常亞，郭保全，丁寧，黃通，潘玉田

(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) 火炮技術(shù)研究中心,山西 太原 030051；3.火箭軍工程大學(xué) 兵器發(fā)射理論與技術(shù)軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710025)

制退機(jī)作為火炮系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在射擊時(shí)為平緩后坐阻力、減小后坐阻力峰值、提高火炮的射擊精度提供重要保障，對(duì)火炮射擊穩(wěn)定性起到重要的作用[1]。為了滿足未來戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)現(xiàn)代火炮高威力、高機(jī)動(dòng)以及火力持續(xù)作戰(zhàn)能力的要求，新型制退機(jī)作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)受到相關(guān)研究學(xué)者廣泛關(guān)注[2-3]。

傳統(tǒng)制退機(jī)是利用液體流過流液孔時(shí)的阻尼所產(chǎn)生壓力差來形成液壓阻力[4]，為了實(shí)現(xiàn)理想的后坐阻力規(guī)律，學(xué)者們針對(duì)流液孔面積的變化規(guī)律進(jìn)行了大量多方面的分析和優(yōu)化研究，取得了令人矚目的成果，但基于FORC控制技術(shù)的液體氣壓式制退機(jī)仍然存在著質(zhì)量大、磨損嚴(yán)重等不可忽視的限制[5]。

電磁阻尼器(Electromagnetic Damper)是一種利用導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受到安培力作用從而產(chǎn)生阻尼力的非接觸耗能式阻尼器，與傳統(tǒng)的黏彈性阻尼器相比，能夠較好地規(guī)避摩擦損耗帶來的不良影響，同時(shí)具有清潔環(huán)保、節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、阻尼可調(diào)、噪聲小、系統(tǒng)壽命長(zhǎng)、工作原理簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。文獻(xiàn)[8]研究了在強(qiáng)沖擊載荷下永磁式電渦流阻尼器阻力特性的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[9]論述了國(guó)內(nèi)外電磁阻尼器和直線發(fā)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在火炮上應(yīng)用的主要問題，并提出了解決方案和應(yīng)用前景，分析認(rèn)為，電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在火炮上應(yīng)用已具備了較好的基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[10]探究了火炮電磁制退機(jī)對(duì)火炮復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)的影響；文獻(xiàn)[11]則參考傳統(tǒng)電磁阻尼器原理，提出了一種將制退機(jī)、復(fù)進(jìn)機(jī)與復(fù)進(jìn)節(jié)制器耦合集成的新型電磁反后坐裝置；文獻(xiàn)[12]基于單自由度系統(tǒng)振動(dòng)模型，建立了沖擊載荷作用下電磁阻尼器阻尼響應(yīng)模型，分析了沖擊載荷作用下電磁阻尼器動(dòng)力學(xué)特性以及載荷匹配系數(shù)和衰減系數(shù)對(duì)電磁阻尼器阻尼輸出特性的影響。

目前，電磁阻尼器主要廣泛應(yīng)用于中低速領(lǐng)域，在高沖擊載荷作用下高速環(huán)境中的研究還很薄弱。筆者為了探究筒型電磁阻尼器在高沖擊載荷作用下的制動(dòng)效果，以某發(fā)射載荷為激勵(lì)，基于ANSYS Maxwell電磁學(xué)有限元軟件建立了一種筒型電磁阻尼器二維數(shù)值仿真模型，對(duì)其阻尼輸出特性和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析研究，得到了導(dǎo)磁筒厚度、導(dǎo)電筒厚度、氣隙寬度以及磁靴厚度等參數(shù)對(duì)阻尼輸出特性和動(dòng)力學(xué)特性的影響，研究結(jié)果可為新型電磁制退機(jī)的工程實(shí)踐及應(yīng)用提供了重要的參考。

1 數(shù)值模型

筒型電磁阻尼器采用筒型夾層式結(jié)構(gòu)，定子由內(nèi)外導(dǎo)電筒和導(dǎo)磁筒組成，動(dòng)子由永磁體和磁靴組成構(gòu)成，其局部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。雙筒型電磁阻尼器為被動(dòng)式阻尼器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。

永磁體作為激勵(lì)源，為筒型電磁阻尼器提供足夠大的磁場(chǎng)強(qiáng)度；為了最優(yōu)化利用永磁體的性能，使用磁靴和導(dǎo)磁筒來使磁感線更為密集地穿過導(dǎo)電筒以此來產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流。當(dāng)電磁阻尼器的定子與動(dòng)子發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，由于內(nèi)外導(dǎo)電筒切割磁感線而在內(nèi)外筒壁上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而產(chǎn)生渦流，渦流與磁鐵磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用力，即電磁阻尼力，最后，產(chǎn)生的渦流以熱能的形式耗散掉。根據(jù)具體需求，可以分別調(diào)整磁鐵陣列中磁鐵個(gè)數(shù)、筒壁尺寸以及氣隙等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)理想的阻尼輸出特性和動(dòng)力學(xué)特性。

