王書(shū)宇，孫姍姍，楊釩

（1.陸軍軍官學(xué)院高過(guò)載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031；2.陸軍軍官學(xué)院五系彈藥工程教研室，安徽合肥230031）

彈載設(shè)備旋轉(zhuǎn)高過(guò)載仿真試驗(yàn)系統(tǒng)研究

王書(shū)宇1，2，孫姍姍2，楊釩1

（1.陸軍軍官學(xué)院高過(guò)載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031；2.陸軍軍官學(xué)院五系彈藥工程教研室，安徽合肥230031）

為檢測(cè)彈載設(shè)備在炮彈發(fā)射瞬間高速旋轉(zhuǎn)引起的過(guò)載，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套旋轉(zhuǎn)過(guò)載試驗(yàn)機(jī)。首先分析了彈載設(shè)備的受力情況，闡述了系統(tǒng)的原理與組成，重點(diǎn)討論了瞬時(shí)制動(dòng)技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)模擬了彈載設(shè)備承受的巨大徑向和切向慣性力，為檢測(cè)彈載設(shè)備的抗高過(guò)載提供了技術(shù)手段。

旋轉(zhuǎn)過(guò)載；瞬時(shí)制動(dòng)；徑向慣性力；切向慣性力

信息化炮彈是一種利用身管火炮發(fā)射，用彈體搭載任務(wù)設(shè)備的新型彈種。其中彈載設(shè)備包括多個(gè)精密部件，在發(fā)射過(guò)程中，承受著瞬時(shí)、高能、強(qiáng)沖擊，最大過(guò)載可達(dá)到13 kg以上，如此惡劣的環(huán)境很容易造成部件的損壞[1]。為確保系統(tǒng)正常工作，在設(shè)計(jì)彈載設(shè)備時(shí)，必須進(jìn)行抗高過(guò)載測(cè)試。

彈載設(shè)備在發(fā)射過(guò)程中主要承受了軸向、徑向和切向過(guò)載[2]。軸向過(guò)載是由于彈丸受到火藥氣體壓力造成的，可以通過(guò)跌落試驗(yàn)或空氣炮等方法進(jìn)行檢測(cè)。徑向和切向過(guò)載都是由于彈丸的瞬間高速旋轉(zhuǎn)造成的，合為旋轉(zhuǎn)過(guò)載，目前國(guó)內(nèi)外只能利用緩慢加速的傳統(tǒng)離心試驗(yàn)機(jī)對(duì)徑向過(guò)載進(jìn)行單獨(dú)檢測(cè)，而無(wú)法對(duì)整個(gè)旋轉(zhuǎn)過(guò)載進(jìn)行檢測(cè)，主要原因是沒(méi)有合適的技術(shù)手段為被測(cè)彈載設(shè)備提供巨大的切向加速度。

1 彈載設(shè)備受力分析

如圖1所示，彈載設(shè)備通過(guò)剛性支架固定在彈丸內(nèi)部。在發(fā)射過(guò)程中，根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道模型[3]，由于被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，彈載設(shè)備在膛內(nèi)承受了巨大的徑向和切向慣性力。

圖1 彈載設(shè)備膛內(nèi)受力分析圖

1.1 徑向慣性力

由于彈載設(shè)備與彈丸同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，彈載設(shè)備將產(chǎn)生徑向加速度。在彈載設(shè)備的任一半徑r處，質(zhì)量為m的彈載設(shè)備產(chǎn)生的徑向慣性力為Fr，則：

式中，ωn為彈丸旋轉(zhuǎn)角速度。

對(duì)于等齊膛線火炮[4]，則:

式中，η為火炮膛線纏度；R為彈丸半徑。

彈載設(shè)備所受徑向慣性力在彈載設(shè)備的外徑處最大：Frmax=，式中R1為彈載設(shè)備的外半徑。

1.2 切向慣性力

在彈丸發(fā)射過(guò)程中，彈丸旋轉(zhuǎn)將產(chǎn)生角加速度，并引起切向慣性力Ft，則：

彈載設(shè)備外表面處最大切向慣性力：

式中，pd為所受火藥氣體壓力。

2 系統(tǒng)原理與組成

2.1 原理

模擬彈丸的徑向過(guò)載，可以采用離心試驗(yàn)機(jī)將彈丸加速到很高的旋轉(zhuǎn)速度。模擬彈丸的切向過(guò)載，需要提供給彈丸一個(gè)極大的切向加速度，采用普通動(dòng)力裝置很難做到這一點(diǎn)。分析彈丸的受力狀態(tài)，可以采用反推法來(lái)近似地模擬，即令高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的彈丸瞬間停止。

