性度非常好，其相關(guān)系數(shù)R無限趨近于1，擬合標(biāo)準(zhǔn)差SD僅為0.041 36。重復(fù)上述過程，典型壓力值不變，順序設(shè)置從大到小，能得到其相同壓力下的數(shù)字量輸出基本一樣，表明其回歸遲滯性較好。

其余應(yīng)變片均采用相同方法，計(jì)算結(jié)果基本一致。針對(duì)所有應(yīng)變片的輸出和標(biāo)準(zhǔn)壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，綜合得到每路的靜態(tài)測(cè)量絕對(duì)精度均優(yōu)于0.5%，可以推算出整個(gè)裝置的精度優(yōu)于1%。綜上所述，該測(cè)量方法靜態(tài)精度高、線性度和穩(wěn)定性好，有較好的遲滯特性，并且通過對(duì)各個(gè)部分的封裝固化，使整個(gè)設(shè)備能夠具備較強(qiáng)的抗過載能力。

4 動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性，利用沖擊響應(yīng)臺(tái)來測(cè)試裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。首先，在藥殼內(nèi)部填充一橡膠柱，替代真實(shí)藥柱，然后用一個(gè)大小合適的鉛塊壓緊，最后加工工裝使藥殼尾部與沖擊臺(tái)螺紋密封連接。在沖擊過程中，鉛塊會(huì)擠壓橡膠柱，正好模擬藥柱變形擠壓過程，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

設(shè)置沖擊臺(tái)的沖擊高度為0.8 m，其沖擊過載大約10 000 g。試驗(yàn)前，采用負(fù)延遲方式使采編記錄器提前進(jìn)入記錄狀態(tài)，因此，在沖擊臺(tái)撞擊過程中，記錄器一直處于采集記錄狀態(tài)，確保了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的記錄完整性。試驗(yàn)完成后，讀取記錄器中的數(shù)據(jù)，利用配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制出如圖10所示的6路應(yīng)變片的輸出波形。

從圖10中可以看出，兩個(gè)對(duì)稱位置的應(yīng)變片在沖擊過程中的壓力峰值基本相同，隨著沖擊方向其壓力峰值逐漸增大，其中測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的壓力峰值最大，約為5 MPa，測(cè)點(diǎn)5和測(cè)點(diǎn)6的壓力峰值最小，約為2 MPa，其測(cè)量結(jié)果符合沖擊實(shí)驗(yàn)的預(yù)期趨勢(shì)。通過對(duì)每路數(shù)據(jù)進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜的分析，其能量主要分布在10 kHz的頻率段，從圖10可以看出，6路應(yīng)變片的輸出波形無失真現(xiàn)象，因此，整個(gè)測(cè)量裝置的頻率響應(yīng)不低于10 kHz，能夠滿足炮彈出膛過程中的頻響要求。

通過設(shè)置沖擊臺(tái)的沖擊高度，設(shè)定不同的沖擊過載對(duì)整個(gè)測(cè)量裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其測(cè)試結(jié)果基本同上，因此，該測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)一致性較好，可以滿足炮射惡劣環(huán)境的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

5 結(jié)論

針對(duì)炮彈發(fā)射過程的特殊應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種新型的集成式壓力測(cè)量裝置，將橋式應(yīng)變片作為炮彈內(nèi)藥殼的壓力測(cè)量手段，解決了惡劣環(huán)境下裝藥藥柱和藥殼之間壓力參數(shù)的獲取問題。通過對(duì)實(shí)際測(cè)量裝置進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試，表明該測(cè)量裝置具有較高的線性度、穩(wěn)定性及回歸遲滯性，整個(gè)裝置的測(cè)量精度優(yōu)于1%，具有較強(qiáng)的抗過載能力。因此，基于該方法所集成的測(cè)量裝置具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，能夠滿足不同的測(cè)量需求，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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