基于磁流變彈性體的坦克陀螺儀組減振器設(shè)計

郝貝利，于海龍，楊富鋒，陶 玙

（南京理工大學(xué) 發(fā)射動力學(xué)研究所，南京210094）

坦克穩(wěn)定器是為解決坦克在行進(jìn)過程中炮身軸線偏離正確射擊方向的問題而研制出的一種控制系統(tǒng)。光纖陀螺儀組是穩(wěn)定器普遍運用的核心測量元件，當(dāng)坦克炮身軸線由于某種原因偏離穩(wěn)定位置時，陀螺儀立即發(fā)出一個與偏離角度成相應(yīng)比例的信號，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)使火炮恢復(fù)到原來設(shè)定的位置[1]。

在坦克車輛面臨的振動、噪聲、操作環(huán)境等問題日益突出的現(xiàn)代戰(zhàn)場，消除穩(wěn)定器陀螺儀組因綜合振動環(huán)境而引發(fā)的精度失準(zhǔn)問題成為提高坦克射擊精度的亟待需求。目前對由振動、沖擊引起的光纖陀螺的誤差抑制手段主要有數(shù)學(xué)分析方法和物理方法2 種，數(shù)學(xué)方法往往需提前設(shè)置參數(shù)[2]，該方法缺乏根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自適應(yīng)優(yōu)化的能力[3]；物理方法的研究主要集中在改善封裝結(jié)構(gòu)[4]、穩(wěn)定光纖環(huán)的繞法上[5]，加裝普通減振裝置也無法應(yīng)對變化的振動環(huán)境[6]。

磁流變彈性體是一種新型智能材料，其力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性能會隨外加磁場強(qiáng)度的變化而改變，這些變化是可控、可逆的，且響應(yīng)時間極快[7]。本文針對坦克穩(wěn)定器陀螺儀組的抗振失準(zhǔn)問題，將磁流變彈性體用于半主動減振器件的設(shè)計中，通過控制其阻尼和剛度達(dá)到減振器為穩(wěn)定器陀螺儀組隔斷高頻噪聲、追蹤低頻響應(yīng)的目的，從而提高坦克火炮射擊精度，提升坦克戰(zhàn)斗能力。

1 陀螺儀組減振的設(shè)計要求

將坦克陀螺儀穩(wěn)定器減振系統(tǒng)視為單自由度系統(tǒng)，單自由度系統(tǒng)在受迫振動時，隨著激勵頻率相對自身無阻尼固有頻率的增加，會在達(dá)到共振頻率時發(fā)生共振現(xiàn)象，此時傳遞率最大；當(dāng)頻率比λ＞ 2 后，系統(tǒng)的傳遞率一定會小于1，此時當(dāng)阻尼比ζ越小時，系統(tǒng)減振效果越好；增加阻尼會降低機(jī)器通過共振區(qū)時的最大振幅，但同時在λ＜時會增加振動隔離系數(shù)。工程運用中阻尼的選擇通常會權(quán)衡這相反兩方面減振效果的影響。

對于穩(wěn)定器陀螺儀組而言，不能簡單地只選擇合適的阻尼比以期望達(dá)到全屏段的適中減振效果，這是因為高頻的振動環(huán)境造成了穩(wěn)定器陀螺儀組的精準(zhǔn)度下降，其本身測量元件屬性不能被減振器的減振效果所干擾。在低頻段，針對坦克身管的大運動減振器的效果應(yīng)該是傳遞率的“跟蹤”而非一味地降低傳遞率，即所設(shè)計的適用于穩(wěn)定器陀螺儀組的減振器應(yīng)有相當(dāng)于“頻率低通”的效果。

普通的橡膠減振器由于剛度一定，其與減振對象組成的系統(tǒng)的固有頻率也為定值，當(dāng)外激勵發(fā)生變化時很難達(dá)到好的減振效果，剛度和阻尼的設(shè)計不當(dāng)甚至?xí)谔厥庹駝迎h(huán)境下引發(fā)新的共振。穩(wěn)定器陀螺儀組所處的振動環(huán)境是復(fù)雜且變化的，這就需要設(shè)計的減振器還要有變剛度阻尼特性來適應(yīng)。