根據(jù)能量守恒定律，如此大的動(dòng)能如果僅靠機(jī)械摩擦力完成毫秒級(jí)的制動(dòng)，會(huì)瞬間燒熔接觸面。國(guó)內(nèi)有單位嘗試過(guò)采用航空剎片進(jìn)行制動(dòng)，效果不好。該系統(tǒng)中使用非接觸式的能耗制動(dòng)、磁粉制動(dòng)和氣液制動(dòng)，將它們有機(jī)地聯(lián)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)遞進(jìn)式的復(fù)合制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了瞬間制動(dòng)。

2.2 組成

系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、智能控制器、制動(dòng)設(shè)備和操作臺(tái)等組成，其中旋轉(zhuǎn)電機(jī)是彈載設(shè)備旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力源，通過(guò)變頻，不僅自由轉(zhuǎn)換不同的轉(zhuǎn)速，同時(shí)用它進(jìn)行制動(dòng)，結(jié)構(gòu)上與主軸直連，最大限度地減小傳動(dòng)損耗；智能控制器是系統(tǒng)的控制核心，接收操作命令及各傳感器數(shù)據(jù)，在內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輸出控制指令到各執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作；制動(dòng)設(shè)備由磁粉制動(dòng)器和氣液制動(dòng)器組成，采用離合器與主軸相連，與變頻制動(dòng)共同作用，實(shí)現(xiàn)讓高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備瞬間停止；操作臺(tái)由主控計(jì)算機(jī)、監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)和控制面板組成，主控計(jì)算機(jī)用于設(shè)置測(cè)試環(huán)境參數(shù)，如旋轉(zhuǎn)速度、加速度等。監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)用于監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)部件運(yùn)行狀況。控制面板用于發(fā)出各類(lèi)控制指令，如開(kāi)始、停止、啟動(dòng)攝像機(jī)等。

2.3 工作過(guò)程

待測(cè)彈載設(shè)備通過(guò)夾具固定在旋轉(zhuǎn)主軸上，智能控制器接收操作臺(tái)發(fā)送過(guò)來(lái)的旋轉(zhuǎn)參數(shù)和開(kāi)始指令，檢查防護(hù)罩沒(méi)有問(wèn)題后，計(jì)算電機(jī)運(yùn)行頻率，發(fā)給變頻器控制電機(jī)開(kāi)始加速旋轉(zhuǎn)，智能控制器通過(guò)高速編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主軸轉(zhuǎn)速，直到達(dá)到預(yù)設(shè)的旋轉(zhuǎn)速度。收到制動(dòng)指令后，電機(jī)通過(guò)變頻實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，先把旋轉(zhuǎn)的速度逐步降下來(lái)，再配合磁粉制動(dòng)器和氣液制動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)彈載設(shè)備的瞬間停止。整個(gè)控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，所有采集數(shù)據(jù)通過(guò)智能控制器返傳到主控制計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示，并最終傳至數(shù)據(jù)記錄設(shè)備進(jìn)行保存、打印。

3 瞬時(shí)制動(dòng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

瞬時(shí)制動(dòng)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)各部件，尤其是剛性的連接構(gòu)件，所受載荷不能超過(guò)設(shè)計(jì)極限。因此，三種制動(dòng)方式不能同時(shí)啟動(dòng)，而是依次作用，使得總體制動(dòng)力呈近似線性上升，不至于出現(xiàn)峰值，造成設(shè)備損壞。

三種制動(dòng)啟動(dòng)順序如圖2所示，在0~T1內(nèi)，進(jìn)行能耗制動(dòng)，從T1開(kāi)始，進(jìn)行磁粉制動(dòng)，在T2開(kāi)始，進(jìn)行氣液制動(dòng)，到T3時(shí)，制動(dòng)力達(dá)到最大。

圖2 制動(dòng)力隨時(shí)間變化示意圖

3.1 能耗制動(dòng)[5]

