懸掛特性對某高炮射擊密集度的影響研究

寧變芳，劉 歡，薛慶陽，趙 萌，單春來

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

懸掛是輪式武器系統(tǒng)底盤的重要組成部分，是連接武器系統(tǒng)車體和車輪的主要裝置，其功能是衰減由車輪振動傳遞給車體的沖擊。傳統(tǒng)的圓柱彈簧懸掛結(jié)構(gòu)形式簡單、可靠性高，但是其空/滿載車體高度變化幅度較大，無法實現(xiàn)懸掛參數(shù)與整車在不同承載狀態(tài)下的良好匹配[1]；而油氣懸掛可以通過改變油氣彈簧的充氣壓力來實現(xiàn)懸掛剛度變化，因此可適應武器系統(tǒng)不同負載及射擊工況,具有良好的車炮匹配特性。

楊業(yè)海[1]對某高機動性越野車油氣懸架系統(tǒng)進行了設計與開發(fā)，將所涉及的各種參數(shù)計算程序、仿真模型、優(yōu)化算法及分析工具進行了整合與模塊化，開發(fā)了油氣懸架系統(tǒng)設計軟件；徐文立[2]建立了油氣懸架試驗車的整車模型,研究了油氣懸架對整車操縱穩(wěn)定性和平順性的影響；李魁武等[3]結(jié)合火控閉環(huán)控制技術，建立了誤差綜合補償模型，利用火控解算前一時刻的誤差特性，對后一時刻火控解算進行誤差實時綜合補償，以提高射擊精度。以上文獻均未涉及懸掛特性對高炮射擊精度的影響。

為了掌握懸掛特性對某輕型高機動平臺射擊精度的影響，采用集總參數(shù)識別方法獲取了懸掛系統(tǒng)振動阻尼特性參數(shù)，研究了連發(fā)射擊載荷下圓柱彈簧懸掛系統(tǒng)平臺的振動特性。針對圓柱彈簧剛度不可調(diào)、車炮匹配性不佳的特點，研究了油氣懸掛的剛度特性對車體振動的影響，優(yōu)化后油氣懸掛剛度可大幅度減小車體振動，從而實現(xiàn)車炮匹配優(yōu)化。在模擬射擊線穩(wěn)定的補償力矩作用下，該高炮可滿足射擊精度指標要求。

1 基于試驗測試曲線的集總參數(shù)識別

1.1 集總參數(shù)單自由度自由振動特性分析

某輕型高機動武器系統(tǒng)采用6×6雙橫臂獨立懸掛系統(tǒng)底盤，懸掛系統(tǒng)的阻尼特性參數(shù)一般通過試驗獲取，筆者通過對底盤振動特性分析和轉(zhuǎn)膛自動機工作特性分析，將某輕型高機動高炮連發(fā)射擊近似視為一個在高頻(射擊頻率16.667 Hz，車體振動頻率約1 Hz)激勵作用下的單自由度強迫振動系統(tǒng)。

車體振動的單質(zhì)量系統(tǒng)模型如圖1所示。

該模型是由車身質(zhì)量m和彈簧剛度K、減振器阻力系數(shù)為C的懸掛組成[4]。

車身垂直位移坐標z的原點取在靜力平衡位置，根據(jù)牛頓第二定律，得到描述系統(tǒng)運動的微分方程為

(1)

令

(2)

那么，齊次方程為

(3)

式中：ωn為無阻尼時系統(tǒng)固有圓頻率，而阻尼對運動的影響取決于n和ωn的比值ζ，ζ稱為阻尼比：

(4)

汽車懸掛系統(tǒng)的阻尼比數(shù)值ζ通常在0.25左右，屬于小阻尼，此時微分方程的解為

(5)

阻尼比ζ對衰減振動有兩方面影響，與有阻尼固有頻率ωd有關。

(6)