圖1 柱狀彈性體壓縮模式受力圖

圖1為柱狀彈性體壓縮模式下的示意圖，假設(shè)彈性體工作時延受力方向發(fā)生的微小變形量為ΔL，則有

由式(1)、式(2)得彈性體的剛度

其中：E為彈性體壓縮模式下的彈性模量，A為彈性體的橫截面積，L0為彈性體的厚度。對于由陀螺儀組和減振器簡化得到的單自由度系統(tǒng)，有

由式(4)結(jié)合穩(wěn)定器陀螺儀組的仿真激勵即可指導(dǎo)彈性體材料的性能設(shè)計?；诙囿w系統(tǒng)傳遞矩陣法對坦克整車進(jìn)行建模，可以通過仿真得到陀螺儀組所安裝的搖架位置的振動激勵[8]，其中高頻激勵主要在100 Hz～200 Hz，可將陀螺儀組的共振頻率設(shè)計在300 Hz 以上。已知陀螺儀組的質(zhì)量，由此便可以得到彈性體彈性模量E與體積參數(shù)A、L0的關(guān)系，而彈性模量可以由制備的彈性體樣品先行測得，進(jìn)而根據(jù)測試結(jié)果不斷對磁流變彈性體及減振器尺寸進(jìn)行修正，找到最優(yōu)的設(shè)計方案。

2 減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與磁路仿真

圖2為減振器剖面示意圖，該結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)磁龍骨、線圈、磁流變彈性體、上導(dǎo)磁塊、導(dǎo)磁套筒以及下導(dǎo)磁塊組成，一共設(shè)置了4片采用壓縮工作模式調(diào)節(jié)減振器剛度的磁流變彈性體，其中MRE-B為與陀螺儀組直接連接的工作磁流變彈性體，MRE-A 主要起到調(diào)節(jié)預(yù)緊力的作用。將導(dǎo)磁套筒嵌入陀螺儀組的3個卡爪內(nèi)從而與陀螺儀組連接，減振器在安裝高度上與陀螺儀組原有的橡膠減振裝置完全相同，保證了陀螺儀基準(zhǔn)面的一致性。

圖2 陀螺儀組減振器剖面示意圖

圖3為磁流變減振器磁路分析結(jié)構(gòu)圖，減振器結(jié)構(gòu)中添加了勵磁線圈（圖3中的Coils），通電后線圈產(chǎn)生的磁場在器件中經(jīng)由磁流變彈性體形成導(dǎo)磁回路，使磁流變彈性體的剛度能夠隨外加電流的大小變化得到有效控制。

圖3 減振器磁路分析圖

存在磁阻的各部件于圖3中標(biāo)出，箭頭方向為閉合磁路的走向。其中導(dǎo)磁龍骨、磁流變彈性體右上片、上導(dǎo)磁塊、磁流變彈性體左上片、導(dǎo)磁套筒、磁流變彈性體左下片、下導(dǎo)磁塊、磁流變彈性體右下片的磁阻分別為Rm1、Rm2、Rm3、Rm4、Rm5、Rm6、Rm7、Rm8。

磁阻計算公式為

式中：L為磁路的長度，S為磁路的面積，μ0為真空狀態(tài)下的磁導(dǎo)率，μi為材料的相對磁導(dǎo)率。導(dǎo)磁構(gòu)件所選用的導(dǎo)磁材料為電磁純鐵，其相對磁導(dǎo)率μi(i=1,3,5,7)≥1000，磁流變彈性體的相對磁導(dǎo)率μk(k=2,4,6,8)≈3，即μi?μk，RMRE?Ri。因而可以計算得到總磁阻

圖4標(biāo)明了磁阻計算所需的各項尺寸參數(shù)。

圖4 減振器磁阻計算示意圖

減振器中磁流變彈性體采用壓縮模式工作并被設(shè)計為圓片狀，一側(cè)彈性體的尺寸與厚度完全相同，故磁流變彈性體減振器中閉合磁路的總磁阻為

根據(jù)磁路的歐姆定理可知

式中：Fm為閉合磁路的磁通勢，N為閉合磁路中的線圈匝數(shù)，I為線圈中通過的電。在閉合磁路的某一位置，磁通量Φ滿足

式中：S為該位置的磁路橫截面積，B為此區(qū)域面積S內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

