王振春， 楊德功， 張玉燕

(1.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 工業(yè)計(jì)算機(jī)控制工程河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島 066004；3.燕山大學(xué) 測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島 066004)

0 引言

隨著世界各軍事大國(guó)對(duì)國(guó)防尖端武器的大力發(fā)展，近年來，電磁軌道炮憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電樞出膛動(dòng)能大、響應(yīng)快和精確可控等優(yōu)勢(shì)，成為國(guó)內(nèi)外軍事裝備領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-5]。電磁軌道發(fā)射是以電能為動(dòng)力源，在發(fā)射過程中將電能轉(zhuǎn)化為彈丸高速發(fā)射時(shí)所需的動(dòng)能[6]。同時(shí)，彈丸內(nèi)部的磁場(chǎng)分布特性受激勵(lì)電流、導(dǎo)軌電感梯度、彈丸運(yùn)動(dòng)速度等因素的影響，磁場(chǎng)分布較為復(fù)雜[7]，從而給電磁發(fā)射的研究帶來了諸多挑戰(zhàn)。當(dāng)前與電磁發(fā)射理論相關(guān)的研究有很多：Lin等[8]研究了電磁軌道炮的多場(chǎng)耦合問題；Watt等[9]提出了在軌道表面出現(xiàn)的損傷(例如磨損和刨坑)都可以找到“觸發(fā)”缺陷；Chemerys[10]提出一種有關(guān)電磁軌道炮設(shè)計(jì)的新概念；張玉燕等[11]針對(duì)高速滑動(dòng)電接觸過程中產(chǎn)生的磨損問題，利用有限元分析方法研究了高速載流電樞表面瞬態(tài)溫升與材料之間的關(guān)系。這些研究大多集中于電磁軌道炮發(fā)射原理和設(shè)計(jì)，而實(shí)際發(fā)射性能分析和損傷測(cè)試不多。對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別可以通過傳感技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，以獲得結(jié)構(gòu)不同階段的振動(dòng)特性，從而達(dá)到損傷檢測(cè)的目的[12]。由于電磁沖擊力的存在，電磁軌道炮軌道在發(fā)射過程中會(huì)因軌道劇烈振動(dòng)引起的材料疲勞而發(fā)生損傷，給電磁軌道發(fā)射性能帶來巨大制約[13]。因此，研究強(qiáng)電磁沖擊力下軌道損傷的檢測(cè)方法、降低電磁沖擊力對(duì)軌道的疲勞影響，對(duì)提高電磁軌道發(fā)射穩(wěn)定性具有重要意義。

本文以電磁發(fā)射裝置為研究對(duì)象，在電磁發(fā)射機(jī)壓板上施加液壓伺服預(yù)緊力，用以降低電磁沖擊力對(duì)整個(gè)發(fā)射過程的影響，從而提高電磁軌道炮發(fā)射穩(wěn)定性。液壓伺服預(yù)緊相對(duì)于其他預(yù)緊方案而言，其預(yù)緊力加載可以控制，也可簡(jiǎn)單地釋放，從而可在最短的停機(jī)時(shí)間下重新更換炮管部件，進(jìn)而提高發(fā)射效率。在電磁發(fā)射機(jī)不同位置安裝具有抗電磁干擾的壓電加速度傳感器，用以實(shí)時(shí)采集軌道的振動(dòng)信號(hào)；應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)分析采集到的軌道振動(dòng)信號(hào)，研究在電磁發(fā)射過程中外加預(yù)緊力與軌道振動(dòng)特性變化之間的關(guān)系，進(jìn)一步得出軌道損傷與振動(dòng)頻率及幅值變化的聯(lián)系。

1 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)方案

在研究電磁軌道發(fā)射過程中軌道的振動(dòng)特性前，需要搭建一臺(tái)能夠真實(shí)模擬電磁軌道發(fā)射環(huán)境的試驗(yàn)裝置。圖1為電磁發(fā)射的基本原理圖。由圖1可見，當(dāng)電磁軌道發(fā)射裝置被通入高壓脈沖電源后，通電軌道、電樞與高壓脈沖電源形成閉合回路。根據(jù)電流的磁效應(yīng)，通電的上、下兩個(gè)軌道周圍會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，由安培定則可知磁場(chǎng)方向向里。當(dāng)有大電流I通過電樞后，電樞將受到洛倫茲力作用而迅速向右滑出軌道。由上述電磁軌道發(fā)射的原理可知，在整個(gè)電磁發(fā)射過程中，軌道周圍存在著強(qiáng)磁場(chǎng)、大載流、電流趨膚及瞬態(tài)溫度場(chǎng)等復(fù)雜物理現(xiàn)象。同時(shí)，軌道中脈沖大電流產(chǎn)生的強(qiáng)脈沖電磁場(chǎng)會(huì)引發(fā)軌道的劇烈振動(dòng)，給試驗(yàn)帶來很大影響。

