黃 通， 郭保全， 毛虎平， 張 彤

(1. 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 中北大學(xué) 能源動(dòng)力工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 3. 中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院， 山西 太原 030051)

自動(dòng)裝填是提高火炮射速的重要途徑之一， 彈藥協(xié)調(diào)器作為自動(dòng)裝填機(jī)構(gòu)的重要組成部分， 承擔(dān)著連接供彈機(jī)和輸彈機(jī)的中轉(zhuǎn)任務(wù)， 協(xié)調(diào)器是否能將彈藥快速準(zhǔn)確地協(xié)調(diào)到位， 關(guān)系到火炮的裝填效率和射擊速率[1-3]. 傳統(tǒng)彈藥協(xié)調(diào)器采用布置在耳軸位置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)， 同時(shí)添加小平衡機(jī)對(duì)托彈盤進(jìn)行支撐， 用于平衡協(xié)調(diào)器的重力矩， 減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載. 傳統(tǒng)協(xié)調(diào)器不僅耗能較大， 而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 給自行火炮總體設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困難.

電磁彈射技術(shù)是一種利用電磁推力使物體在短距離內(nèi)加速起飛的先進(jìn)技術(shù)， 主要應(yīng)用于航母艦載機(jī)的起飛. 電磁彈射由于推力大， 可控性強(qiáng)， 裝置體積和質(zhì)量相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)逐漸被廣泛應(yīng)用[4-6].

本文根據(jù)電磁彈射的運(yùn)動(dòng)特性， 結(jié)合協(xié)調(diào)器運(yùn)動(dòng)規(guī)律， 提出了一種新型的電磁脈沖協(xié)調(diào)器方案. 為了探索電磁脈沖彈射器與火炮系統(tǒng)能源的聯(lián)合應(yīng)用， 本文以某型火炮為研究對(duì)象， 建立了電磁脈沖協(xié)調(diào)器的動(dòng)力學(xué)模型， 根據(jù)脈沖電流對(duì)協(xié)調(diào)器運(yùn)動(dòng)特性的影響， 提出了脈沖電流變化規(guī)律并進(jìn)行分析.

1 電磁脈沖協(xié)調(diào)器工作原理

協(xié)調(diào)器的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)從加速到減速的過(guò)程， 其運(yùn)動(dòng)結(jié)束段速度較為平緩， 同時(shí)還應(yīng)當(dāng)保證在協(xié)調(diào)到位時(shí)， 協(xié)調(diào)器能夠支撐一段時(shí)間， 以保障輸彈機(jī)能夠?qū)椝幏€(wěn)定地輸送入炮膛. 電磁彈射會(huì)在脈沖電流最大時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)較大的瞬時(shí)推力， 而后由于電流瞬間的釋放導(dǎo)致在后期電流強(qiáng)度較小， 產(chǎn)生的推力也比較小， 無(wú)法承擔(dān)對(duì)托彈盤的支撐作用[7-10].

本文設(shè)計(jì)了一種由永磁鐵與通電線圈結(jié)合的彈射裝置， 通過(guò)調(diào)整兩個(gè)永磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度， 來(lái)補(bǔ)償電磁脈沖協(xié)調(diào)器工作后期推力不足的問(wèn)題， 其工作原理如圖 1 所示.

圖 1 電磁脈沖協(xié)調(diào)器工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic pulsed coordinator

在協(xié)調(diào)器運(yùn)動(dòng)前期， 由于電流較大， 推桿上的通電線圈在靠近下方的位置， 其受到下方磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響較大， 而在協(xié)調(diào)器運(yùn)動(dòng)后期， 由于電流較小， 通電線圈受到上方磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響較大， 因此上方磁鐵的磁場(chǎng)應(yīng)當(dāng)大于下方磁鐵， 同時(shí)也應(yīng)當(dāng)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取一定的方式對(duì)協(xié)調(diào)器運(yùn)動(dòng)到位時(shí)進(jìn)行短暫束縛， 以保證穩(wěn)定的輸彈過(guò)程， 電磁脈沖協(xié)調(diào)器在火炮上的工作位置如圖 2 所示.

