新型電磁反后坐裝置運(yùn)行機(jī)理研究與仿真分析

黃 通，郭保全，朱家萱，丁 寧，張 彤，毛虎平

(中北大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院; b.軍民融合協(xié)同創(chuàng)新研究院;c.儀器與電子學(xué)院; d.能源動(dòng)力工程學(xué)院, 太原 030051)

火炮作為一種常規(guī)壓制性武器，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中依然扮演著無可替代的重要角色。反后坐裝置被稱為火炮的“心臟”，是整個(gè)火炮系統(tǒng)的核心部件，承擔(dān)著減小火炮發(fā)射時(shí)受力，完成火炮后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)的重要任務(wù)[1]。為了適應(yīng)未來戰(zhàn)爭的需求，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代火炮高威力、高機(jī)動(dòng)的發(fā)展，新型反后坐裝置作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)受到了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[2,3]。

傳統(tǒng)的反后坐裝置多為液體氣壓式的，主要是利用液體通過流液孔產(chǎn)生壓力差形成液壓阻力，為了實(shí)現(xiàn)理想的后坐阻力規(guī)律，學(xué)者們針對流液孔面積的變化規(guī)律進(jìn)行了多方面的分析和優(yōu)化研究[4]。以南京理工大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)為代表的相關(guān)高校開始研制以磁流變技術(shù)為代表的后坐阻力可控的新型反后坐裝置[5]；相關(guān)學(xué)者也開展了電流變液體制退機(jī)的相關(guān)研究，并取得了一定的研究成果[6]；為了減少溫度對反后坐裝置性能的影響，相關(guān)學(xué)者開始對彈性膠泥緩沖器在火炮反后坐裝置上的應(yīng)用展開研究[7]，但試驗(yàn)效果不是很好。

為了簡化火炮結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對后坐阻力的實(shí)時(shí)控制，以產(chǎn)生理想的后坐阻力平臺，本研究提出并設(shè)計(jì)了一種集制退，復(fù)進(jìn)和復(fù)進(jìn)節(jié)制為一體的新型電磁反后坐裝置，建立了電磁反后坐裝置的數(shù)學(xué)模型，并基于Maxwell電磁學(xué)有限元仿真軟件進(jìn)行仿真分析，探究了電磁反后坐裝置的動(dòng)力學(xué)特性和能量轉(zhuǎn)換特性。

1 電磁反后坐裝置運(yùn)行機(jī)理

電磁反后坐裝置主要是根據(jù)電磁作用原理設(shè)計(jì)的一種完成火炮后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)的裝置，根據(jù)電磁感應(yīng)原理的可逆可調(diào)特性實(shí)現(xiàn)制退、復(fù)進(jìn)和復(fù)進(jìn)節(jié)制的作用，其工作原理如圖1所示。根據(jù)火炮后坐運(yùn)動(dòng)特性，電磁反后坐裝置的運(yùn)行狀態(tài)可分為3個(gè)階段：制退后坐階段，復(fù)進(jìn)階段和復(fù)進(jìn)節(jié)制階段。

圖1 電磁反后坐裝置工作原理示意圖

在制退后坐階段，后坐部分帶動(dòng)動(dòng)子磁棒與線圈繞組產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，在線圈繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，激發(fā)出阻礙相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電磁阻力，通過可變電阻調(diào)節(jié)控制電磁反后坐裝置中的感應(yīng)電流進(jìn)而控制電磁阻力按照后坐運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)行變化，同時(shí)將后坐動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能輸入外部電路進(jìn)行處理和儲存；在復(fù)進(jìn)階段，將制退后坐階段儲存的電能經(jīng)外部電路處理輸回線圈繞組，在線圈繞組中產(chǎn)生推動(dòng)動(dòng)子磁棒的電磁推力，帶動(dòng)后坐部分進(jìn)行復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過可變電阻調(diào)節(jié)輸入進(jìn)線圈繞組中的勵(lì)磁電流來控制電磁推力按照復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)要求變化；在復(fù)進(jìn)節(jié)制階段，外部電路控制線圈繞組中的勵(lì)磁電流反向，將電磁推力轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶艔?fù)進(jìn)節(jié)制力，阻滯復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)，直至復(fù)進(jìn)到位。

