自動機兩棲工作環境下的運動參數測試分析*

魯 剛,何云峰,王昌明,包建東

(南京理工大學機械工程學院,江蘇南京 210094)

水下輕武器在國外是一個研究的熱點,俄羅斯、美國、德國、英國等許多國家已經研制出相關裝備.兩棲輕武器是最近幾年才公開報道的裝備,目前,俄羅斯的ASM-DT突擊步槍是世界上唯一的一支兩棲突擊步槍[1].我國海岸線漫長,領海面積巨大,爭議區域較多,且隨著經濟不斷發展,對海洋資源和經濟航道的依賴越來越強.如何有效保護海洋資源、有效保護經濟航道、維護領海主權等問題都急需解決,同時也面臨著前所未有的挑戰.因此,適用于陸上和水下兩種工作環境的輕武器研究具有重大意義.以前自動機參數的研究多針對于陸上,如文獻[2-7]就針對陸上自動機的測試技術及虛擬測試技術進行了相關研究,對于水下自動機參數的研究也是近10年才展開,但是對于具有兩棲要求的自動機則研究非常少,本文就是針對兩棲工作環境下自動機的運動參數進行研究,并得出相應結論,為兩棲武器的研究提供參考.

1 自動機運動規律測試系統設計

自動機運動諸元的測定,在自動武器的試驗研究中是非常重要的.分析測得的運動曲線,可以判斷自動機的運動是否平穩,能量的分配是否恰當,由各構件相互間的撞擊引起的速度變化是否合理,還可以用來判斷武器故障的原因.

自動機運動變化是十分劇烈的,速度一般在0～20 m/s之內.在自由行程階段,1～2ms內自動機的速度會由靜止急劇上升.后坐時,在走完自由行程和開鎖行程后,速度可達到10 m/s左右;在運動過程中,由于撞擊會引起速度的突變,在自動機的復進階段,速度的變化會稍稍平穩.要真實反映自動機的運動規律,自動機運動測量系統應具有較寬的平坦的頻率響應,大約是在從每秒幾赫茲到每秒幾千赫茲的范圍內.

在進行自動機運動規律的研究時,不僅要測量某些點的速度或某一段的平均速度,而且要獲得全過程的速度變化情況.本文利用感應測速原理,采用非電量的電測技術來達到這一要求.自動機運動規律分析系統是由永磁式感應測速傳感器、放大器、智能瞬態波形記錄分析儀和工業控制計算機組成.分析系統的框圖如圖1所示[8-10].

圖1 自動機分析系統框圖Fig.1 The diagram of au tom atic mechan isms parameter analyse system

分析系統中,永磁式感應測速傳感器是通過電磁感應原理把自動機的運動速度變換成與其成一定比例關系的電動勢.由于傳感器的輸出信號較微弱(實際測量時速度信號需要放大200倍左右,位移信號需要放大400倍左右),其后接入放大器.通過放大器,將傳感器傳輸過來的信號進行調理并送入后續數據采集系統.放大器的輸人電阻可達到幾十千歐以上,可明顯改善整個系統的動態特性.在放大器中有濾波器,可以削弱干擾信號對有用信號的影響.在測試時,由于自動機速度在火藥作用的瞬間速度很大,所以放大器的響應頻率一定要有足夠大,否則,將不能精確地把輸入信號傳輸給瞬態波形記錄分析儀,使所得到的曲線不能真實反映自動機的運動情況.

圖2 自制的永磁式感應測速傳感器Fig.2 The magnetic induction velocity sensor

與陸上環境不同,當在水環境中測試時,能否獲得成功在很大程度上決定于傳感器性能的優劣.在制作永磁式感應測速傳感器時,絕緣和屏蔽問題是非常重要的,由于測量過程中是將非電量信號轉換成可測量的電量信號,系統絕緣不好就會引入干擾信號,降低被測信號的信噪比,在分析處理數據時,就會遇到諸多不便.因此,在繞制傳感器時,需要采取相應的密封絕緣和屏蔽措施.

