新型電磁制退機對火炮復(fù)進運動的影響分析

欒成龍，黃 通，潘玉田，郭保全，朱家萱

(1.中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051；2.中北大學 軍民融合協(xié)同創(chuàng)新研究院，山西 太原 030051)

電磁制退機是一種利用直線發(fā)電機技術(shù)將火炮后坐能量轉(zhuǎn)換為電能的同時為火炮后坐提供制退阻尼的裝置[1]。與傳統(tǒng)制退機相比，電磁制退阻力在產(chǎn)生的過程中，沒有任何材料的磨損和破壞；根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，火炮電磁制退機在轉(zhuǎn)化能量的同時會產(chǎn)生阻礙相對運動變化的電磁阻力[2-3]，這也是火炮電磁制退機可以替代傳統(tǒng)液壓制退機的主要原因?；鹋陔姶胖仆藱C不僅有利于簡化火炮結(jié)構(gòu)，減輕火炮質(zhì)量，提供實時可調(diào)的電磁制退力，也有利于提高火炮能量利用率。

火炮復(fù)進運動是火炮射擊循環(huán)的重要組成部分，保證火炮復(fù)進的靜止性和穩(wěn)定性是火炮完成射擊循環(huán)的關(guān)鍵[4]。由電磁感應(yīng)定律可知，火炮電磁制退機在火炮復(fù)進過程中也會產(chǎn)生電磁阻力來阻礙復(fù)進相對運動的發(fā)生，這對火炮復(fù)進運動產(chǎn)生了一定的影響。

筆者根據(jù)電磁制退機結(jié)構(gòu)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)，主要針對電磁制退機在復(fù)進過程中產(chǎn)生的電磁阻力對火炮復(fù)進運動的影響進行分析，建立火炮電磁制退機在復(fù)進運動過程中的動力學模型，并利用Simulink進行仿真分析。然后根據(jù)復(fù)進運動要求，對復(fù)進電磁節(jié)制力進行調(diào)控，確定調(diào)控方案。

1 基本原理

火炮電磁制退機是以火炮后坐動能作為動力源的直線發(fā)電機，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。電磁制退機的主要結(jié)構(gòu)組成為勵磁繞組、初級鐵芯和永磁鐵。與傳統(tǒng)直線發(fā)電機不同的是，火炮電磁制退機可以替代液壓制退機為火炮后坐提供制退力[4-7]。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，當與火炮后坐部分固連的永磁動子和與搖架固連的線圈定子產(chǎn)生相對運動時，線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并會產(chǎn)生阻礙相對運動變化的電磁阻力[8]。

在復(fù)進過程中，永磁鐵組與后坐部分同時向前運動，與線圈繞組產(chǎn)生相對運動產(chǎn)生感應(yīng)磁場，激發(fā)出電磁阻力，產(chǎn)生了復(fù)進過程中的復(fù)進節(jié)制力。電磁制退機同時具有傳統(tǒng)制退機和復(fù)進節(jié)制器的功能，既能夠提供實時可調(diào)的電磁阻力特性，也有利于簡化火炮結(jié)構(gòu)。

復(fù)進過程是后坐的逆過程[9]，一方面，由于火炮電磁制退機利用復(fù)進時產(chǎn)生的電磁復(fù)進節(jié)制力替代了制退機；另一方面，與傳統(tǒng)復(fù)進節(jié)制器相比，火炮電磁制退機屬于全長制動。全長電磁復(fù)進節(jié)制力是火炮電磁制退機區(qū)別于傳統(tǒng)火炮的關(guān)鍵，火炮電磁制退機利用后坐運動過程中產(chǎn)生的電磁阻力替代了傳統(tǒng)制退機，因此在復(fù)進過程中不存在制退機液壓阻力和復(fù)進節(jié)制力，只存在因相對運動產(chǎn)生的電磁復(fù)進節(jié)制力。

2 電磁制退機動力學模型

動力學分析是研究火炮電磁制退機對復(fù)進運動影響的重要步驟，同時為了更為直觀地查看各個部件的實時變化情況，首先建立火炮電磁制退機在復(fù)進過程中的動力學方程，然后利用Simulink搭建仿真模型。

選取永磁鐵連接桿組成的系統(tǒng)作為研究對象進行受力分析，如圖2所示。為簡化計算模型，假設(shè)連接桿所受電磁阻力分布均勻，電磁阻力合力沿連接桿軸線方向。

連接桿在復(fù)進過程中受到復(fù)進機提供的復(fù)進剩余力Fsh和永磁鐵在感應(yīng)磁場中的電磁復(fù)進節(jié)制力Fef的作用，設(shè)后坐部分質(zhì)量為mh，復(fù)進速度為v，則根據(jù)牛頓第二定律有：

(1)

2.1 復(fù)進剩余力

火炮在復(fù)進過程中主要受到的主動力為復(fù)進機力，同時還要受到復(fù)進靜阻力的影響，復(fù)進機力與復(fù)進靜阻力的合力為復(fù)進剩余力。其中，復(fù)進靜阻力為