將式(9)與式(7)代入式(8)得

由此得到線圈匝數(shù)的計算公式為

線圈電流I=2A，真空磁導(dǎo)率μ0為定值。磁流變彈性體厚度：L2=2 mm，L4=1.5 mm；磁流變彈性體的相對磁導(dǎo)率和最佳工作磁感應(yīng)強(qiáng)度由磁流變彈性體的性能測試給出，即μ2=3，B=0.6 T，則有

實際應(yīng)用中會有一定微小程度的剩磁，故將繞線線圈的匝數(shù)定為600圈。

使用ANSYS Workbench 中的靜磁場分析模塊對所設(shè)計的變彈性體減振器軸對稱1/2 模型進(jìn)行磁路仿真，圖5和圖6分別為彈性體磁場分布圖與減振器磁場分布圖。仿真結(jié)果表明在給線圈通電2 A電流時，導(dǎo)磁套筒一側(cè)磁流變彈性體的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.58 T 且分布均勻，另一側(cè)磁流變彈性體工作部分的磁場強(qiáng)度在0.57 T～0.74 T之間，且整個磁路最高磁感應(yīng)強(qiáng)度處小于電磁純鐵的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，證實了磁路設(shè)計方法與結(jié)構(gòu)尺寸的合理性。

圖5 彈性體磁場分布圖

圖6 減振器磁場分布圖

3 磁流變彈性體的制備與測試

磁流變彈性體是一種新型復(fù)合材料，由橡膠基體、鐵磁顆粒和各類橡膠改劑組成。本文所用的橡膠改劑為硬脂酸（增塑劑）、古馬隆、氧化鋅（補(bǔ)強(qiáng)劑、活性劑）、4010NA、RD（防老劑）、CZ（促進(jìn)劑）和硫磺（硫化劑）。經(jīng)過生膠塑煉、原料混煉、用硫化儀確定硫化時間、平板硫化機(jī)有場硫化的制備工藝分別得到了天然橡膠基和順丁橡膠基磁流變彈性體，用來進(jìn)行樣品測試和減振器的裝配。

在外加磁場發(fā)生裝置電流為0、2.5 A、5 A、7.5 A、10 A 的不同情況下制備了天然橡膠基磁流變彈性體樣品，通過振動樣品磁強(qiáng)計測試得到了磁流變彈性體材料所處不同磁場強(qiáng)度H(Oe)與受到磁矩J(emu)的關(guān)系，進(jìn)而得到不同硫化磁場中磁流變彈性體的磁滯曲線，即外加磁場和樣品磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系圖，如圖7所示。

圖7 不同硫化磁場中磁流變彈性體的磁滯曲線

在磁滯曲線中，曲線的斜率代表了材料的相對磁導(dǎo)率，可知隨著硫化時外加磁場的增加，磁流變彈性體在同一方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度總體呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢，且當(dāng)磁流變彈性體的磁導(dǎo)率最大時，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在0.6 T左右。

有場硫化的主要目的是為了制備各向異性磁流變彈性體，圖8給出了不同制備磁場中磁流變彈性體在3個方向上的磁導(dǎo)特性。

由圖8可知：在硫化無外加磁場時，磁流變彈性體的相對磁導(dǎo)率呈現(xiàn)出各向同性的特征；在制備硫化時外加磁場的磁流變彈性體則均出現(xiàn)了相對磁導(dǎo)率的各項異性特征，沿制備磁場方向（即圖中z向）的相對磁導(dǎo)率最高；隨著磁場的增加，磁流變彈性體的相對磁導(dǎo)率的最高值逐漸增加，因此選用硫化磁場通電電流為10 A 的磁流變彈性體作為減振器的工作組件。

4 陀螺儀組減振系統(tǒng)振動試驗

依托電磁式振動臺進(jìn)行磁流變彈性體減振器的特性分析試驗，設(shè)計適當(dāng)?shù)墓ぱb夾具使陀螺儀組通過磁流變彈性體減振器懸置連接在振動臺上，搭建了如圖9所示的振動測試系統(tǒng)。

