楊 臻，高 穎，秦 浪

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051; 2.建設(shè)工業(yè)有限公司，重慶 400054)

輕型全地形車武器系統(tǒng)是單兵使用的車載武器系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的火力、機(jī)動(dòng)能力、通信和戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)控能力，其軍用潛力已經(jīng)被越來越多的軍隊(duì)所認(rèn)識(shí)。未來戰(zhàn)爭中，它將成為特種部隊(duì)必不可少的武器裝備，是步兵配備的基本裝備之一，同時(shí)也是武警反恐、防暴的快速機(jī)動(dòng)的野戰(zhàn)武器。由于有良好的越野性能，全地形車武器系統(tǒng)在戰(zhàn)術(shù)上主要用于輕型機(jī)械化部隊(duì)的快速突擊和火力支援。由于車輛輕，提高武器的射擊穩(wěn)定性和射擊精度成了該系統(tǒng)重點(diǎn)研究的內(nèi)容。模態(tài)分析作為研究武器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的前提和基礎(chǔ)，不僅可以判斷系統(tǒng)固有頻率是否與槍身的激勵(lì)頻率相接近，以避免發(fā)生共振;還可以找出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，從而有針對(duì)性的加強(qiáng)。近年來，國內(nèi)圍繞大口徑機(jī)槍［1-3］、履帶和輪式火炮系統(tǒng)［4-5］進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)研究，在此就某輕型全地形突擊武器系統(tǒng)的模態(tài)測(cè)試展開研究。

1 系統(tǒng)基本機(jī)構(gòu)

輕型全地形車武器系統(tǒng)由于采用輪式4 ×4 驅(qū)動(dòng)JS -400ATV 沙灘車，武器系統(tǒng)主要搖架、三光瞄具和小口徑轉(zhuǎn)管機(jī)槍組成，系統(tǒng)重量在350 kg，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

眾所周知，機(jī)械結(jié)構(gòu)一旦確立，該機(jī)械自身固有的頻譜特性就固定。這種頻譜特性與結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)類型緊密相關(guān)。在武器系統(tǒng)中了解這種特性，就可以通過改變其結(jié)構(gòu)形式或適當(dāng)加強(qiáng)( 或減少) 局部結(jié)構(gòu)剛度，改變其頻譜特性，避開共振區(qū)。這對(duì)提高連發(fā)武器的精度有重要作用。

2 試驗(yàn)方法

通過對(duì)全系統(tǒng)非工作狀態(tài)下傳統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法來識(shí)別模態(tài)參數(shù)。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)是由激勵(lì)系統(tǒng)、響應(yīng)和激勵(lì)力測(cè)量系統(tǒng)及分析計(jì)算系統(tǒng)組成。通過傳統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析可以得到系統(tǒng)各部件及全系統(tǒng)特別是武器部分的動(dòng)力學(xué)固有特性。借助于力錘，在試驗(yàn)轉(zhuǎn)管機(jī)槍口部，施加一定頻帶寬度的動(dòng)態(tài)輸入力{f( t) } ，它的輸出響應(yīng){x( t) } 也是一個(gè)包含了系統(tǒng)模態(tài)信息的信號(hào)。對(duì)動(dòng)態(tài)輸入力和輸出響應(yīng)經(jīng)過快速傅里葉變換( FFT) 后得到相應(yīng)的傅里葉譜F( ω) 和X( ω) ，則頻響函數(shù)矩陣為

這樣，通過對(duì)施加到結(jié)構(gòu)上的激勵(lì)信號(hào)和結(jié)構(gòu)上各觀測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)的分析處理，就可以得到表征結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性的傳遞函數(shù)矩陣，再經(jīng)過計(jì)算識(shí)別就可以得到結(jié)構(gòu)的固有特性( 固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型等) ，即武器系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。

圖1 全地車示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)系統(tǒng)激勵(lì)，高速采集儀記錄下振動(dòng)曲線，經(jīng)過分析計(jì)算得到5 階的固有頻率。本次試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注的是槍與其架座的狀態(tài)，主要演示取槍及其架座部分的示意結(jié)構(gòu)。

表1 系統(tǒng)前5 階固有頻率 Hz

通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到以下的5 階振型圖，如圖2 ～6 所示。

圖3 第2 階振型

圖4 第3 階振型

圖5 第4 階振型

圖6 第5 階振型

振型描述:

第1 階共振頻率為37.22 HZ，此時(shí)振型主要表現(xiàn)為彎振，同時(shí)帶有部分的扭振，由振型圖可以看出瞄準(zhǔn)器部分振動(dòng)幅值最大。

第2 階共振頻率為108.78 HZ，此時(shí)振型主要表現(xiàn)為扭振，同時(shí)帶有部分的彎振，由振型圖可以看出瞄準(zhǔn)器部分振動(dòng)幅值最大。

第3 階共振頻率為218.99 HZ，此時(shí)振型主要表現(xiàn)為彎振，同時(shí)帶有部分的扭振，由振型圖可以看出瞄準(zhǔn)器部分振動(dòng)幅值最大。

第4 階共振頻率為320.288 7 HZ，此時(shí)振型主要表現(xiàn)為彎振，同時(shí)帶有部分的扭振，由振型圖可以看出瞄準(zhǔn)器部分振動(dòng)幅值最大。

第5 階共振頻率為425.207 2 HZ，此時(shí)振型主要表現(xiàn)為彎振，同時(shí)帶有部分的扭振，由振型圖可以看出瞄準(zhǔn)器部分振動(dòng)幅值最大。

4 結(jié)論

建立的基于LMS 方法的機(jī)槍動(dòng)力特性測(cè)試系統(tǒng)為研究該武器的動(dòng)力學(xué)特性提供了依據(jù)。模態(tài)的兩個(gè)重要參數(shù)為固有頻率與振型，本試驗(yàn)得到的振型顯示了機(jī)槍的固有振動(dòng)形態(tài)，以及各點(diǎn)相對(duì)振動(dòng)量之間的關(guān)系，并提供了一種直觀的分析其振動(dòng)狀態(tài)的方法。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的初步分析可以得出如下基本結(jié)論:

1) 當(dāng)武器系統(tǒng)的固有頻率與激勵(lì)頻率接近就會(huì)有共振發(fā)生，此時(shí)激勵(lì)作用下的振幅與振速幅值均隨時(shí)間增大而增大。當(dāng)此情況出現(xiàn)在發(fā)射裝置處于發(fā)射狀態(tài)下時(shí)，對(duì)于減小起始擾動(dòng)是非常不利的，應(yīng)盡量避免。因此，對(duì)于發(fā)射過程中的一些周期干擾力矩，其頻率應(yīng)避免接近或等于自振頻率，發(fā)射間隔的選取也應(yīng)該避開發(fā)射裝置的固有頻率。而為了減小發(fā)射裝置振動(dòng)對(duì)射擊穩(wěn)定性和精度的影響，對(duì)于機(jī)槍的后坐力等突加力，應(yīng)盡量使其作用時(shí)間避開自振周期的整數(shù)倍。

該型機(jī)槍的第1 階固有頻率小于射擊頻率，避開了射擊頻率(100 Hz) 的整數(shù)倍，不會(huì)引起共振，更高階固有頻率對(duì)其影響則更小。但是第3 階頻率與武器頻率接近，易引起共振。

2) 三光瞄具引起振幅大，連接部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需進(jìn)一步加強(qiáng)，改進(jìn)其剛度。

3) 由于激勵(lì)力偏小，車體懸掛系統(tǒng)的低階頻率未出現(xiàn)，對(duì)其測(cè)量宜采用其他手段( 如工作模態(tài)分析法) 實(shí)現(xiàn)。

［1］吳三靈，溫波，于永強(qiáng)，等.火炮動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

［2］王瑞林.大口徑機(jī)槍動(dòng)力學(xué)特性與射擊精度研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2003.

［3］董自衛(wèi).基于LMS 系統(tǒng)的某型機(jī)槍動(dòng)力特性測(cè)試方法［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，19(5):23-25.

［4］王寶元.自行火炮固有頻率特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2011，32(11):1315-1319.

［5］王寶元.自行火炮工作模態(tài)分析試驗(yàn)技術(shù)［J］.兵工學(xué)報(bào)，2009，30(7):853-856.

［6］PARK YH，PARK YS.Structure optinization to enhance its natural frequencies based on measured frequency response functions［J］. Journal of Sound and Vibration，2000，229(5):1235-1255.