Fjf=F+FT+mhgsinφ,

(2)

式中：F為反后坐裝置密封導軌的摩擦力；FT為搖架導軌的摩擦力；φ為火炮射角。則有：

Fsh=Ff-Fjf,

(3)

式中,Ff為復(fù)進機力。

2.2 電磁復(fù)進節(jié)制力

根據(jù)等效磁路模型建立的電磁制退機制退阻力的特性方程[1],得到電磁制退機的電磁復(fù)進節(jié)制力為

(4)

式中：μ0為磁導率；Hc為永磁鐵矯頑力；h為永磁鐵厚度；r為線圈半徑；v為永磁鐵運動速度；Ke為折算系數(shù)，通常取值為0.1～0.6；R為線圈阻值；R1為可調(diào)電阻；N為線圈匝數(shù)；Cm為電磁制退機制造系數(shù)，當電磁制退機機構(gòu)參數(shù)確定以后，Cm為定值；Km是與速度和可調(diào)電阻相關(guān)的函數(shù)，Km=Km(v,R).

同理，火炮電磁制退機電磁阻力方向與運動方向相反，電磁復(fù)進節(jié)制力與制退阻力的特性方程是一致的。顯然，電磁復(fù)進節(jié)制力與復(fù)進速度和負載阻值大小有關(guān)，當火炮電磁制退機電路為開路時，電磁復(fù)進節(jié)制力為0.隨著負載阻值的不斷減小，電磁復(fù)進節(jié)制力不斷增大。

3 復(fù)進運動過程分析

3.1 火炮理想復(fù)進運動規(guī)律

火炮復(fù)進過程的電磁復(fù)進節(jié)制力[9]為

(5)

(6)

式中Fr為復(fù)進合力,復(fù)進合力的大小和正負表示復(fù)進運動的加速度的大小和方向。

根據(jù)某典型火炮理想復(fù)進運動特性，擬定該型火炮的理想復(fù)進阻力，并由式(1)可得后坐質(zhì)量mh一定時，復(fù)進速度v也確定。根據(jù)制退機理想復(fù)進運動特性擬定火炮電磁制退機復(fù)進運動規(guī)律，如圖3所示。

3.2 負載調(diào)控方法分析

由于永磁鐵磁場本身的特性，磁感應(yīng)強度變化率是一個近似正弦變化的物理量，因此感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流也會呈現(xiàn)出一定的正弦變化特征，其總體趨勢也會隨著復(fù)進速度的變化而變化，呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。為獲得較為恰當?shù)碾姶抛枇σ员ＷC火炮復(fù)進穩(wěn)定，必須對電磁阻力進行控制。

在確定了電磁制退機結(jié)構(gòu)參數(shù)之后，根據(jù)理想復(fù)進運動特性，提出了通過控制可調(diào)電阻阻值的變化，獲得期望的電磁復(fù)進節(jié)制力。由式(4)可知，當電磁復(fù)進節(jié)制力變化規(guī)律一定時，負載總阻值是關(guān)于復(fù)進行程的函數(shù)，即：

(7)

因此根據(jù)式(7)計算得出負載阻值變化規(guī)律，如圖4所示。即當控制負載阻值如圖4所示變化時，就可以獲得如圖3所示的理想復(fù)進運動特性。

負載阻值變化率Δ如圖5所示。

在復(fù)進前期，由于在復(fù)進前期，復(fù)進速度變化大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大，負載總阻值較大，變化率也比較大；在復(fù)進中期和后期，復(fù)進速度減小且變化率小，負載總阻值減小，變化率也減小。按照圖5變化規(guī)律調(diào)控的電磁復(fù)進節(jié)制力消除了直線發(fā)電機正弦特性帶來的影響，使得火炮電磁制退機滿足火炮復(fù)進運動規(guī)律的要求。

3.3 火炮復(fù)進運動特性

電磁制退機反面計算是在已知負載阻值調(diào)控規(guī)律時，根據(jù)復(fù)進機力和確定的電磁制退機結(jié)構(gòu)參數(shù)進行的有關(guān)復(fù)進速度和復(fù)進行程的計算。復(fù)進機力在復(fù)進機設(shè)計后就可以確定，因此，為分析電磁制退機影響下的火炮復(fù)進運動特性，需要已知負載阻值的變化規(guī)律以及確定的電磁制退結(jié)構(gòu)參數(shù)。筆者以某型火炮為研究對象，建立Simulink模型，如圖6所示。

根據(jù)建立的動力學模型，輸入量為復(fù)進剩余力Fsh，包括復(fù)進機力Ff和復(fù)進靜阻力Fjf，密封裝置摩擦力F，搖架導軌摩擦力FT，電磁制退機制造系數(shù)Cm和負載阻值R;輸出值為復(fù)進速度v、位移x和電磁復(fù)進節(jié)制力Fef.將電磁制退機的電磁復(fù)進節(jié)制力Fef變化仿真結(jié)果即XY Graph與傳統(tǒng)制退機復(fù)進阻力Fφh比較分析，如圖7所示。