1.1 試驗(yàn)裝置

根據(jù)電磁軌道發(fā)射原理，本文在總結(jié)前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上搭建如圖2所示的電磁軌道發(fā)射試驗(yàn)裝置，用來真實(shí)模擬電磁發(fā)射的過程?？紤]到軌道周圍存在的強(qiáng)電磁場(chǎng)會(huì)干擾軌道振動(dòng)信號(hào)的提取，所選用的測(cè)振傳感器需要在有電磁干擾的環(huán)境下有效采集到軌道的瞬態(tài)振動(dòng)信號(hào)。經(jīng)過性能對(duì)比分析，選用美國(guó)Dytran公司產(chǎn)3200B型壓電加速度傳感器，該型傳感器具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大等突出優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)中，3個(gè)具有抗電磁干擾性能的壓電加速度傳感器被分別安裝在軌道接觸構(gòu)件的3個(gè)不同位置，以準(zhǔn)確采集軌道的振動(dòng)信號(hào)。同時(shí)，為降低電磁沖擊力對(duì)試驗(yàn)裝置軌道的影響，試驗(yàn)中將一個(gè)可調(diào)節(jié)壓力大小的液壓伺服預(yù)緊裝置放置在發(fā)射裝置壓板上。

為了直觀反映測(cè)量結(jié)果，本文利用虛擬儀器軟件開發(fā)出一個(gè)能夠?qū)Σ杉降膶?shí)時(shí)軌道振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理的上位機(jī)，上位機(jī)界面如圖3所示。上位機(jī)包含了振動(dòng)信號(hào)顯示、頻譜分析模塊，并在濾波設(shè)置中將高頻噪音進(jìn)行濾除，在試驗(yàn)中可以在線觀測(cè)軌道振動(dòng)信號(hào)的波形變化。實(shí)際試驗(yàn)中的液壓伺服預(yù)緊裝置如圖4所示。

1.2 基于動(dòng)態(tài)特性的軌道模型建立與分析

對(duì)于一個(gè)具有一定健康狀況的結(jié)構(gòu)，每1階的振動(dòng)頻率是一定的，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過檢測(cè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率的變化可以定性結(jié)構(gòu)損傷狀況。

一個(gè)具有N個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)，其無阻尼振動(dòng)方程為

(1)

x=φsin(ωt)，

(2)

φ為模態(tài)向量，ω為角頻率。

將(2)式代入(1)式，相應(yīng)的特征方程為

(K-ω2M)φ=0，

(3)

式中：φ為非零解，并且必須滿足系數(shù)矩陣行列式為0，即

det(K-ω2M)=0，

(4)

設(shè)λ=ω2,則

det(K-λM)=0.

(5)

(5)式左邊是關(guān)于λ的多項(xiàng)式，λ的一組特征值表示為

det(K-λiM)φi=0,i=1,2,3,…,N，

(6)

式中：λi為第i個(gè)特征值；φi為第i個(gè)模態(tài)向量。

通常在有限元中分析中，剛度矩陣K與質(zhì)量矩陣M為實(shí)對(duì)稱矩陣，且滿足正交性：

(7)

(8)

式中：mi為總質(zhì)量；ki為廣義剛度。

模態(tài)分析是一種能夠得到更多振動(dòng)頻率和相應(yīng)振動(dòng)模態(tài)向量的有效方法。為了分析軌道在施加預(yù)緊力之后電磁發(fā)射試驗(yàn)裝置軌道振動(dòng)特性的變化，利用有限元仿真軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁軌道發(fā)射裝置軌道的模態(tài)分析。根據(jù)滑軌的幾何參數(shù)及材料屬性，電磁發(fā)射器的有限元模型建立如圖5所示，模型的幾何參數(shù)為2 000 mm×180 mm×100 mm. 材料屬性設(shè)置為：密度為8 300 kg/m3，楊氏模量為1.1×1011Pa，泊松比為0.34. 分別在對(duì)試驗(yàn)裝置施加液壓伺服預(yù)緊力前后將模型劃分網(wǎng)格，并進(jìn)行加載求解，設(shè)定軌道模態(tài)求解階數(shù)，求取軌道的前15階振動(dòng)頻率。表1為液壓伺服預(yù)緊力加壓前后軌道的前15階振動(dòng)頻率。

比較在電磁發(fā)射裝置壓板上施加預(yù)緊力前后軌道振動(dòng)頻率的變化，可以看到電磁發(fā)射裝置在有壓力作用下振動(dòng)頻率高于無壓力作用下的振動(dòng)頻率。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 液壓伺服預(yù)緊力對(duì)軌道振動(dòng)特性的影響

2.1.1 加壓前后軌道振動(dòng)變化

為了比較施加預(yù)緊力前后軌道振動(dòng)幅值的變化，試驗(yàn)中設(shè)定通入電磁發(fā)射裝置的脈沖電流幅值為280 kA. 以距離電磁發(fā)射裝置起始端104 cm處為測(cè)量點(diǎn)，得到該測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)幅值如圖6所示。

表1 前15階振動(dòng)頻率

將液壓伺服預(yù)緊裝置放置在電磁發(fā)射裝置壓板上測(cè)量點(diǎn)附近，設(shè)置液壓伺服預(yù)緊力為50 t，重復(fù)以上試驗(yàn)，得到測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)幅值如圖7所示。