變頻器在帶大位能負(fù)載高速下放時(shí)，從高速減至零速。在頻率下降過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速方向相反的大于負(fù)載的制動(dòng)轉(zhuǎn)距，以保證負(fù)載在下降過(guò)程中減速。從能量角度分析，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)逆變器反饋至直流母線，使直流母線電壓升高。此時(shí)變頻器會(huì)控制剎車(chē)單元通過(guò)剎車(chē)電阻把升高的電壓以熱能的方式消耗掉。為了使得系統(tǒng)平穩(wěn)降速，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)臏p速時(shí)間，同時(shí)選擇合適的制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元。

3.2 磁粉制動(dòng)

磁粉制動(dòng)以高導(dǎo)磁粉體為工作媒介，以激磁電流變化為控制手段，達(dá)到控制傳遞，制動(dòng)扭矩的目的。通過(guò)調(diào)節(jié)激磁電流就能方便的控制轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩隨激磁電流呈良好的線性關(guān)系。采用非磁飽和型結(jié)構(gòu)和合理的磁路設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)時(shí)間短、線性范圍寬、轉(zhuǎn)矩回差小，通過(guò)智能張力控制器等電控裝置，滿足瞬間的制動(dòng)控制需要。

3.3 氣液制動(dòng)

為了保證制動(dòng)過(guò)程的安全，將氣囊式蓄能罐并聯(lián)到制動(dòng)裝置中，由氣體彈性貯能和高壓流體阻尼來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的瞬間吸收，既能保證減小沖擊，又能制動(dòng)效果明顯。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中由電磁離合器實(shí)現(xiàn)同步分離，安全閥完成高壓泄放與能量轉(zhuǎn)換。此裝置很好地實(shí)現(xiàn)復(fù)合的制動(dòng)方式，保證安全可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

使用旋轉(zhuǎn)過(guò)載試驗(yàn)機(jī)對(duì)某型信息化炮彈上的一塊數(shù)據(jù)處理電路板進(jìn)行徑向和切向過(guò)載檢測(cè)。通過(guò)圖3和圖4的比較不難看出，檢測(cè)后的電路板上部分元件存在脫落、變形現(xiàn)象，表明這些元件需要采取額外的加固措施。該試驗(yàn)證明了試驗(yàn)機(jī)的有效性。

圖3 彈載設(shè)備檢測(cè)前

圖4 彈載設(shè)備檢測(cè)后

根據(jù)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果，旋轉(zhuǎn)過(guò)載試驗(yàn)機(jī)能夠完成對(duì)彈載設(shè)備的徑向和切向高過(guò)載測(cè)試任務(wù)，為研發(fā)新型信息化炮彈提供檢測(cè)手段。同時(shí)，該試驗(yàn)機(jī)還可以用于檢測(cè)其他武器系統(tǒng)上高速旋轉(zhuǎn)部件的過(guò)載狀況。

[1]錢(qián)立志.彈載任務(wù)設(shè)備抗高過(guò)載方法研究[J].兵工學(xué)報(bào)，200，35（6）：156-160.

[2]馮勇，徐振欽，趙崗．某火炮彈丸發(fā)射強(qiáng)度仿真分析[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008（6）：1441-1443．

[3]金志明．槍炮內(nèi)彈道學(xué)[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社2004．

[4]華恭，歐林爾．彈丸作用和設(shè)計(jì)理論[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1975．

[5]王云飛，楊耕.通用變頻器-感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)耗能型制動(dòng)控制方法[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，（1）：200-208

Research on Simulation Test System of Rotating High Overload of Missile Borne Equipment

WANG Shu-yu1，2，SUN Shan-shan2，YANG Fan1
（1.Army Officer Academy High Overload Ammunition Guidance and Control and Information Perception Laboratory，Hefei Anhui 230031，China；2.Department of Ammunition Engineering，F(xiàn)ive Department of Military Academy of Military Academy，Hefei Anhui 230031，China）

In order to detect the overload caused by the high-speed rotation of projectile-loaded equipment at the launch of the projectile，a set of rotating overload test machine is designed and implemented. This paper firstly analyzes the force situation of the projectile -loaded equipment，expounds the principle and composition of the system，and emphatically discusses the design and realization of the instantaneous braking technology. The system simulates the huge radial and tangential inertia force of the projectile -loaded equipment，which provides the technical means for the detection of the anti high overload of projectile-loaded equipment.

rotating overload；instantaneous braking；radial inertia force；tangential inertia force

T H871

A

1672-545X（2016）09-0023-03

2016-06-06

王書(shū)宇（1979-），男，安微合肥人，博士，講師，研究方向：武器裝備、仿真技術(shù)。