式中：ζ增大，則ωd下降；當ζ=1時ωd=0，此時運動失去振蕩特征。汽車懸掛系統(tǒng)阻尼比ζ大約為0.25，ωd比ωn只降了3%左右，在工程上可以近似認為ωd≈ωn，車身部分無阻尼振動的固有圓頻率ωn、無阻尼固有頻率fn分別為

(7)

(8)

圖2中兩個相鄰的振幅A1與A2之比d稱為減幅系數(shù)，決定振幅的衰減程度，其表達式為

(9)

取自然對數(shù)：

(10)

可以由實測的衰減振動曲線得到減幅系數(shù)d，進而求出阻尼比ζ：

(11)

1.2 基于測試曲線的參數(shù)識別

基于摸底試驗車體橫滾角位移測試曲線，對該試驗數(shù)據(jù)進行參數(shù)識別[5-6]，測試曲線參數(shù)識別如圖3所示。

得到：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

通過分析單自由度高頻強迫振動系統(tǒng)特性，認識系統(tǒng)的基本振動特性，為開展油氣懸掛參數(shù)優(yōu)化及車炮匹配分析奠定基礎，也可更好地對射擊線穩(wěn)定采取有效補償措施。

1.3 集總參數(shù)簡諧激勵下強迫振動與測試數(shù)據(jù)對比

針對原采用圓柱彈簧懸掛的底盤系統(tǒng)，基于識別的參數(shù)，建立了發(fā)射過程整車動力學模型，結(jié)合實彈射擊試驗，對側(cè)向10連發(fā)射擊載荷作用下的底盤振動響應進行驗證，計算與測試曲線對比如圖4、圖5所示，測試曲線由安裝于車體上的高精度陀螺姿態(tài)傳感器[7]獲取。

通過理論計算與測試值進行對比，計算車體橫滾角位移最大值為71.2 mrad，測試橫滾角位移最大值為70.4 mrad，計算誤差1.2%，理論計算具有較高的精度，為開展懸掛參數(shù)優(yōu)化奠定基礎。

由圖4、5可以看出，采用圓柱彈簧懸掛的底盤，由于圓柱彈簧懸掛的剛度具有不可調(diào)節(jié)的特點，使得車體在滿載側(cè)向射擊工況下，其剛度表現(xiàn)較弱，10連發(fā)側(cè)向射擊工況下車體橫滾角位移最大值達到約5°，車炮匹配性能不佳。

2 油氣懸掛剛度特性分析

油氣彈簧是用油液來傳遞壓力[8]，用壓縮氣體作為彈性介質(zhì)的一種彈性元件。圖6為油氣彈簧的結(jié)構(gòu)簡圖。

蓄能器(氣室)內(nèi)的氣體狀態(tài)方程：

P0Vr0=PVr,

(17)

式中：P0為開始充入蓄能器內(nèi)的惰性氣體壓力；V0為開始充入蓄能器內(nèi)的惰性氣體體積；r為氣體多變指數(shù)，一般r=1.28.

油氣懸掛系統(tǒng)的剛度為[9]

(18)

式中：T0為油氣彈簧的初始負載；x為正值表示油氣彈簧活塞拉伸時產(chǎn)生的位移，負值表示油氣彈簧活塞壓縮時產(chǎn)生的位移；Af為氣腔截面積。

從油氣懸掛的工作原理以及力學特性可以看出，在油氣彈簧內(nèi)部油液往返流動的通道上設置阻尼閥和單向閥,可以使其自身就具有減振器的功能；油氣懸掛具有非線性變剛性、漸增性的特性。

3 油氣懸掛剛度對車體振動影響

油氣懸掛通過改變油氣彈簧的充氣壓力，即可實現(xiàn)油氣懸掛的剛度變化，以實現(xiàn)適應不同負載工況,因此油氣懸掛具有良好的車炮匹配特性[10-11]。

