電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)后坐力研究及反后坐裝置設(shè)計

謝克瑜，袁偉群，徐 蓉，郭有松

（1.中國科學(xué)院 電工研究所，北京100190；2.中國科學(xué)院 電力電子與電氣驅(qū)動重點實驗室，北京100190；3.常州容大結(jié)構(gòu)減振設(shè)備有限公司，江蘇 常州213132）

射程遠(yuǎn)，射速高，彈丸飛行速度快等是電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢。而這些優(yōu)勢也決定了電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)會產(chǎn)生極大的后坐力作用。隨著電磁軌道發(fā)射技術(shù)研究的不斷推進，后坐力的影響越來越不容忽視。

電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)的電磁力有較寬的峰值，可能導(dǎo)致較大的后坐距離及較長的復(fù)進時間，不利于電磁發(fā)射系統(tǒng)的精確、快速發(fā)射［1－2］。

反后坐裝置是發(fā)射器的核心機構(gòu)之一。反后坐裝置使作用在發(fā)射器身上巨大的沖擊力傳遞到發(fā)射器架上只有原來的十幾分之一到二十幾分之一，使發(fā)射器架可以更加輕便，從而大大緩解了發(fā)射器威力和機動性之間的矛盾［3－4］。

發(fā)射器工作過程中，因脈沖大電流產(chǎn)生的強大后坐力會使發(fā)射器與消音腔脫離，并影響發(fā)射器的直線度，影響發(fā)射精度以及發(fā)射速度，為了消退這些不利因素，需要在裝置尾部設(shè)置駐退復(fù)進裝置。駐退復(fù)進裝置固定于底部機架。發(fā)射器發(fā)射時，后坐在駐退復(fù)進裝置上，裝置產(chǎn)生一個強大的阻尼力，消耗和吸收部分后坐動能，減小對機架的沖擊。后坐終了后，裝置復(fù)位，使發(fā)射器快速平穩(wěn)地復(fù)進到位。

經(jīng)過對電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射狀態(tài)以及后坐力的研究，引入阻尼液孔縮效應(yīng)耗能和摩擦耗能的原理，研究其在反后坐技術(shù)中的運用及其在電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)的適應(yīng)性。

1 后坐力分析

1.1 后坐力峰值計算

建立發(fā)射系統(tǒng)受力模型，如圖1所示。編號1～36列舉了36路電源；編號37～44為匯流排的兩極，為了更細(xì)致地分析各部位的受力情況，分別把每極分隔為4件；編號45、46為導(dǎo)軌的兩極。

圖1 發(fā)射系統(tǒng)受力模型

用ANSYS軟件對發(fā)射系統(tǒng)受力情況進行仿真分析，設(shè)置電流I＝2MA，頻率f＝100Hz，取z軸負(fù)向為電樞前進方向。仿真計算發(fā)射過程各部件受電磁力情況，各部件所受的電磁力分量Fz如表1所示［5－6］。

表1 發(fā)射系統(tǒng)受力表

根據(jù)表2各部件電磁力分量Fz得出發(fā)射系統(tǒng)所受電磁力z向分量F＊z：

后坐力峰值Fn大小等于發(fā)射系統(tǒng)各部件所受電磁力z向分量的合力F＊z，方向朝z軸正向。

為方便計算，取Fn＝2 250kN。

1.2 后坐力作用曲線

根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)的電流特性給出電源系統(tǒng)的模擬電流波形，計算得出后坐力變化曲線，如圖2所示［7］，0.5～2.5ms到達(dá)峰值225T。此方法所得峰值電流與1.1仿真計算結(jié)果一致。