圖 2 電磁脈沖協(xié)調(diào)器工作位置Fig.2 Work location of electromagnetic pulsed coordinator

2 動(dòng)力學(xué)模型

如圖 1 所示， 根據(jù)通電線圈在磁場(chǎng)中的受力可知[11-12]

Fe=nBIL,

(1)

式中：Fe為電磁推力；n為線圈匝數(shù)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；I為線圈電流；L為單匝線圈周長(zhǎng). 其中磁感應(yīng)強(qiáng)度B為推桿位移的函數(shù)， 即

B=B(x).

(2)

電磁脈沖協(xié)調(diào)器的磁場(chǎng)為上方磁鐵和下方磁鐵的疊加磁場(chǎng)， 根據(jù)磁場(chǎng)的疊加定理有[13]

B(x)=Bu(x)+Bd(x).

(3)

根據(jù)牛頓第二定律有

(4)

式中：mt為推桿質(zhì)量；x為推桿位移；Ff為摩擦力.

如圖 2 所示， 協(xié)調(diào)器從供彈機(jī)接收到彈丸之后， 繞耳軸旋轉(zhuǎn)至與炮膛軸線的平行位置， 對(duì)于這樣的單自由度系統(tǒng)有

(5)

式中：M為協(xié)調(diào)器力臂上的等效力矩；J為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θ為轉(zhuǎn)動(dòng)角位移.

對(duì)協(xié)調(diào)器系統(tǒng)受力分析有

M=FeLe-MG-Mf,

(6)

式中：Fe為電磁推力；Le為電磁推力動(dòng)力臂；MG為重力轉(zhuǎn)矩；Mf為摩擦轉(zhuǎn)矩. 其中電磁推力動(dòng)力臂Le和重力轉(zhuǎn)矩MG均為轉(zhuǎn)動(dòng)角位移的函數(shù)， 即

Le=Le(θ),

(7)

MG=MG(θ).

(8)

假設(shè)電磁推力動(dòng)力臂長(zhǎng)度變化量呈正弦規(guī)律變化， 則有

Le(θ)=ΔLmaxsinθ+L0,

(9)

式中：L0為電磁推力作用點(diǎn)與轉(zhuǎn)軸之間的距離； ΔLmax為電磁推力動(dòng)力臂變化量的最大值， 一般為θ=45° 時(shí)的變化量.

聯(lián)立上式得

(10)

式(10)即為電磁脈沖協(xié)調(diào)器運(yùn)動(dòng)微分方程組， 顯然， 當(dāng)電磁脈沖協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后， 電流I是唯一可以調(diào)控的參數(shù).

(11)

假設(shè)脈沖電流的放電規(guī)律服從高斯分布[14-15]， 則有

(12)

式中：Imax為脈沖電流峰值；tImax為脈沖電流峰值位置；d為脈沖半寬度.

聯(lián)立式(11)和式(12)可知， 脈沖電流峰值越大， 脈沖電流峰值位置越靠前， 脈沖寬度越寬， 這都會(huì)引起協(xié)調(diào)器角速度的增大. 因此， 為了得到較為合適的協(xié)調(diào)器角速度變化規(guī)律， 就必須合理地控制Imax，tImax，d三者之間的關(guān)系.

3 計(jì)算分析

現(xiàn)以某型火炮為研究對(duì)象， 已知協(xié)調(diào)器重力

轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律如圖 3 所示. 由式(2)可知， 磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個(gè)與距離相關(guān)的函數(shù)， 按照設(shè)計(jì)初衷， 期望獲得兩端較大， 中間較小的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律， 并且兩端磁感應(yīng)強(qiáng)度不同， 表現(xiàn)為一端大一端小的形式. 電磁脈沖協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1 所示. 協(xié)調(diào)器電磁推力動(dòng)力臂變化規(guī)律如圖 3 所示.

