液壓伺服預緊的電磁發射軌道振動頻率和幅值特性研究

王振春， 楊德功， 張玉燕

(1.燕山大學 電氣工程學院， 河北 秦皇島 066004；2.燕山大學 工業計算機控制工程河北省重點實驗室， 河北 秦皇島 066004；3.燕山大學 測試計量技術及儀器河北省重點實驗室， 河北 秦皇島 066004)

0 引言

隨著世界各軍事大國對國防尖端武器的大力發展，近年來，電磁軌道炮憑借結構簡單、電樞出膛動能大、響應快和精確可控等優勢，成為國內外軍事裝備領域的研究熱點[1-5]。電磁軌道發射是以電能為動力源，在發射過程中將電能轉化為彈丸高速發射時所需的動能[6]。同時，彈丸內部的磁場分布特性受激勵電流、導軌電感梯度、彈丸運動速度等因素的影響，磁場分布較為復雜[7]，從而給電磁發射的研究帶來了諸多挑戰。當前與電磁發射理論相關的研究有很多：Lin等[8]研究了電磁軌道炮的多場耦合問題；Watt等[9]提出了在軌道表面出現的損傷(例如磨損和刨坑)都可以找到“觸發”缺陷；Chemerys[10]提出一種有關電磁軌道炮設計的新概念；張玉燕等[11]針對高速滑動電接觸過程中產生的磨損問題，利用有限元分析方法研究了高速載流電樞表面瞬態溫升與材料之間的關系。這些研究大多集中于電磁軌道炮發射原理和設計，而實際發射性能分析和損傷測試不多。對于機械結構損傷識別可以通過傳感技術實時監測結構的振動數據，以獲得結構不同階段的振動特性，從而達到損傷檢測的目的[12]。由于電磁沖擊力的存在，電磁軌道炮軌道在發射過程中會因軌道劇烈振動引起的材料疲勞而發生損傷，給電磁軌道發射性能帶來巨大制約[13]。因此，研究強電磁沖擊力下軌道損傷的檢測方法、降低電磁沖擊力對軌道的疲勞影響，對提高電磁軌道發射穩定性具有重要意義。

本文以電磁發射裝置為研究對象，在電磁發射機壓板上施加液壓伺服預緊力，用以降低電磁沖擊力對整個發射過程的影響，從而提高電磁軌道炮發射穩定性。液壓伺服預緊相對于其他預緊方案而言，其預緊力加載可以控制，也可簡單地釋放，從而可在最短的停機時間下重新更換炮管部件，進而提高發射效率。在電磁發射機不同位置安裝具有抗電磁干擾的壓電加速度傳感器，用以實時采集軌道的振動信號；應用虛擬儀器技術分析采集到的軌道振動信號，研究在電磁發射過程中外加預緊力與軌道振動特性變化之間的關系，進一步得出軌道損傷與振動頻率及幅值變化的聯系。

1 試驗方法和試驗方案

在研究電磁軌道發射過程中軌道的振動特性前，需要搭建一臺能夠真實模擬電磁軌道發射環境的試驗裝置。圖1為電磁發射的基本原理圖。由圖1可見，當電磁軌道發射裝置被通入高壓脈沖電源后，通電軌道、電樞與高壓脈沖電源形成閉合回路。根據電流的磁效應，通電的上、下兩個軌道周圍會產生電磁場，由安培定則可知磁場方向向里。當有大電流I通過電樞后，電樞將受到洛倫茲力作用而迅速向右滑出軌道。由上述電磁軌道發射的原理可知，在整個電磁發射過程中，軌道周圍存在著強磁場、大載流、電流趨膚及瞬態溫度場等復雜物理現象。同時，軌道中脈沖大電流產生的強脈沖電磁場會引發軌道的劇烈振動，給試驗帶來很大影響。