原武器系統(tǒng)底盤的懸掛系統(tǒng)采用圓柱彈簧，實彈橫向射擊時車體最大橫滾角達到70.4 mrad，立靶密集度超差。

在原圓柱彈簧懸掛的底盤動力學模型的基礎上，對油氣懸掛剛度進行多方案對比分析，每次增大10%懸掛等效剛度，分析側(cè)向射擊工況條件下車體姿態(tài)橫滾角位移、角速度變化情況，計算結(jié)果如表1所示。因版面所限，只列出部分車體姿態(tài)橫滾角位移、角速度變化曲線，所示曲線對應表1中相應序號，如圖7、8所示。

表1 油氣懸掛剛度對側(cè)向射擊車體橫滾角位移、角速度影響

由表1可知，應用油氣懸掛剛度可調(diào)的優(yōu)點，當車體前懸、中后懸掛等效線剛度各增大到256、316 N/mm時，車體橫滾角位移降低到38.1 mrad，相對原圓柱彈簧懸掛試驗炮降低了46.5%，車體橫滾角速度降到158.3 mrad/s，相對降低了42.7%.

4 力矩補償下射擊密集度研究

基于對車體10連發(fā)側(cè)向射擊橫滾振動基本特性和三相交流永磁同步電機(PMSM)負載扭矩響應特性，采用優(yōu)化后油氣懸掛剛度參數(shù)，構(gòu)造與射速匹配的脈沖補償力矩，實現(xiàn)對射擊線穩(wěn)定有效補償。構(gòu)造補償力矩、炮膛合力、炮口角位移對應關系如圖9所示。圖中十字依次為第1～10發(fā)彈丸出炮口時刻炮口角位移量。

補償力矩作用下炮口垂直及方位位移曲線如圖10、11所示。

該高炮彈丸外彈道計算高低散布0.5 mrad，方位散布0.4 mrad；炮口振動引起的高低中間誤差Ez及方位中間誤差Ex分別為

(19)

(20)

由式(19)、(20)計算得到炮口振動引起的高低中間誤差為Ez=4.574 mm，對應高低角位移中間誤差為0.8 mrad；方位中間誤差為Ex=2.4 mm，對應方位角位移中間誤差為0.6 mrad.計算200 m立靶高低密集度為1.4 mrad，方位密集度為1.0 mrad.

根據(jù)分析計算結(jié)果，將該武器系統(tǒng)底盤懸掛系統(tǒng)由圓柱彈簧改為油氣懸掛，經(jīng)靶場5組實彈射擊試驗，橫向射擊200 m立靶密集度如表2所示，達到密集度指標要求。

表2 200 m試驗立靶密集度

5 結(jié)論

1)根據(jù)油氣懸掛剛度、阻尼可調(diào)的優(yōu)點，在車體固有振動頻率0.9～1.2 Hz易于實現(xiàn)的范圍內(nèi)，將車體前懸掛等效線剛度從128 N/mm增大到256 N/mm，中、后懸掛等效線剛度從158 N/mm增大到316 N/mm時，發(fā)現(xiàn)車體橫滾角位移從71.2 mrad降低到38.1 mrad，降低了46.5%，車體橫滾角速度從275.9 mrad/s降到158.3 mrad/s，降低了42.7%.

2)利用油氣懸掛剛度、阻尼可調(diào)的優(yōu)點，更易于實現(xiàn)車炮參數(shù)匹配，使系統(tǒng)振動位移、速度、加速度幅值降低，可有效減小隨動補償誤差。

3)構(gòu)造了與射速匹配的脈沖補償力矩，計算表明，在補償力矩作用下，該輕型高機動高炮側(cè)向射擊條件下高低立靶密集度為1.4 mrad，方位密集度為1.0 mrad，可滿足高低及方位立靶密集度的指標要求。

4)對懸掛特性匹配優(yōu)化后的武器系統(tǒng)進行了射擊試驗，橫向射擊5組，密集度試驗均達到指標要求，驗證了優(yōu)化改進措施的有效性。