自動榴彈發射器磁流變緩沖器設計及特性分析

張 超，韓曉明，李 強，段肖娜,翟明輝

(1 中北大學機電工程學院,太原 030051；2 山西北方機械制造有限責任公司,太原 030009)

0 引言

自動榴彈發射器是一種點面結合、曲直兼顧的支援武器。強大的火力輸出使得武器射擊時，系統需要承受較大的后坐力，產生較大的振動，導致射擊精度偏低，射擊難度加大。在保證火力輸出性能的同時，如何提高武器射擊精度是目前迫切需要解決的問題。

高效的緩沖器是解決這一問題的關鍵。磁流變緩沖器是一種依靠磁流變液在磁場作用下流變特性可控而研制的一種新型緩沖裝置。因其具有能耗低、響應速度快、結構簡單、以及阻尼力連續可調等優點，被廣泛應用于車輛、武器、航空航天、土木工程等沖擊環境下的隔振緩沖領域[1-3]。

目前人們對磁流變主動緩沖技術在提高武器沖擊載荷下的緩沖效率和后坐阻力控制等方面取得了廣泛的研究成果。美國Ahmadian等在前沖火炮上應用磁流變緩沖器，靶場實驗表明磁流變阻尼器可以有效提高沖擊載荷下緩沖效率[4-5]。國內多名工程人員以大口徑火炮為應用對象進行了相關沖擊載荷下的磁流變緩沖技術研究并取得了豐碩的研究成果[6-9]。此外，韓曉明等對磁流變緩沖器在自動武器上應用進行研究，研究表明磁流變緩沖裝置可以有效抑制自動武器后坐沖擊[10]。侯寶林等針對12.7 mm機槍采用磁流變后坐阻尼器進行相關研究并取得一定的研究成果[11]。

在考慮到自動榴彈發射器射頻高、沖擊載荷大、緩沖器體積小等特點后，結合磁流變緩沖器特性建立彈簧與磁流變復合形式的緩沖器模型。將磁芯和工作間隙處的磁流變液同時達到磁飽作為磁路設計指標，利用自適應權重粒子群算法完成對阻尼器體積優化，并通過有限元法對優磁場進行分析驗證。通過對自動榴彈發射器后坐運動微分方程進行分析，開展磁流變緩沖裝置的動態特性研究。

1 發射載荷下復合緩沖裝置結構模型

自動榴彈發射器具有沖擊載荷大，射頻高等特點。磁流變阻尼器工作模式通常為剪切、流動以及混合模式。緩沖裝置采用彈簧與混合工作模式的磁流變阻尼器并聯結構，以滿足自動榴彈發射器使用要求。結構示意圖如圖1所示。

圖1 彈簧磁流變復合式緩沖器結構模型

彈簧磁流變復合式緩沖器由復進彈簧、缸筒、活塞、勵磁線圈、活塞桿等組成。射擊時，火藥沖擊活塞桿，活塞桿向右運動壓縮復進彈簧并帶動活塞壓縮磁流變液。磁流變液經缸筒與活塞之間的工作間隙，流入到活塞左側的腔室。磁流變液在流經缸筒與活塞之間的工作間隙時，受到線圈磁場作用，剪切力發生變化，產生庫侖阻尼力和摩擦阻尼力。后坐到位時復進彈簧開始復進，帶動活塞桿以及活塞復位。在復進過程中活塞將產生復進阻力，以保證復進過程平穩。在后坐和復進過程中可改變活塞勵磁線圈上電流大小從而改變工作磁場，實現阻尼力可控。

2 發射載荷下緩沖器的動力學模型

2.1 自動榴彈發射器后坐運動分析

自動榴彈發射器射擊時，緩沖裝置受力主要有沿炮膛軸線方向上的炮膛合力Fpt，作用在后坐部分質心上的后坐部分重力mhg，磁流變阻尼力FMR，復進彈簧力Fk，導軌上摩擦力FT，密封裝置的摩擦力Ff等[12]。緩沖裝置在發射載荷下受力示意圖如圖2所示。

圖2 后坐部分受力分析圖

根據牛頓第二定律，武器后坐時的運動微分方程為:

(1)

FR=FMR+Fk+FT+Ff-mhgsinφ

(2)

式中：X為后坐行程；Ff=υmhg，υ為密封裝置摩擦系數；FT=fmhgcosφ,其中f為摩擦因數;Fk=F0+KX，F0為復進彈簧初力，K為彈簧剛度；φ為武器射擊的高低角。

2.2 磁流變阻尼力分析

考慮到磁流變緩沖器的使用環境，進行緩沖器設計時采用混合工作模式。依據經典流變力學理論，在無磁場作用下，磁流變液表現為牛頓特性，剪切應力與剪切應變率成正比，在外加磁場作用下，磁流變剪切力與剪切速度之間關系可以用經典的Bingham模型描述，在Bingham模型中，應力可表示為：

(3)

(4)

式中:η為磁流變液體粘度；D1為阻尼通道平均長度；Ap為活塞有效面積；L為活塞有效長度；h為阻尼通道寬度；v為活塞與缸體之間的相對速度；τy為不同磁場強度下的磁流變液的剪切力。