1.1 試驗裝置

根據電磁軌道發射原理，本文在總結前人研究結果的基礎上搭建如圖2所示的電磁軌道發射試驗裝置，用來真實模擬電磁發射的過程。考慮到軌道周圍存在的強電磁場會干擾軌道振動信號的提取，所選用的測振傳感器需要在有電磁干擾的環境下有效采集到軌道的瞬態振動信號。經過性能對比分析，選用美國Dytran公司產3200B型壓電加速度傳感器，該型傳感器具有響應速度快、測量精度高、測量范圍大等突出優點。試驗中，3個具有抗電磁干擾性能的壓電加速度傳感器被分別安裝在軌道接觸構件的3個不同位置，以準確采集軌道的振動信號。同時，為降低電磁沖擊力對試驗裝置軌道的影響，試驗中將一個可調節壓力大小的液壓伺服預緊裝置放置在發射裝置壓板上。

為了直觀反映測量結果，本文利用虛擬儀器軟件開發出一個能夠對采集到的實時軌道振動信號進行處理的上位機，上位機界面如圖3所示。上位機包含了振動信號顯示、頻譜分析模塊，并在濾波設置中將高頻噪音進行濾除，在試驗中可以在線觀測軌道振動信號的波形變化。實際試驗中的液壓伺服預緊裝置如圖4所示。

1.2 基于動態特性的軌道模型建立與分析

對于一個具有一定健康狀況的結構，每1階的振動頻率是一定的，當結構發生損傷時，結構的振動頻率會發生相應的變化，通過檢測結構振動頻率的變化可以定性結構損傷狀況。

一個具有N個自由度的結構，其無阻尼振動方程為

(1)

x=φsin(ωt)，

(2)

φ為模態向量，ω為角頻率。

將(2)式代入(1)式，相應的特征方程為

(K-ω2M)φ=0，

(3)

式中：φ為非零解，并且必須滿足系數矩陣行列式為0，即

det(K-ω2M)=0，

(4)

設λ=ω2,則

det(K-λM)=0.

(5)

(5)式左邊是關于λ的多項式，λ的一組特征值表示為

det(K-λiM)φi=0,i=1,2,3,…,N，

(6)

式中：λi為第i個特征值；φi為第i個模態向量。

通常在有限元中分析中，剛度矩陣K與質量矩陣M為實對稱矩陣，且滿足正交性：

(7)

(8)

式中：mi為總質量；ki為廣義剛度。

模態分析是一種能夠得到更多振動頻率和相應振動模態向量的有效方法。為了分析軌道在施加預緊力之后電磁發射試驗裝置軌道振動特性的變化，利用有限元仿真軟件來實現對電磁軌道發射裝置軌道的模態分析。根據滑軌的幾何參數及材料屬性，電磁發射器的有限元模型建立如圖5所示，模型的幾何參數為2 000 mm×180 mm×100 mm. 材料屬性設置為：密度為8 300 kg/m3，楊氏模量為1.1×1011Pa，泊松比為0.34. 分別在對試驗裝置施加液壓伺服預緊力前后將模型劃分網格，并進行加載求解，設定軌道模態求解階數，求取軌道的前15階振動頻率。表1為液壓伺服預緊力加壓前后軌道的前15階振動頻率。

比較在電磁發射裝置壓板上施加預緊力前后軌道振動頻率的變化，可以看到電磁發射裝置在有壓力作用下振動頻率高于無壓力作用下的振動頻率。

2 試驗結果

2.1 液壓伺服預緊力對軌道振動特性的影響

2.1.1 加壓前后軌道振動變化

為了比較施加預緊力前后軌道振動幅值的變化，試驗中設定通入電磁發射裝置的脈沖電流幅值為280 kA. 以距離電磁發射裝置起始端104 cm處為測量點，得到該測量點的振動幅值如圖6所示。

表1 前15階振動頻率

將液壓伺服預緊裝置放置在電磁發射裝置壓板上測量點附近，設置液壓伺服預緊力為50 t，重復以上試驗，得到測量點的振動幅值如圖7所示。

比較加壓前后該測量點的振動幅值圖，與加壓前相比，在加壓后該測量點的振動幅值變小，振動持續時間明顯縮短。因此，在電磁發射裝置壓板上施加液壓伺服預緊力，能夠有效降低電磁發射裝置在重復發射過程中電磁沖擊力對軌道振動的影響，從而提高電磁發射的穩定性。