建模選用低頻電磁場(chǎng)有限元軟件ANSYS Maxwell.由于其結(jié)構(gòu)為多個(gè)旋轉(zhuǎn)體所組成，為保證計(jì)算精度與運(yùn)算速度，在Maxwell 2D 運(yùn)算模塊下，基于其瞬態(tài)場(chǎng)(Transient)利用cylindrical aboutz坐標(biāo)系建立模型。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，針對(duì)筒型電磁阻尼器運(yùn)行特性，做出以下假設(shè)：

1)忽略空氣阻力；

2)假設(shè)磁鐵組為光滑圓柱結(jié)構(gòu)，忽略其偏心；

3)假設(shè)材料磁導(dǎo)率與電導(dǎo)率在溫度小幅度變化時(shí)保持不變。

基于上述假設(shè)條件，建立筒型電磁阻尼器二維有限元分析模型。在建立模型時(shí)，利用Piecewise Linear(PWL)函數(shù)將某發(fā)射載荷施加在模型上，導(dǎo)入瞬態(tài)場(chǎng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型中；為了使計(jì)算結(jié)果更為貼合實(shí)際，采用氣球邊界條件(Balloon Boundary)來進(jìn)行散磁和較遠(yuǎn)磁場(chǎng)處的處置計(jì)算。在繪制完模型并給出激勵(lì)源和邊界條件后，開始進(jìn)行網(wǎng)格剖分的設(shè)置。由于瞬態(tài)場(chǎng)的自適應(yīng)網(wǎng)格質(zhì)量較差，故使用軟件所特有的網(wǎng)格剖分工具。基于需要考慮模型的集膚效應(yīng)，內(nèi)外導(dǎo)電筒采用On Selection剖分設(shè)置中的Skin Based Refinement,其他部分采用基于內(nèi)部網(wǎng)格剖分設(shè)置，模型各部分具體參數(shù)如表1所示。

表1 模型各部分參數(shù)

模型網(wǎng)格總數(shù)目為318 323個(gè)，劃分網(wǎng)格后的局部模型如圖2所示。

2 數(shù)值分析

以某型火炮為研究對(duì)象設(shè)計(jì)出一種電磁阻尼器并進(jìn)行仿真運(yùn)算。電磁阻尼器與傳統(tǒng)制退裝置后坐速度、后坐位移對(duì)比如圖3、4所示，在后坐過程中，動(dòng)力學(xué)特性曲線基本沒有發(fā)生變化，說明電磁阻尼器可以滿足此裝置后坐運(yùn)動(dòng)過程中的制動(dòng)要求。圖5為高沖擊載荷作用下發(fā)射裝置的各阻尼特性曲線，總電磁阻尼力由內(nèi)外導(dǎo)電筒和導(dǎo)磁筒提供，而前者占據(jù)了主導(dǎo)部分，后者產(chǎn)生的電磁阻尼力幾乎可忽略不計(jì)。內(nèi)外導(dǎo)磁筒的主要作用為引導(dǎo)磁感線穿過導(dǎo)電筒，減少氣隙漏磁，增加導(dǎo)體的磁密；內(nèi)外導(dǎo)電筒通過定子與動(dòng)子相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生渦流，進(jìn)而產(chǎn)生巨大的阻尼力，由于外導(dǎo)電筒勵(lì)磁面積為內(nèi)筒5.52倍，故外導(dǎo)電筒提供的阻尼力也大于內(nèi)導(dǎo)電筒，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中前者所做的功為后者的1.77倍。電磁阻尼器阻尼力初始時(shí)接近線性增加，增加速度劇烈，之后由于去磁效應(yīng)和集膚效應(yīng)的共同影響，電磁阻尼力到達(dá)峰值后又下降，最后緩慢下降直至為0.