圖8 磁流變彈性體相對磁導(dǎo)率各向異性分布

圖9 振動測試系統(tǒng)示意圖

圖10 正弦掃頻結(jié)試驗果

在通電電流為0 和1.7 A 的2 種工況下進(jìn)行10 Hz～550 Hz的正弦掃頻試驗，控制激勵信號的加速度為0.3 g。圖10為掃頻試驗的結(jié)果，并與安裝原橡膠減振器的工況進(jìn)行了掃頻特性對比。

從圖10可以看出，安裝原橡膠減振器時陀螺儀組的共振頻率為391.7 Hz。安裝天然橡膠基磁流變彈性體減振器的零場共振頻率為350.2 Hz，在通1.7 A 電流時其共振頻率為369.3 Hz，相對于零場時偏移了19.1 Hz，相對磁流變效應(yīng)為11.1 %；零場時共振峰的傳遞率由5.73 變成了有場時的3.47，減振效果為39.4%。安裝順丁橡膠基磁流變彈性體減振器時在有電流情況下也出現(xiàn)變剛度的特征，當(dāng)電流大小為0 時其共振頻率為305.4 Hz，在通1.7 A 時其共振頻率為325.7 Hz，相對于零場時偏移了20.3 Hz，相對磁流變效應(yīng)為13.5%；零場時共振峰的傳遞率由7.36變成了有場時的5.45，減振效果為25.9%。

基于多體系統(tǒng)傳遞矩陣法對坦克整車進(jìn)行建?？梢杂嬎阃勇輧x組所安裝的搖架位置的振動激勵[8]，由該仿真激勵識別得到的功率譜可作為陀螺儀組減振系統(tǒng)隨機(jī)試驗的輸入，如圖11所示。

分別對穩(wěn)定器陀螺儀自帶橡膠減振器、天然橡膠基磁流變彈性體減振器和順丁橡膠基磁流變彈性體減振器進(jìn)行了隨機(jī)振動試驗。隨機(jī)振動時長35 s，取中間時段的響應(yīng)作為試驗結(jié)果進(jìn)行比較，見圖12。

圖12隨機(jī)試驗結(jié)果表明，安裝原橡膠減振器的穩(wěn)定器陀螺儀組加速度響應(yīng)的均方根為0.545 g，安裝天然橡膠磁流變彈性體減振器后加速度響應(yīng)的均方根為0.362 g，下降33.5%；安裝順丁橡膠磁流變彈性體減振器后加速度響應(yīng)的均方根為0.458 g，下降了15.7%。綜合來看，天然橡膠磁流變彈性體減振器的減振效果優(yōu)于順丁橡膠基磁流變彈性體減振器。

圖11 隨機(jī)振動試驗功率譜

圖12 仿真激勵下2種磁流變彈性體減振器隨機(jī)試驗結(jié)果對比

5 結(jié)語

本文以坦克穩(wěn)定器陀螺儀組的減振為研究背景，結(jié)合穩(wěn)定器陀螺儀組的實際尺寸和安裝要求，完成了基于壓縮工作模式磁流變彈性體減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

通過振動樣品磁強(qiáng)計測試分析了硫化磁場的強(qiáng)度對磁流變彈性體樣品磁學(xué)性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)制備硫化磁場發(fā)生裝置電流為10 A 時可以得到導(dǎo)磁性與各向異性更好的磁流變彈性體。

搭建了穩(wěn)定器陀螺儀組減振系統(tǒng)測試平臺，掃頻試驗表明兩種基體的彈性體減振器均有變剛度效果，天然橡膠基磁流變彈性體的零場共振峰傳遞率在有場條件下下降了39.4%，順丁橡膠基磁流變彈性體的零場共振峰傳遞率在有場條件下下降了25.9%?；诜抡婕畹碾S機(jī)試驗表明，天然橡膠基磁流變彈性體減振器的加速度均方根值下降了33.5%，順丁橡膠基磁流變彈性體減振器的加速度均方根值下降了15.7%?？傮w來看，天然橡膠基磁流變彈性體減振器的減振效果優(yōu)于順丁橡膠基磁流變彈性體減振器。