2 電磁反后坐裝置運(yùn)動(dòng)分析

2.1 動(dòng)力學(xué)模型

由于電磁反后坐裝置的多用途特性，電磁反后坐裝置在各個(gè)階段的受力與傳統(tǒng)反后坐裝置相比，存在較大的差別。在后坐階段，電磁反后坐裝置取消了復(fù)進(jìn)機(jī)力的影響，后坐阻力只包括電磁阻力和摩擦阻力，即：

FR=Fe+f

(1)

式中:FR為電磁反后坐裝置后坐阻力；Fe為電磁阻力；f為摩擦阻力。

根據(jù)牛頓第二定律建立電磁反后坐裝置后坐運(yùn)動(dòng)方程為：

(2)

式中：mh為后坐部分質(zhì)量；Fpt為炮膛合力。

在復(fù)進(jìn)階段，電磁反后坐裝置取消了制退機(jī)流液孔液壓阻力，復(fù)進(jìn)合力只包括電磁推力和摩擦阻力，即：

Fr=Fef-f

(3)

式中：Fr為復(fù)進(jìn)合力；Fef為電磁推力，在復(fù)進(jìn)加速階段Fef為正，為后坐部分的復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)提供正推力；在復(fù)進(jìn)節(jié)制階段Fef為負(fù)，為后坐部分的復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)提供負(fù)推力。

建立電磁反后坐裝置復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)方程為：

(4)

式中：xf為復(fù)進(jìn)行程；tf為復(fù)進(jìn)時(shí)間。

2.2 電磁學(xué)模型

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律有：

(5)

式中:e為感應(yīng)電動(dòng)勢;N為線圈匝數(shù);φ為磁通量。

對式(5)變形可得：

(6)

式中:B為磁通密度;S為磁通面積;v為磁通變化速度，即為動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度。

根據(jù)電路的歐姆定律有：

(7)

式中:i為線圈繞組中的電流值;R為回路阻值。

相關(guān)研究證實(shí)[8-10]，電磁力大小與線圈繞組中電流大小成正比，即：

Fe=Kei

(8)

式中：Fe為電磁力；Ke為電磁力常數(shù)，可通過有限元模型獲得[8]。

顯然在電磁反后坐裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，電磁力常數(shù)為一個(gè)定值，為了實(shí)現(xiàn)對電磁力的實(shí)時(shí)控制，就需要對線圈繞組中的電流進(jìn)行控制。由電路的歐姆定律可知，對感應(yīng)電動(dòng)勢或者回路阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對電流的控制。

2.3 仿真分析

為探究電磁反后坐裝置運(yùn)行性能，本研究以某型火炮為研究對象，按照理想后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律對電磁反后坐裝置后坐復(fù)進(jìn)作用力合力變化規(guī)律進(jìn)行擬定，進(jìn)而確定可變電阻的阻值變化規(guī)律。已知某型火炮理想后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖2所示，擬定其后坐復(fù)進(jìn)作用力合力如圖3所示。

圖2 后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖3 后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)作用力合力

為了簡化仿真模型，做出以下假設(shè)：

1) 假設(shè)動(dòng)子為光滑圓柱結(jié)構(gòu)忽略動(dòng)子偏心；

2) 假設(shè)氣隙中電磁場沿裝置切向分布均勻；

3) 假設(shè)磁路所在平面與裝置軸向平行，忽略磁場切向分量，故整體模型可以簡化為二維模型進(jìn)行分析。

基于上述假設(shè)條件，建立電磁反后坐裝置二維有限元分析模型如圖4，模型各部件材料設(shè)置如表1所示。

圖4 電磁反后坐裝置二維有限元模型

部件材料定子鐵心DW465-50線圈繞組copper永磁鐵NdFe35氣隙vacuum求解/運(yùn)動(dòng)區(qū)域vacuum

仿真得電磁反后坐裝置氣隙磁通密度如圖5所示，聯(lián)立式(6)計(jì)算出電磁反后坐裝置輸出感應(yīng)電動(dòng)勢，并將輸出結(jié)果導(dǎo)入Simulink中搭建單相整流濾波電路對輸出電壓進(jìn)行整流濾波穩(wěn)壓處理其結(jié)果如圖6所示。