比較加壓前后該測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)幅值圖，與加壓前相比，在加壓后該測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)幅值變小，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間明顯縮短。因此，在電磁發(fā)射裝置壓板上施加液壓伺服預(yù)緊力，能夠有效降低電磁發(fā)射裝置在重復(fù)發(fā)射過程中電磁沖擊力對(duì)軌道振動(dòng)的影響，從而提高電磁發(fā)射的穩(wěn)定性。

2.1.2 液壓伺服預(yù)緊裝置不同位置時(shí)的軌道振動(dòng)變化

調(diào)整液壓伺服預(yù)緊裝置在接觸構(gòu)件上的位置，以電磁發(fā)射裝置的中間位置(距離電磁發(fā)射裝置起始端104 cm處)為測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量液壓伺服預(yù)緊裝置在不同位置時(shí)軌道的振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)得到的信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換，得到振動(dòng)信號(hào)幅值。圖8、圖9、圖10分別為液壓伺服預(yù)緊裝置在距離電磁發(fā)射裝置起始端34 cm、70 cm、132 cm處測(cè)量點(diǎn)采集到的振動(dòng)信號(hào)幅值，得到這3個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的主振頻率為38.65 Hz、44.27 Hz、46.69 Hz.

對(duì)比圖8～圖10可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)類似三角正弦波，當(dāng)液壓伺服預(yù)緊裝置位置靠近測(cè)量點(diǎn)時(shí)軌道的主振頻率高，表明壓力可以增加附近裝置的剛度。由于試驗(yàn)裝置前端的振動(dòng)幅度較大，當(dāng)液壓伺服預(yù)緊裝置在前端時(shí)，可以有效地抑制導(dǎo)軌的振動(dòng)，使導(dǎo)軌振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間縮短，增加導(dǎo)軌的使用壽命。在此后的試驗(yàn)中，將液壓伺服預(yù)緊裝置放置在試驗(yàn)裝置前端，同時(shí)，由于壓力大于500 kN時(shí)，電磁發(fā)射裝置振動(dòng)幅值已經(jīng)非常小，因此液壓伺服預(yù)緊裝置較佳的設(shè)置值為500 kN.

2.2 電流大小對(duì)軌道振動(dòng)影響

為了研究在電磁發(fā)射裝置中通入軌道電流大小對(duì)軌道振動(dòng)特性的影響，在保證相同測(cè)量位置、相同液壓大小條件下重復(fù)試驗(yàn)，觀察電流大小對(duì)軌道振動(dòng)頻率的影響。表2為不同電流大小下軌道振動(dòng)頻率。從表2中可以看到，隨著電流的增大，振動(dòng)頻率呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

2.3 軌道振動(dòng)特性變化與軌道損傷之間的聯(lián)系

在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，觀察各測(cè)量點(diǎn)軌道的振動(dòng)頻率及幅值變化。表3為進(jìn)行多次試驗(yàn)時(shí)軌道振動(dòng)頻率和幅值變化。從表3中可以看出，前4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)軌道振動(dòng)幅值較小，約為300 μm，主振頻率為44.46 Hz，隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，軌道振動(dòng)幅值逐漸增大、振動(dòng)頻率逐漸減??；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到第7次時(shí)，軌道振動(dòng)幅值超過350 μm，主振頻率為42.24 Hz；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到第12次時(shí)，軌道振動(dòng)幅值超過400 μm，振動(dòng)頻率下降至39.84 Hz，使其振動(dòng)頻率降低的主要原因?yàn)檐壍绖偠鹊淖兓?。由于剛度與材料的振動(dòng)頻率呈正比，當(dāng)結(jié)構(gòu)局部損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)的剛度降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率降低。由此可以判斷當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到第5次和第6次后，軌道會(huì)有一定程度的損傷。

表3 軌道振動(dòng)頻率和幅值變化

圖11為軌道實(shí)際損傷圖，從圖11中可以看到，軌道表面出現(xiàn)了燒蝕、刨削等微小損傷。

3 結(jié)論

本文以電磁發(fā)射裝置為試驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)發(fā)射過程中由于電磁沖擊力而引起的軌道劇烈振動(dòng)問題開展了深入研究。研究了預(yù)緊力作用下軌道的振動(dòng)頻率變化，采用液壓伺服預(yù)緊裝置在試驗(yàn)裝置壓板上施加預(yù)緊力進(jìn)行多組試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)通過在發(fā)射裝置壓板上施加預(yù)緊力，將大幅值振動(dòng)持續(xù)時(shí)間明顯縮短，可有效地降低電磁沖擊力對(duì)身管的影響，從而提高發(fā)射過程的穩(wěn)定性。

2)通入軌道電流的大小與軌道振動(dòng)頻率呈現(xiàn)反比關(guān)系，當(dāng)電流增大時(shí)，軌道的振動(dòng)頻率降低。

3)當(dāng)振動(dòng)頻率由44.46 Hz突變到42.24 Hz時(shí)，能夠觀測(cè)到軌道表面有損傷。由此可知，軌道振動(dòng)特性的變化可以在一定程度上作為軌道損傷識(shí)別的一個(gè)依據(jù)。