彈載設備旋轉高過載仿真試驗系統研究

王書宇，孫姍姍，楊釩

（1.陸軍軍官學院高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室，安徽合肥230031；2.陸軍軍官學院五系彈藥工程教研室，安徽合肥230031）

彈載設備旋轉高過載仿真試驗系統研究

王書宇1，2，孫姍姍2，楊釩1

（1.陸軍軍官學院高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室，安徽合肥230031；2.陸軍軍官學院五系彈藥工程教研室，安徽合肥230031）

為檢測彈載設備在炮彈發射瞬間高速旋轉引起的過載，設計并實現了一套旋轉過載試驗機。首先分析了彈載設備的受力情況，闡述了系統的原理與組成，重點討論了瞬時制動技術的設計與實現。該系統模擬了彈載設備承受的巨大徑向和切向慣性力，為檢測彈載設備的抗高過載提供了技術手段。

旋轉過載；瞬時制動；徑向慣性力；切向慣性力

信息化炮彈是一種利用身管火炮發射，用彈體搭載任務設備的新型彈種。其中彈載設備包括多個精密部件，在發射過程中，承受著瞬時、高能、強沖擊，最大過載可達到13 kg以上，如此惡劣的環境很容易造成部件的損壞[1]。為確保系統正常工作，在設計彈載設備時，必須進行抗高過載測試。

彈載設備在發射過程中主要承受了軸向、徑向和切向過載[2]。軸向過載是由于彈丸受到火藥氣體壓力造成的，可以通過跌落試驗或空氣炮等方法進行檢測。徑向和切向過載都是由于彈丸的瞬間高速旋轉造成的，合為旋轉過載，目前國內外只能利用緩慢加速的傳統離心試驗機對徑向過載進行單獨檢測，而無法對整個旋轉過載進行檢測，主要原因是沒有合適的技術手段為被測彈載設備提供巨大的切向加速度。

1 彈載設備受力分析

如圖1所示，彈載設備通過剛性支架固定在彈丸內部。在發射過程中，根據經典內彈道模型[3]，由于被動旋轉，彈載設備在膛內承受了巨大的徑向和切向慣性力。

圖1 彈載設備膛內受力分析圖

1.1 徑向慣性力

由于彈載設備與彈丸同時進行旋轉運動，因此，彈載設備將產生徑向加速度。在彈載設備的任一半徑r處，質量為m的彈載設備產生的徑向慣性力為Fr，則：

式中，ωn為彈丸旋轉角速度。

對于等齊膛線火炮[4]，則:

式中，η為火炮膛線纏度；R為彈丸半徑。

彈載設備所受徑向慣性力在彈載設備的外徑處最大：Frmax=，式中R1為彈載設備的外半徑。

1.2 切向慣性力

在彈丸發射過程中，彈丸旋轉將產生角加速度，并引起切向慣性力Ft，則：

彈載設備外表面處最大切向慣性力：

式中，pd為所受火藥氣體壓力。

2 系統原理與組成

2.1 原理

模擬彈丸的徑向過載，可以采用離心試驗機將彈丸加速到很高的旋轉速度。模擬彈丸的切向過載，需要提供給彈丸一個極大的切向加速度，采用普通動力裝置很難做到這一點。分析彈丸的受力狀態，可以采用反推法來近似地模擬，即令高速旋轉狀態下的彈丸瞬間停止。

根據能量守恒定律，如此大的動能如果僅靠機械摩擦力完成毫秒級的制動，會瞬間燒熔接觸面。國內有單位嘗試過采用航空剎片進行制動，效果不好。該系統中使用非接觸式的能耗制動、磁粉制動和氣液制動，將它們有機地聯合起來，實現遞進式的復合制動，實現了瞬間制動。

2.2 組成

系統主要由旋轉電機、智能控制器、制動設備和操作臺等組成，其中旋轉電機是彈載設備旋轉的動力源，通過變頻，不僅自由轉換不同的轉速，同時用它進行制動，結構上與主軸直連，最大限度地減小傳動損耗；智能控制器是系統的控制核心，接收操作命令及各傳感器數據，在內部對數據進行處理，輸出控制指令到各執行部件實現各種動作；制動設備由磁粉制動器和氣液制動器組成，采用離合器與主軸相連，與變頻制動共同作用，實現讓高速旋轉設備瞬間停止；操作臺由主控計算機、監測計算機和控制面板組成，主控計算機用于設置測試環境參數，如旋轉速度、加速度等。監測計算機用于監測旋轉部件運行狀況。控制面板用于發出各類控制指令，如開始、停止、啟動攝像機等。