3 參數(shù)影響分析

為了進(jìn)一步探究筒型電磁阻尼器在高沖擊載荷環(huán)境中的運(yùn)行情況，在其結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，分別探究以下參數(shù)對(duì)阻尼輸出特性與動(dòng)力學(xué)特性的影響。

3.1 導(dǎo)磁筒厚度

內(nèi)、外導(dǎo)磁筒使用高導(dǎo)磁軟磁體材料，由于其優(yōu)異的導(dǎo)磁特性，可以集聚附近的磁場(chǎng)，也就是使附近磁場(chǎng)扭曲變形，其他地方的磁場(chǎng)變稀疏，從而大大提高了氣隙處的磁通密度。圖6為有無內(nèi)導(dǎo)磁筒存在時(shí)內(nèi)導(dǎo)電筒產(chǎn)生電磁力曲線圖，圖7為有無外導(dǎo)磁筒存在時(shí)外導(dǎo)電筒產(chǎn)生電磁力曲線圖。

從圖6、7可以看出，電磁阻尼器有導(dǎo)磁筒時(shí)導(dǎo)電筒產(chǎn)生的電磁阻尼力明顯大于無導(dǎo)磁筒時(shí)導(dǎo)電筒產(chǎn)生的電磁阻尼力。內(nèi)導(dǎo)磁筒存在時(shí)內(nèi)導(dǎo)電筒產(chǎn)生的電磁阻尼力所做的功是其不存在時(shí)的6.57倍；外導(dǎo)磁筒存在時(shí)外導(dǎo)電筒產(chǎn)生的電磁阻尼力所做的功是其不存在時(shí)的4.6倍。

圖8、9分別為內(nèi)、外導(dǎo)磁筒厚度發(fā)生變化時(shí)，電磁阻尼力的變化情況。從圖中可以看出，隨著導(dǎo)磁筒厚度的增加，阻尼特性曲線呈現(xiàn)基本不變的態(tài)勢(shì)。這是由于磁靴厚度一定，使自身達(dá)到了磁通飽和狀態(tài)，導(dǎo)磁筒的存在只是使產(chǎn)生電磁阻尼力所需的永磁體有效利用磁力線最大化，起到充分導(dǎo)磁作用，自身并沒有達(dá)到磁飽和狀態(tài)。即

(1)

式中：Φ為穿過導(dǎo)電筒的磁通量；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；S為磁通量穿過的曲面面積；θ為磁感應(yīng)強(qiáng)度與曲面法向的夾角。

因而在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和滿足工作要求的前提下，可以盡可能地輕化導(dǎo)磁筒，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高機(jī)動(dòng)性。

3.2 導(dǎo)電筒厚度

圖10、11分別為內(nèi)、外導(dǎo)電筒厚度發(fā)生變化時(shí)的阻力特性曲線圖。

從圖10、11中可以看出，在整個(gè)導(dǎo)電筒厚度參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，阻尼力峰值增量逐漸減小并趨于不變，并只有在內(nèi)外導(dǎo)電筒厚度在0.7 mm時(shí)才能滿足工作要求；外導(dǎo)電筒厚度在1.0 mm時(shí)，雖然制動(dòng)效果良好，但由于其沒有達(dá)到規(guī)定的運(yùn)動(dòng)距離故不能滿足工作要求。當(dāng)內(nèi)、外導(dǎo)電筒厚度分別在0.1～0.7 mm變化時(shí)，由于銅層區(qū)域太薄，難以產(chǎn)生足夠大的電渦流，故不能使阻尼器在規(guī)定運(yùn)動(dòng)距離范圍之內(nèi)停止；當(dāng)內(nèi)導(dǎo)電筒厚度由0.7 mm變化至1.6 mm，外導(dǎo)電筒厚度由1.0 mm變化至1.6 mm時(shí)，由于產(chǎn)生的阻尼力不足，致使運(yùn)動(dòng)距離超過設(shè)定的最大后坐位移距離，阻力值突然出現(xiàn)斷層，不能起到預(yù)期的制動(dòng)效果。隨著內(nèi)、外導(dǎo)電筒厚度的增加，產(chǎn)生電渦流的區(qū)域逐漸增大，但也導(dǎo)致了磁路的磁阻增大，總磁通守恒，漏磁變大，降低了導(dǎo)電筒的磁感應(yīng)強(qiáng)度；另一方面，導(dǎo)磁筒的存在使磁路增加，令磁感線穿過銅層會(huì)產(chǎn)生一個(gè)越來越大的角度，降低磁感線的利用率并減弱了渦流的產(chǎn)生。