2.1.2 液壓伺服預緊裝置不同位置時的軌道振動變化

調整液壓伺服預緊裝置在接觸構件上的位置，以電磁發射裝置的中間位置(距離電磁發射裝置起始端104 cm處)為測量點，測量液壓伺服預緊裝置在不同位置時軌道的振動信號，并對得到的信號進行離散傅里葉變換，得到振動信號幅值。圖8、圖9、圖10分別為液壓伺服預緊裝置在距離電磁發射裝置起始端34 cm、70 cm、132 cm處測量點采集到的振動信號幅值，得到這3個測量點對應的主振頻率為38.65 Hz、44.27 Hz、46.69 Hz.

對比圖8～圖10可以發現，實測的振動數據類似三角正弦波，當液壓伺服預緊裝置位置靠近測量點時軌道的主振頻率高，表明壓力可以增加附近裝置的剛度。由于試驗裝置前端的振動幅度較大，當液壓伺服預緊裝置在前端時，可以有效地抑制導軌的振動，使導軌振動的持續時間縮短，增加導軌的使用壽命。在此后的試驗中，將液壓伺服預緊裝置放置在試驗裝置前端，同時，由于壓力大于500 kN時，電磁發射裝置振動幅值已經非常小，因此液壓伺服預緊裝置較佳的設置值為500 kN.

2.2 電流大小對軌道振動影響

為了研究在電磁發射裝置中通入軌道電流大小對軌道振動特性的影響，在保證相同測量位置、相同液壓大小條件下重復試驗，觀察電流大小對軌道振動頻率的影響。表2為不同電流大小下軌道振動頻率。從表2中可以看到，隨著電流的增大，振動頻率呈現減小的趨勢。

2.3 軌道振動特性變化與軌道損傷之間的聯系

在相同試驗條件下進行多次重復試驗，觀察各測量點軌道的振動頻率及幅值變化。表3為進行多次試驗時軌道振動頻率和幅值變化。從表3中可以看出，前4組試驗數據軌道振動幅值較小，約為300 μm，主振頻率為44.46 Hz，隨著試驗次數的增加，軌道振動幅值逐漸增大、振動頻率逐漸減小；當試驗進行到第7次時，軌道振動幅值超過350 μm，主振頻率為42.24 Hz；當試驗進行到第12次時，軌道振動幅值超過400 μm，振動頻率下降至39.84 Hz，使其振動頻率降低的主要原因為軌道剛度的變化。由于剛度與材料的振動頻率呈正比，當結構局部損傷時，結構的剛度降低，導致結構的振動頻率降低。由此可以判斷當試驗進行到第5次和第6次后，軌道會有一定程度的損傷。

表3 軌道振動頻率和幅值變化

圖11為軌道實際損傷圖，從圖11中可以看到，軌道表面出現了燒蝕、刨削等微小損傷。

3 結論

本文以電磁發射裝置為試驗平臺，針對發射過程中由于電磁沖擊力而引起的軌道劇烈振動問題開展了深入研究。研究了預緊力作用下軌道的振動頻率變化，采用液壓伺服預緊裝置在試驗裝置壓板上施加預緊力進行多組試驗，得出以下結論：

1)通過在發射裝置壓板上施加預緊力，將大幅值振動持續時間明顯縮短，可有效地降低電磁沖擊力對身管的影響，從而提高發射過程的穩定性。

2)通入軌道電流的大小與軌道振動頻率呈現反比關系，當電流增大時，軌道的振動頻率降低。

3)當振動頻率由44.46 Hz突變到42.24 Hz時，能夠觀測到軌道表面有損傷。由此可知，軌道振動特性的變化可以在一定程度上作為軌道損傷識別的一個依據。