2.3 工作過程

待測彈載設備通過夾具固定在旋轉主軸上，智能控制器接收操作臺發送過來的旋轉參數和開始指令，檢查防護罩沒有問題后，計算電機運行頻率，發給變頻器控制電機開始加速旋轉，智能控制器通過高速編碼器實時監測主軸轉速，直到達到預設的旋轉速度。收到制動指令后，電機通過變頻實現能耗制動，先把旋轉的速度逐步降下來，再配合磁粉制動器和氣液制動器，實現彈載設備的瞬間停止。整個控制過程實現閉環控制，所有采集數據通過智能控制器返傳到主控制計算機上進行顯示，并最終傳至數據記錄設備進行保存、打印。

3 瞬時制動技術的實現

瞬時制動過程中，旋轉各部件，尤其是剛性的連接構件，所受載荷不能超過設計極限。因此，三種制動方式不能同時啟動，而是依次作用，使得總體制動力呈近似線性上升，不至于出現峰值，造成設備損壞。

三種制動啟動順序如圖2所示，在0~T1內，進行能耗制動，從T1開始，進行磁粉制動，在T2開始，進行氣液制動，到T3時，制動力達到最大。

圖2 制動力隨時間變化示意圖

3.1 能耗制動[5]

變頻器在帶大位能負載高速下放時，從高速減至零速。在頻率下降過程中，電動機產生與轉速方向相反的大于負載的制動轉距，以保證負載在下降過程中減速。從能量角度分析，電動機處于發電狀態，動能轉化為電能，經逆變器反饋至直流母線，使直流母線電壓升高。此時變頻器會控制剎車單元通過剎車電阻把升高的電壓以熱能的方式消耗掉。為了使得系統平穩降速，需要設置適當的減速時間，同時選擇合適的制動電阻和制動單元。

3.2 磁粉制動

磁粉制動以高導磁粉體為工作媒介，以激磁電流變化為控制手段，達到控制傳遞，制動扭矩的目的。通過調節激磁電流就能方便的控制轉矩，且轉矩隨激磁電流呈良好的線性關系。采用非磁飽和型結構和合理的磁路設計，轉矩大、響應時間短、線性范圍寬、轉矩回差小，通過智能張力控制器等電控裝置，滿足瞬間的制動控制需要。

3.3 氣液制動

為了保證制動過程的安全，將氣囊式蓄能罐并聯到制動裝置中，由氣體彈性貯能和高壓流體阻尼來實現能量的瞬間吸收，既能保證減小沖擊，又能制動效果明顯。在實現過程中由電磁離合器實現同步分離，安全閥完成高壓泄放與能量轉換。此裝置很好地實現復合的制動方式，保證安全可靠。

4 結束語

使用旋轉過載試驗機對某型信息化炮彈上的一塊數據處理電路板進行徑向和切向過載檢測。通過圖3和圖4的比較不難看出，檢測后的電路板上部分元件存在脫落、變形現象，表明這些元件需要采取額外的加固措施。該試驗證明了試驗機的有效性。

圖3 彈載設備檢測前

圖4 彈載設備檢測后

根據理論分析和試驗結果，旋轉過載試驗機能夠完成對彈載設備的徑向和切向高過載測試任務，為研發新型信息化炮彈提供檢測手段。同時，該試驗機還可以用于檢測其他武器系統上高速旋轉部件的過載狀況。

[1]錢立志.彈載任務設備抗高過載方法研究[J].兵工學報，200，35（6）：156-160.

[2]馮勇，徐振欽，趙崗．某火炮彈丸發射強度仿真分析[J]．系統仿真學報，2008（6）：1441-1443．

[3]金志明．槍炮內彈道學[M]．北京：北京理工大學出版社2004．

[4]華恭，歐林爾．彈丸作用和設計理論[M]．北京：國防工業出版社，1975．

[5]王云飛，楊耕.通用變頻器-感應電機系統的電機耗能型制動控制方法[J]．電工技術學報，2006，（1）：200-208

Research on Simulation Test System of Rotating High Overload of Missile Borne Equipment

WANG Shu-yu1，2，SUN Shan-shan2，YANG Fan1
（1.Army Officer Academy High Overload Ammunition Guidance and Control and Information Perception Laboratory，Hefei Anhui 230031，China；2.Department of Ammunition Engineering，Five Department of Military Academy of Military Academy，Hefei Anhui 230031，China）

In order to detect the overload caused by the high-speed rotation of projectile-loaded equipment at the launch of the projectile，a set of rotating overload test machine is designed and implemented. This paper firstly analyzes the force situation of the projectile -loaded equipment，expounds the principle and composition of the system，and emphatically discusses the design and realization of the instantaneous braking technology. The system simulates the huge radial and tangential inertia force of the projectile -loaded equipment，which provides the technical means for the detection of the anti high overload of projectile-loaded equipment.

rotating overload；instantaneous braking；radial inertia force；tangential inertia force

T H871

A

1672-545X（2016）09-0023-03

2016-06-06

王書宇（1979-），男，安微合肥人，博士，講師，研究方向：武器裝備、仿真技術。