計算使用MRF-J01磁流變液，其剪切力與磁感應強度之間關系如圖3所示。

圖3 磁流變液剪切力與磁感應強度關系

3 磁路分析設計

3.1 磁路分析

磁路設計是整個緩沖器的核心部分，關系到整個緩沖器性能的輸出。磁路設計要求整個磁路漏磁和磁滯損失小、磁芯活塞結構緊湊體積小、發熱小、可長時間工作。磁流變緩沖器活塞磁路分布如圖4所示。

圖4 活塞磁芯磁路分布圖

對于上述磁路圖，假設整個磁路無漏磁。根據磁場理論可知，整個磁路磁通是連續且相等，進行磁路設計時需將工作間隙磁流變液和磁芯同時發生磁飽和作為磁路設計準則，即

φ總=φΙ=φⅡ=φⅢ=φⅣ=φⅤ=S1B1

(5)

式中:S1為磁感線穿過工作間隙處的截面積;B1為磁流變液的飽和磁感應強度。由磁路歐姆定律及勵磁線圈磁動公式有：

Rmφ=NI

(6)

式中：Rm為磁路總磁阻;N為勵磁線圈圈數;I為流過勵磁線圈的電流。磁路中磁阻計算可依據等效磁路法，活塞等效磁路圖如圖5所示。

圖5 活塞等效磁路圖

圖中Rm1為活塞桿部的磁阻;Rm2為磁芯的磁阻;Rm3為活塞翼緣的磁阻;Rm4為工作間隙處的磁阻;Rm5為工作缸的磁阻，相應的表達式為：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

磁芯通常選擇具有較高磁導率的電工純鐵DT4，工作缸和活塞桿件采用45鋼。上述磁路設計將磁流變緩沖器磁路設計與結構設計合并到一起，在一定程度上提高磁場工作效率。在進行磁路設計同時完成結構設計，也提高了計算效率。

3.2 磁路優化分析

自動榴彈發射器采用的磁流變緩沖器是一種阻力可調的阻尼器,阻尼器的靜、動態特性不僅與緩沖器結構參數有關,還與磁芯活塞的電磁特性有關。自動榴彈發射器作為一種支援武器要求緩沖器有較小的結構體積。在進行結構優化時將緩沖器的結構體積作為目標函數，即

minV=πR2(2L1+L2)

(12)

式中V為阻尼器體積。

粒子群算法的優化流程圖如圖6所示。

圖6 粒子群算法的優化流程圖

根據粒子群優化算法應用經驗，將種群數量設定500個，最大迭代次數為1 000，慣性權重為0.8，自我學習因子為0.5，種群學習因子為0.5，進行結構優化。優化結果如表1所示，優化過程中體積迭代次數的變化曲線如圖7所示。

表1 緩沖器結構參數表

圖7 緩沖器體積與迭代次數關系

從圖7優化過程可以看出：通過粒子群算法對緩沖器進行結構優化后緩沖器體積相對優化前降低28%，有效降低了緩沖器結構體積，避免材料浪費，提高了設計效率。

3.3 磁場有限元分析

利用Maxwell有限元分析軟件對磁流變阻尼器優化前后磁場分析，分析結果如圖8所示。

圖8 優化前后活塞軸向磁感應強度分布曲線

由優化前后活塞軸向上磁感應強度分布曲線可以看出，活塞軸向磁場分布呈倒立的“幾字”形，活塞的兩個翼緣處磁感應強度最大，線圈槽位置幾乎沒有磁場；活塞優化后大大降低了軸向尺寸；優化后工作間隙處的磁感應強度為0.58 T，雖然小于優化前工作間隙處磁感應強度(優化前為0.68 T)，但依然能夠滿足阻尼器正常使用需要，自適應權重粒子群優化算法對磁路結構優化有效。

4 磁流變阻尼器動態特性分析

某自動榴彈發射器的發射載荷如圖9所示。

圖9 膛壓曲線

沖擊載荷下復進彈簧動態特性曲線如圖10所示。

圖10 復進彈簧的動態特性曲線

從圖10沖擊載荷下復進彈簧動態特性曲線中可以看出：復進彈簧隨著輸入電流的增加彈簧力在逐漸的減小。這是因為勵磁線圈輸入電流后，阻尼器產生了庫侖力使得緩沖器輸出阻尼力增大，后坐位移減小的緣故。

沖擊載荷下的磁流變緩沖器動態特性曲線如圖11所示。

圖11 磁流變緩沖器阻尼力曲線圖

從圖11可以看出：線圈電流為0 A時，磁流變緩沖器輸出的阻尼力與液壓式緩沖器阻尼力相近，但磁流變緩沖器的阻尼力曲線更光滑平整，阻尼力輸出更穩定；線圈電流從0.5 A、0.8 A變化到1 A時，磁流變緩沖器輸出的阻尼力明顯增加，且響應速度明顯好于液壓阻尼力。

5 結論

基于經典Bingham模型，建立彈簧磁流變緩沖器緩沖模型進行后坐運動分析。磁路設計采用自適應權重粒子群算法對阻尼體積優化效果明顯，有效降低了緩沖器結構尺寸。利用限元分析對優化前后磁芯的磁場進行分析驗證了優化磁芯依舊滿足磁場要求。彈簧-磁流變主動緩沖器良好的動態特性一方面有利于降低武器射擊時振動，另一方面也可以提高武器對不同搭載平臺、射擊環境、射擊速度的適應性，提高射擊精度。彈簧-磁流變主動緩沖器快速的頻響特性在一定程度上可以提高復進彈簧的使用壽命。