表 1 電磁脈沖協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖 3 電磁脈沖協(xié)調(diào)器性能參數(shù)變化曲線Fig.3 Change curve of performance parameters

本文采用MAXWELL電磁有限元仿真軟件建立二維仿真模型如圖 4 所示， 對(duì)兩磁鐵靜態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真， 得出磁密分布圖如圖 5 所示. 根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 對(duì)MAXWELL仿真出的磁密分布圖進(jìn)行修正： 截取兩磁鐵中間段的波形圖， 得到電磁脈沖協(xié)調(diào)器磁感應(yīng)強(qiáng)度隨推桿位移變化規(guī)律如圖 6 所示.

圖 4 電磁脈沖協(xié)調(diào)器二維有限元模型Fig.4 Two dimensional finite element model

圖 5 磁密分布曲線圖Fig.5 Distribution curve of flux density

圖 6 磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.6 Change curve of magnetic induction

由圖 6 可以看出， 隨著推桿位移的增加， 磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)出先降后增的趨勢(shì)， 符合擬定的設(shè)計(jì)要求.

由式(11)和式(12)可知， 脈沖電流的峰值Imax， 脈沖電流峰值的位置tImax， 以及脈沖半寬度d對(duì)協(xié)調(diào)器運(yùn)動(dòng)特性有著重要的影響， 本文利用Simulink搭建電磁脈沖協(xié)調(diào)器動(dòng)力學(xué)模型分別對(duì)脈沖電流3個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行仿真分析， 動(dòng)力學(xué)模型如圖 7 所示， 仿真結(jié)果如圖 8～圖 10 所示.

圖 8 脈沖電流峰值不同時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性Fig.8 Movement characteristics of different pulse current peaks

圖 9 脈沖電流峰值位置不同時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性Fig.9 Movement characteristics of different pulse current peaks location

由圖 8～圖 10 可知， 脈沖電流參數(shù)對(duì)協(xié)調(diào)器運(yùn)動(dòng)特性的影響比較敏感. 脈沖電流峰值越大， 角速度越大， 在協(xié)調(diào)到位時(shí)， 容易造成較大的沖擊， 相反， 脈沖電流峰值越小， 則容易造成協(xié)調(diào)不到位； 脈沖電流峰值的位置代表了脈沖激勵(lì)的時(shí)間點(diǎn)， 脈沖激勵(lì)越早， 角速度越大， 其最大值也越靠前， 協(xié)調(diào)到位時(shí)沖擊越大， 這是由于推桿運(yùn)動(dòng)前期， 線圈靠近下方磁鐵， 對(duì)下方磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度較為敏感， 因此當(dāng)脈沖激勵(lì)過(guò)早時(shí)， 推力增長(zhǎng)提前， 角速度增大； 脈沖半寬度代表了脈沖激勵(lì)的持續(xù)時(shí)間， 顯然， 脈沖激勵(lì)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)， 角速度越大.

圖 10 脈沖半寬度不同時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性Fig.10 Movement characteristics of different pulse width fwhm

因此， 在不同射角下進(jìn)行輸彈需要綜合考慮脈沖電流的參數(shù)進(jìn)行電流控制， 以期望獲得最佳的協(xié)調(diào)器運(yùn)作狀態(tài). 由電磁脈沖協(xié)調(diào)器的工作原理和彈藥協(xié)調(diào)器的運(yùn)動(dòng)特性可知， 脈沖電流的放電形式大致可分為兩類， 一類是在協(xié)調(diào)器運(yùn)行初期施加一個(gè)高峰值窄波脈沖， 一類是在協(xié)調(diào)器運(yùn)行中期施加一個(gè)較低峰值寬波脈沖. 在極限射角下， 兩種脈沖放電形式對(duì)協(xié)調(diào)器角速度的影響如圖 11 和圖 12 所示.