3.3 氣隙寬度

圖12、13分別給出了內(nèi)外氣隙寬度發(fā)生變化時(shí)，電磁阻尼器阻尼力隨制動(dòng)距離的變化情況。

當(dāng)內(nèi)氣隙寬度在1.3～1.8 mm變化，外氣隙寬度在1.8～2.3 mm變化時(shí)，電磁阻尼器的運(yùn)動(dòng)位移和運(yùn)行時(shí)間未達(dá)到預(yù)期狀態(tài)，在炮膛合力一定時(shí)，過早的制動(dòng)必然引起后坐力增大，使火炮的射擊穩(wěn)定性變差，火炮架體受力增大，因而不能滿足工作要求。當(dāng)內(nèi)、外氣隙寬度分別為2.3 mm和2.8 mm時(shí)，電磁阻尼器可以在預(yù)期的位置停止，此時(shí)阻尼器具有良好的制動(dòng)效果。當(dāng)內(nèi)氣隙寬度由2.3 mm變化至3.8 mm，外氣隙寬度由2.8 mm變化至4.3 mm時(shí)，電磁阻尼力峰值增量開始逐漸減小至基本不變，并且由于提供的阻尼力不足，致使運(yùn)動(dòng)距離超過設(shè)定的最大后坐位移距離，阻尼力突然變化為0.隨著氣隙寬度的繼續(xù)增加，永磁體提供的磁場(chǎng)強(qiáng)度越來越弱，因而產(chǎn)生的阻尼力也越來越低，故更加不能滿足工作要求。由于受工作環(huán)境的影響，停不下來與過早的制動(dòng)都不符合工作要求，從這一角度來講，對(duì)阻尼器各參數(shù)的精度應(yīng)該嚴(yán)格要求。

3.4 磁靴厚度

圖14為磁靴厚度發(fā)生變化時(shí)，電磁阻尼器阻力特性曲線。磁靴厚度為4 mm時(shí)，通過的磁通量達(dá)到自身磁飽和，故產(chǎn)生的電磁阻尼力不足，使運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)行位移超過了所設(shè)定的最大距離，阻尼力突變?yōu)?，出現(xiàn)斷層；磁靴厚度在16～40 mm時(shí)，阻尼器提供的電磁力剩余，使其過早的停止運(yùn)動(dòng)，沒有達(dá)到理想的后坐距離。

隨著磁靴厚度的增加，阻尼力峰值不斷增大且呈現(xiàn)出“滯后”趨勢(shì)，但其增長(zhǎng)率逐漸減??；增大磁靴厚度至16 mm之后，在阻尼器運(yùn)行距離150 mm左右至運(yùn)動(dòng)結(jié)束之際，阻尼力呈現(xiàn)基本不變的趨勢(shì)。分析可知，隨著磁靴厚度的增加，磁路相應(yīng)的增大，在每次阻尼器運(yùn)行過程中，導(dǎo)電筒產(chǎn)生渦流的時(shí)間也稍微后移，故而出現(xiàn)了峰值“滯后”現(xiàn)象；另一方面，永磁體總磁勢(shì)不變，磁路橫截面積增大，磁阻減小，磁通量增大，阻尼力增大的同時(shí)其增量逐漸減小。當(dāng)磁靴厚度繼續(xù)增大時(shí)，一方面其內(nèi)部的磁疇越多，能夠儲(chǔ)存的磁能越多，達(dá)到飽和磁化后，由于磁化效應(yīng)，也會(huì)產(chǎn)生剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度；另一方面磁通密度也會(huì)相應(yīng)下降，阻尼力增量出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。綜合考慮結(jié)構(gòu)的合理性與永磁體磁能的利用率，選取適當(dāng)?shù)拇叛ズ穸取?/p>

4 結(jié)論

筆者對(duì)雙筒型電磁阻尼器內(nèi)外導(dǎo)磁筒、導(dǎo)電筒、氣隙寬度以及磁靴厚度進(jìn)行了變參數(shù)數(shù)值仿真分析，研究了在高載荷沖擊下電磁阻尼器的阻力特性。研究結(jié)果表明：

1)雙筒型電磁阻尼器的阻尼力主要由內(nèi)、外導(dǎo)電筒提供，外導(dǎo)電筒占據(jù)主導(dǎo)部分。

2)內(nèi)、外導(dǎo)磁筒厚度在一定范圍內(nèi)不會(huì)對(duì)阻尼力產(chǎn)生影響，故在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和滿足工作要求的前提下，應(yīng)盡可能地輕化導(dǎo)磁筒，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

3)內(nèi)、外導(dǎo)電筒厚度過薄或過厚都不能滿足工作要求，銅層區(qū)域太厚，產(chǎn)生電渦流的區(qū)域增大，但也導(dǎo)致了磁路磁阻增大，并且使磁路增加，降低磁感線的利用率；銅層區(qū)域太薄，難以產(chǎn)生足夠大的電渦流。

4)在確保電磁阻尼器安全運(yùn)行的前提下，氣隙寬度越小所能提供的電磁阻尼力越大，進(jìn)而產(chǎn)生的峰值越大。