在自動機的運動過程,由于磁頭件在傳感器兩線圈軸線位置運動時,除了水平方向上的運動外,不可避免地會在垂直方向有微小的跳動(在水環境中,由于水的阻力會使這一現象更為明顯),這就會改變永久磁鐵和鐵芯的間距,從而使磁感應強度發生變化.在只有一個速度線圈時,由于磁感應強度的變化將使感應電動勢和速度之間的比例系數發生變化,從而破壞了感應電動勢和速度之間的正比關系,引人測量誤差.在此進行改進,采用兩個速度線圈串聯的方法,減小了自動機上下跳動時對感應電動勢的影響,使得感應電動勢和速度之間的正比關系保持不變.測試實物圖如圖2所示.

2 自動機參數分析軟件

編制的自動機各運動參數分析處理軟件前面板如圖3所示,部分源代碼如圖4所示.

圖3 自動機各運動參數分析處理軟件前面板Fig.3 The fron t in terface of au tom atic mechan isms param eter analyse soft

圖4 自動機各運動參數分析處理軟件的后面板Fig.4 The rear inter face of automaticm echanisms parameter analyse sof t

把測試時得到的每組試驗數據分別調入該軟件,就可以對數據進行相應的算法處理計算,可以直接得到靈敏度,同時將所測得的電動勢曲線轉換成速度-時間、位移-時間曲線,從而可以直接對自動機的運動速度、位移進行分析,并進行相應的計算.

3 自動機運動數據結果分析

3.1 陸上自動機運動規律

此次進行試驗所用的器材為輕武器,此項試驗是為了獲得其自動機各機構在陸上射擊時的參數.圖5是單發發射時的一條典型自動機運動規律曲線,可通過運動曲線圖判讀出自動機在某點某段的能量變化情況.

進行了多次試驗后,從中取3發試驗數據進行分析,試驗數據見表1.

表1 陸上自動機速度數據Tab.1 The data of autom atic mechan isms velocity in air

圖5 陸上自動機的運動規律曲線Fig.5 The curve of autom atic mechan ismsmovement in air

3.2 水下自動機運動規律

該試驗不僅要在陸上進行,也要在水下進行試驗,本次試驗進行了水深75 cm處的試驗.圖6是水下單發發射時的一條典型自動機運動規律曲線,可通過運動曲線圖判讀出自動機在某點某段的能量變化情況.

進行了多次試驗后,從中取3發試驗數據進行分析,試驗數據見表2.

表2 水深0.75m自動機速度數據Tab.2 The data of automaticmechanisms velocity underw ater 0.75m

圖6 水下自動機的運動規律曲線Fig.6 The curve of automaticm echanismsmovement underwater

3.3 試驗結果分析

利用分析系統測得大量試驗數據后,對試驗數據進行分析,得出的結論能較好地解釋試驗現象.試驗證實,分析系統穩定、可靠,且在進行水下試驗時可以不受水介質的影響,能滿足水陸兩用速度測量的特殊要求.

經過對比自動機在陸上及水下運動時的試驗曲線,可以看出:

1)自動機在水下運動時的速度低于在陸上運動時的速度,在復進階段最明顯,陸上復進階段最大速度比在水中的速度大,陸上為水中的2倍左右.

2)自動機在水下運動時,運動比較平穩,在整個運動過程中沒有明顯的速度突變點,而在空氣中會產生明顯地波動.

3)自動機水下運動時,由于水阻力的影響,自動機不易后坐到位,這同時表明,水阻力對自動機的運動速度有很大的影響.

4)由于采用的是感應式的測試原理,對于位移是利用線圈繞制時的固有節距來獲取的,利用得到的位移量結合采樣頻率換算得到了運動速度,從得到的數據看,在陸上的后坐和復進總時間與水中相差不大.

5)在水下運動的自動機由于水的緩沖作用,到位撞擊現象不明顯.

在自動機后坐時,后坐速度越大,損失的能量也越多,單純地從提高自動機后坐初始速度是不能解決自動機后坐全行程的能量問題的.

4 結 論

本文介紹了自動機運動規律的分析方法、分析系統組成和分析軟件,并對陸上及水下75 cm水深處自動機的運動性能進行了深入研究,根據試驗曲線和獲得的實際試驗數據,分析了自動機在陸上及水下運動時所受的影響和差異.得到自動機在陸上的后坐及復進總時間與在水中的相差不大,在水下運動的自動機由于水的緩沖作用,到位撞擊現象不明顯,單純提高自動機后坐初始速度無法有效解決自動機后坐能量問題等結論.為兩棲武器自動機的研究提供了有益的參考.

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