圖 11 初期窄波脈沖電流對(duì)角速度的影響Fig.11 Effect of initial narrow pulse current on angular velocity

比較圖 11 和圖 12 可知， 在初期施加窄波脈沖電流的角速度峰值較大， 原因是初期推桿位移較小， 通電線圈處于磁場(chǎng)強(qiáng)度較大的區(qū)域內(nèi)， 當(dāng)線圈內(nèi)電流較大時(shí)， 電磁力更大， 電流對(duì)磁場(chǎng)的利用更有效， 協(xié)調(diào)器角速度在電磁驅(qū)動(dòng)段增長(zhǎng)更快， 且協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)到位的時(shí)間較短； 在中期施加寬波脈沖電流的角速度峰值較小， 原因是這一時(shí)期線圈內(nèi)電流持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)， 電流對(duì)磁場(chǎng)的利用時(shí)間更長(zhǎng)， 由于這一時(shí)期磁場(chǎng)強(qiáng)度較小， 協(xié)調(diào)器角速度增長(zhǎng)和下降均較為平緩， 同時(shí)， 協(xié)調(diào)器運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng).

圖 12 中期寬波脈沖電流對(duì)角速度的影響Fig.12 Effect of interim wide pulse current on angular velocity

圖 13 為不同脈沖電流對(duì)電磁推力的影響， 由圖可知， 初期窄波脈沖電流產(chǎn)生的電磁推力較大， 持續(xù)時(shí)間較短， 推力變化較大， 協(xié)調(diào)器運(yùn)行波動(dòng)較大； 中期寬波脈沖電流產(chǎn)生的電磁推力較小， 但持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)， 推力變化相對(duì)較小， 協(xié)調(diào)器運(yùn)行較為平穩(wěn). 從火炮磁后坐發(fā)電機(jī)角度考慮， 窄波脈沖電流更為有利， 原因是與寬波脈沖電流相比， 窄波脈沖電流更接近儲(chǔ)能電容的放電規(guī)律， 外電路對(duì)電流的控制較少， 電路損耗較少； 從電磁脈沖協(xié)調(diào)器的角度考慮， 寬波脈沖電流更為有利， 原因是寬波脈沖電流產(chǎn)生的電磁推力相對(duì)較為平穩(wěn)， 不容易引起協(xié)調(diào)器產(chǎn)生較大的振動(dòng).

圖 13 不同脈沖電流對(duì)電磁推力的影響Fig.13 Effect of different pulse current on electromagnetic thrust

4 結(jié) 論

本文提出了一種新型電磁脈沖協(xié)調(diào)器方案， 通過(guò)建立電磁脈沖協(xié)調(diào)器動(dòng)力學(xué)模型， 以某型火炮為研究對(duì)象進(jìn)行分析， 并提出了脈沖電流的放電規(guī)律方案， 得出了以下結(jié)論：

1) 與傳統(tǒng)協(xié)調(diào)器相比， 電磁脈沖協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 推力密度較大；

2) 電磁脈沖協(xié)調(diào)器能源為脈沖源， 具有與火炮磁后坐發(fā)電機(jī)結(jié)合應(yīng)用的前景優(yōu)勢(shì)；

3) 與傳統(tǒng)永磁直線電機(jī)相比， 電磁脈沖協(xié)調(diào)器利用永磁鐵兩端布置的方式克服了運(yùn)行后期由于電流減小帶來(lái)的推力不足的問(wèn)題；

4) 脈沖電流參數(shù)對(duì)協(xié)調(diào)器運(yùn)行狀態(tài)影響較為敏感. 在協(xié)調(diào)器運(yùn)行初期施加窄波脈沖電流比在中期施加寬波脈沖電流更為有效， 缺點(diǎn)在于協(xié)調(diào)器振動(dòng)較大. 在中期施加寬波脈沖電流雖然消耗較大， 但協(xié)調(diào)器運(yùn)行較為平穩(wěn).