王福勝
(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司,四川德陽(yáng) 618013)
電磁軌道驅(qū)動(dòng)因具有初速高、動(dòng)能大、初速可控等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究和應(yīng)用,但驅(qū)動(dòng)過程處于強(qiáng)磁場(chǎng)、大電流、超高溫和高速摩擦磨損等極端條件下,十分復(fù)雜,電樞速度作為最基本的參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有重要意義。電樞初速受到多種驅(qū)動(dòng)參數(shù)的影響,如加載電流的大小、電樞的質(zhì)量、電樞的裝載位置以及電樞初始預(yù)緊力的大小等。
為了使用盡量少的試驗(yàn)來達(dá)到較好的試驗(yàn)效果,本文對(duì)增強(qiáng)型電磁驅(qū)動(dòng)過程進(jìn)行分析,對(duì)電樞所受電磁力、摩擦力及空氣阻力等進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,并結(jié)合驅(qū)動(dòng)器電感梯度、電阻梯度等關(guān)鍵參數(shù)建立了增強(qiáng)型電磁軌道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型。通過仿真與實(shí)際驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了所建立模型的有效性,對(duì)實(shí)際驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)中參數(shù)的選擇、驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)過程的分析具有重要意義。
增強(qiáng)型電磁軌道驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由脈沖電源模塊、軌道和電樞3 部分組成(圖1)。由脈沖電源模塊放電形成脈沖電流,為電樞提供電磁力,使得電樞在軌道中加速并獲得較高的初速[1]。
圖1 增強(qiáng)型驅(qū)動(dòng)器原理
由上述分析可知增強(qiáng)型電磁軌道驅(qū)動(dòng)模型主要包括脈沖功率電源模塊模型、軌道模型和電樞動(dòng)力學(xué)模型3 部分。
多個(gè)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)組成脈沖功率電源模塊,每個(gè)脈沖成形網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立,可根據(jù)實(shí)際驅(qū)動(dòng)需要選擇使用個(gè)數(shù)。脈沖成形網(wǎng)絡(luò)主要由脈沖電容器(C1…Cn)、晶閘管(T1…Tn)、電感(L1…Ln)、續(xù)流硅堆(D1…Dn)和電阻(R1…Rn)等組成,其放電過程主要包括脈沖電容器放電和電感續(xù)流兩部分。
增強(qiáng)型電磁軌道驅(qū)動(dòng)器軌道模型主要包括軌道電感梯度、電阻梯度及接觸電阻3 個(gè)部分[2]。對(duì)于圖2 所示的軌道截面的增強(qiáng)型軌道驅(qū)動(dòng)器模型,可以通過Batteh 公式得到電感梯度[3]:L′=
圖2 軌道截面
電樞在驅(qū)動(dòng)過程中除受到電磁力外、還受到摩擦力、空氣阻力及燒蝕、刨削等阻力,其中摩擦力是影響電樞速度的關(guān)鍵因素[4]。電樞在運(yùn)動(dòng)過程中,主要受到前進(jìn)方向上的摩擦力和空氣阻力,因此在運(yùn)動(dòng)方向上的主應(yīng)力
其中,F(xiàn)0為初始正壓力,u為材料泊松比,F(xiàn)e為電磁力,F(xiàn)p為彈前空氣阻力,A為電樞橫截面積,S 為樞軌接觸面積。
電樞所受滑動(dòng)摩擦力Ff=4v-0.4Ftot,電樞受到的空氣阻力Fp=其中r為氣體比熱比。
軌道刨削和燒蝕產(chǎn)生的阻力K1sin(ωt)和隨機(jī)產(chǎn)生的軌道刨削現(xiàn)象Bkε(t)有關(guān),故可將刨削和燒蝕采用階躍模型表示為:
本文是以多個(gè)脈沖電源模塊從驅(qū)動(dòng)器尾部供電,金屬電樞作為推進(jìn)材料的電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型,分析各模塊模型之間的關(guān)系,按圖3 所示關(guān)系構(gòu)建驅(qū)動(dòng)模型。
圖3 電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)
試驗(yàn)充電電壓為2000 V,其他參數(shù)見表1,結(jié)合仿真模型得到的放電電流、電樞位移及電樞速度曲線如圖4~圖7 所示。
由圖4 可以看出,電流上升時(shí)間短、下降相對(duì)較快,符合實(shí)際驅(qū)動(dòng)對(duì)電源要求。在驅(qū)動(dòng)起始階段,電樞速度受到靜摩擦力作用,使得速度基本為零,并未明顯移動(dòng)。隨后電磁力起主導(dǎo)作用,使得電樞速度快速增加,但隨著電流的下降,電磁力減小,摩擦力、空氣阻力等因素對(duì)電樞速度的影響變大,電樞加速緩慢,速度變化較小。符合圖5 和圖6 電樞速度變化率先增大后減小的規(guī)律,仿真結(jié)果可以體現(xiàn)電樞速度變化過程。
圖4 放電電流曲線
圖5 電樞位移曲線
圖6 電樞速度曲線
按照表1 參數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)試驗(yàn),在軌道上放置20 個(gè)磁探針用于測(cè)量驅(qū)動(dòng)過程中電樞速度,并使用羅氏線圈結(jié)合電流積分器測(cè)量單個(gè)脈沖電源的放電電流。羅氏線圈輸出電壓最大值為3.48 V,結(jié)合羅氏線圈輸出電壓與電流積分比值160,可得單個(gè)脈沖電源放電電流峰值為21.75 kA,與仿真模型中10 個(gè)脈沖電源模塊放電電流峰值202.2 kA 相差不大,且羅氏線圈所測(cè)得的放電電流曲線和仿真所得放電電流曲線一致。
表1 試驗(yàn)參數(shù)
電磁驅(qū)動(dòng)過程時(shí)間短暫,當(dāng)磁探針距離遠(yuǎn)小于軌道長(zhǎng)度時(shí),電樞通過兩個(gè)相鄰磁探針的平均速度可代替電樞在磁探針位置處的瞬時(shí)速度,選擇磁探針感應(yīng)電壓過零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為電樞通過磁探針的時(shí)間。將試驗(yàn)測(cè)量得到的電樞速度和仿真獲得的電樞速度曲線進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖7 所示。
圖7 試驗(yàn)與仿真電樞速度對(duì)比
磁探針?biāo)鶞y(cè)速度存在一定的波動(dòng),這是由于磁探針測(cè)速精度及電樞存在轉(zhuǎn)捩等現(xiàn)象導(dǎo)致。試驗(yàn)測(cè)得的電樞速度和仿真所得到的電樞速度稍有偏差,表明所建立的模型中某些參數(shù)可做進(jìn)一步調(diào)整來提高模型精度,但從整體上看,仿真模型與實(shí)際驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)電樞速度趨勢(shì)一致,仿真結(jié)果可以較好地?cái)M合實(shí)際驅(qū)動(dòng)試驗(yàn),對(duì)實(shí)際試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和指導(dǎo)具有重要意義。
本文建立了包含脈沖電源充電電壓、電樞質(zhì)量、電樞初始位置及初始?jí)毫Φ葏?shù)的數(shù)學(xué)模型,來模擬增強(qiáng)型軌道驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)過程。該模型可用于分析不同試驗(yàn)參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)過程的影響,從而對(duì)實(shí)際試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,在達(dá)到預(yù)期試驗(yàn)效果的前提下減小試驗(yàn)次數(shù)并降低驅(qū)動(dòng)成本。增強(qiáng)型電磁軌道驅(qū)動(dòng)模型有效解決了實(shí)際驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)中參數(shù)選擇等問題,為電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有益的參考。