顯然，與傳統(tǒng)制退機相比，電磁制退機復(fù)進阻力變化較為平穩(wěn)，保證了復(fù)進的穩(wěn)定性，避免了傳統(tǒng)制退機真空消失點制退阻力突變情況的出現(xiàn)。傳統(tǒng)制退機是通過復(fù)進節(jié)制器溝槽由淺到深的突然變化來調(diào)控真空消失點處復(fù)進合力的變化，而這種溝槽在加工工藝上是十分困難的，電磁制退機相比之下便于進行加工制造。同時，電磁復(fù)進節(jié)制力峰值較小，可以靈活地通過可調(diào)的負載阻值實現(xiàn)理想的制退阻力變化規(guī)律，進而保證復(fù)進過程的穩(wěn)定性。

電磁制退機由于自身電磁力作用的固有屬性的影響，產(chǎn)生的電磁阻尼幅值和頻率變化較大，導致了未經(jīng)調(diào)控的情況下復(fù)進速度隨之變化較大，使得電磁制退機對火炮復(fù)進運動的影響較大，因此必須進行調(diào)節(jié)控制。根據(jù)第3.2節(jié)分析得到的負載阻值變化規(guī)律調(diào)控后的復(fù)進運動特性如圖8中實線所示。

由圖8可知，與傳統(tǒng)的制退機速度變化相比，在開始階段，實線也就是電磁制退機的速度特性上升快，速度較大且平穩(wěn)，下降階段與虛線對比速度較小。電磁制退機有更好的速度特性?？傮w來看調(diào)控后的電磁制退機復(fù)進速度呈現(xiàn)出前期較大，而后期較小的變化規(guī)律，并且在速度峰值處出現(xiàn)速度平臺，有利于實現(xiàn)減小復(fù)進時間，增大復(fù)進能量，減小復(fù)進振動以及提高復(fù)進穩(wěn)定性的作用。復(fù)進到位速度很小，能夠保證后坐部分可靠地復(fù)進到位。

3.4 復(fù)進儲能分析

復(fù)進機復(fù)進能量是火炮后坐能量的重要組成部分，它是將火炮后坐能量儲存起來用于火炮復(fù)進過程，在復(fù)進過程中被制退機復(fù)進時的液壓阻力和復(fù)進靜阻力所消耗，并以熱能的形式散失掉?；鹋陔姶胖仆藱C是利用直線發(fā)電機技術(shù)將火炮后坐能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置，在復(fù)進過程中，同樣可以轉(zhuǎn)化復(fù)進能量。

火炮電磁制退機在復(fù)進過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢如圖9所示。

復(fù)進過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢變化規(guī)律與后坐過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相比，變化規(guī)律相似，這是由火炮電磁制退機結(jié)構(gòu)參數(shù)和火炮射擊循環(huán)規(guī)律決定的，但是后坐過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢遠大于復(fù)進過程中的感應(yīng)電動勢幅值，這是因為后坐速度大于復(fù)進速度的緣故。

直線發(fā)電機的脈沖特性使得火炮電磁制退機產(chǎn)生的電能難以直接被電力系統(tǒng)所利用，因此必須對電能進行后處理。按照常規(guī)的復(fù)雜信號處理方式，首先對火炮電磁制退機在復(fù)進過程中產(chǎn)生的電能進行整流處理，將火炮電磁制退機產(chǎn)生的脈沖交流電變?yōu)閱蜗虻拿}沖直流電。然后進行濾波穩(wěn)壓處理，將整流輸出電壓中的雜波去除，獲得較為平滑的輸出電壓，筆者利用Simulink選擇低通濾波器模塊對濾波電路進行仿真分析，通過截取整流輸出電壓信號的低頻段，去除高頻段的電壓波動。

忽略能量損耗，根據(jù)能量計算公式：

(8)

計算得到火炮電磁制退機在復(fù)進過程中轉(zhuǎn)換能量為0.511 kJ.與后坐過程相比，復(fù)進過程轉(zhuǎn)換能量相對較少，這是因為復(fù)進過程的速度相對較小，后坐過程產(chǎn)生的能量就比較可觀了。

4 結(jié)論

通過對電磁制退機對火炮復(fù)進運動的影響分析，得出以下結(jié)論：

1)火炮電磁制退機對復(fù)進運動的影響較大，使得復(fù)進速度前期上升較快，并且在速度峰值處出現(xiàn)速度平臺，有利于實現(xiàn)減小復(fù)進時間，增大復(fù)進能量，減小復(fù)進振動以及提高復(fù)進穩(wěn)定性。

2)基于負載阻值調(diào)控的電磁復(fù)進節(jié)制力控制方法能夠有效地實現(xiàn)復(fù)進運動的理想變化，為火炮電磁制退機優(yōu)化設(shè)計提供可靠的思路。

3)火炮電磁制退機在復(fù)進過程中能夠轉(zhuǎn)化一部分能量，與后坐過程相比，能量轉(zhuǎn)換相對較少。