圖5 氣隙磁通密度

圖6 輸出電壓曲線

顯然，整流濾波后的輸出電壓呈現(xiàn)出較為平滑的平臺現(xiàn)象，這不僅有利于蓄電儲存，更符合火炮理想后坐阻力的“平臺效應(yīng)”，便于對電路進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)后坐運(yùn)動(dòng)的理想控制。聯(lián)立式(7)和式(8)可知，回路阻值為：

(9)

式中：Ri為可變電阻阻值；R0為回路內(nèi)阻。

忽略線圈容抗和電氣元件等阻值的影響，則后坐階段電磁反后坐裝置的可變電阻阻值變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 后坐階段可變電阻阻值曲線

由圖7可知，后坐階段可變電阻阻值變化呈現(xiàn)出先增大再減小，然后緩慢減小直至后坐結(jié)束。這是因?yàn)檎鳛V波后的輸出電壓輸出穩(wěn)定時(shí)刻早于后坐阻力平臺出現(xiàn)時(shí)刻，此時(shí)整流輸出電壓和后坐阻力均處于逐漸增長時(shí)期，當(dāng)整流輸出電壓達(dá)到最大值時(shí)，后坐阻力仍然在繼續(xù)增長。

在復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)階段，電磁反后坐裝置依靠輸入進(jìn)線圈繞組中的勵(lì)磁電流產(chǎn)生電磁推力進(jìn)行復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)，勵(lì)磁電流直接輸入線圈繞組，成為電磁推力的根本來源，由于磁場正弦特性的影響，使復(fù)進(jìn)階段的電磁推力出現(xiàn)近似于正弦變化的“推力波動(dòng)”。計(jì)算得復(fù)進(jìn)階段的勵(lì)磁電流變化規(guī)律如圖8所示。

與復(fù)進(jìn)電磁推力變化曲線相比，勵(lì)磁電流變化曲線波動(dòng)較大，結(jié)合圖5所示的氣隙磁密曲線可發(fā)現(xiàn)，勵(lì)磁電流的波動(dòng)頻率與氣隙磁密的波動(dòng)頻率是一致的，通過控制輸入進(jìn)線圈繞組中的勵(lì)磁電流消除了磁場的波動(dòng)影響。根據(jù)電路的歐姆定律同樣采取可變電阻控制輸入線圈繞組的勵(lì)磁電流大小，復(fù)進(jìn)階段電磁反后坐裝置的可變電阻阻值變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 復(fù)進(jìn)階段可變電阻阻值

顯然，復(fù)進(jìn)階段可變電阻阻值變化大致可以分為3個(gè)階段，第一階段對應(yīng)復(fù)進(jìn)加速階段，此時(shí)后坐部分加速向前，電磁推力為正且力值較大，對勵(lì)磁電流的需求較大，因而此階段阻值較小且呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢；第二階段對應(yīng)復(fù)進(jìn)緩慢加速階段，此時(shí)后坐部分復(fù)進(jìn)加速趨勢放緩，后坐部分保持緩慢加速向前，電磁推力主要克服摩擦力做功，對勵(lì)磁電流的需求較小，因此此階段阻值較大且逐漸下降；第三階段對應(yīng)復(fù)進(jìn)節(jié)制階段，在電流反向以后，電磁推力變?yōu)樨?fù)向且力值較大，因此此階段阻值較小。

3 結(jié)論

1) 參考傳統(tǒng)電磁阻尼器原理，提出了一種將制退機(jī)，復(fù)進(jìn)機(jī)與復(fù)進(jìn)節(jié)制器耦合集成的新型電磁反后坐裝置，該設(shè)計(jì)方案能夠完成傳統(tǒng)制退機(jī)、復(fù)進(jìn)機(jī)和復(fù)進(jìn)節(jié)制器的功能。即后坐時(shí)利用電磁力產(chǎn)生制退力，并通過對可變電阻的實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)阻力平臺，同時(shí)利用直線發(fā)電機(jī)原理將后坐能量轉(zhuǎn)化為電能儲存，在復(fù)進(jìn)時(shí)加載在線圈繞組上產(chǎn)生復(fù)進(jìn)力推動(dòng)火炮復(fù)進(jìn)。

2) 建立了電磁反后坐裝置的數(shù)學(xué)模型和有限元模型，基于場路耦合法對電磁反后坐裝置進(jìn)行仿真分析，對其后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，得出理想運(yùn)動(dòng)特性下的可變電阻的控制規(guī)律，進(jìn)一步研證了電磁反后坐裝置的可行性。