圖2 電流和后坐力變化曲線

1.3 初速度計算

建立發(fā)射系統(tǒng)模型，如圖3所示。發(fā)射器本體和匯流排組成一個整體，由基座支撐并能在其上沿發(fā)射方向自由滑動。

圖3 發(fā)射系統(tǒng)模型

電樞質(zhì)量m1＝5kg，電樞速度v1＝2 500m／s；

發(fā)射系統(tǒng)質(zhì)量（含發(fā)射器整體和匯流排）m2＝7 500kg。有：

發(fā)射系統(tǒng)后坐初速度v2＝1.7m／s，取v2＝2m／s，初動能E＝m2v22／2＝75 000×2×2／2＝1 500J。

2 反后坐裝置設(shè)計

2.1 反后坐裝置設(shè)計原理

采用彈簧與阻尼器配合形成駐退復(fù)進機構(gòu)。

1）駐退結(jié)構(gòu)。

阻尼液流體在結(jié)構(gòu)中運動，與活塞及內(nèi)壁發(fā)生相互作用，使得流體動能轉(zhuǎn)化為熱能，粘滯流體的動能向熱能轉(zhuǎn)換，通過摩擦耗能和孔縮效應(yīng)耗能兩個方面來進行［8－10］。阻尼液作用原理如圖4所示。

圖4 阻尼液作用原理

F1為孔縮阻尼力，F(xiàn)2為粘度阻尼力，C1為孔縮阻尼系數(shù)，C2為粘度阻尼系數(shù)，v為活塞相對速度，n為孔縮衰減系數(shù)，m為粘度衰減系數(shù)，D為缸體內(nèi)徑，D0為活塞直徑，d為活塞桿直徑，b為活塞寬度，k為冪律流體稠度系數(shù)，單邊間隙寬度h＝（D－D0）／2，ρ為介質(zhì)密度，∑ζ為損耗系數(shù)。

孔縮效應(yīng)耗能：在缸式粘滯阻尼器中，當(dāng)粘滯流體從缸桶中流經(jīng)阻尼孔或間隙時，隨著流體截面逐漸擴張或縮小，從而產(chǎn)生局部阻尼，引起能量損失，稱為孔縮效應(yīng)耗能，包括入口收縮能量損失與流束擴大能量損失。其阻尼力表達(dá)方式為

摩擦耗能：由于粘度的存在，流體在管道中流動時，流體與管壁以及流體介質(zhì)之間存在摩擦力，流體沿流動路程將受到摩擦力的阻礙，由于沿程阻尼產(chǎn)生的能量損失稱為沿程損失［11］。其阻尼力可以表示為

2）復(fù)進結(jié)構(gòu)。

在駐退過程中，彈簧被壓縮，后坐終了時產(chǎn)生形變量Δx，貯存復(fù)進的彈性能量。后坐終了時，彈簧提供回復(fù)的彈性力，釋放能量，使后坐平穩(wěn)復(fù)進到位。在發(fā)射器前端設(shè)計有阻擋塊，使發(fā)射器能精確回復(fù)到位。

2.2 阻尼器參數(shù)設(shè)計

根據(jù)上文，考慮采用彈簧＋粘滯阻尼器來實現(xiàn)。彈簧提供回復(fù)力，假設(shè)彈簧位時速度為0；彈簧預(yù)壓ΔL。

式中：K為彈簧剛性系數(shù)，F(xiàn)mp為發(fā)射器摩擦力，F(xiàn)ms為活塞摩擦力，F(xiàn)d為阻尼力，E為初動能，s為行程，ΔL為彈簧預(yù)壓縮量。

表2 設(shè)計彈簧參數(shù)

表3 阻尼器參數(shù)選擇

根據(jù)表2和表3計算結(jié)果選取：阻尼器理論阻尼力為950kN，阻尼器行程65mm，彈簧剛度1 900kN／m，彈簧預(yù)壓量50mm，彈簧理論行程105mm。

2.3 發(fā)射器駐退時的運動方程

將合力等效移動到后坐部分質(zhì)心，發(fā)射器與阻尼器的活塞桿形成一體運動。

式中：m為發(fā)射器質(zhì)量和阻尼器活塞桿質(zhì)量之和，C為阻尼器合阻尼系數(shù)，F(xiàn)n為后坐力峰值。

2.4 發(fā)射器復(fù)進時的運動方程

發(fā)射器復(fù)進時的運動方程：

2.5 駐退時間計算及與速度、位移的關(guān)系

駐退時間計算：

式中：mA為發(fā)射器滑動部分總質(zhì)量。

速度由2m／s變化到0，持續(xù)時間t＝0.085s。駐退速度、位移隨時間的變化曲線如圖5。

納他霉素是一種抗真菌制劑，對霉菌和酵母菌具有極強的抑制作用，因此在醬油、食醋等調(diào)味品中單獨添加納他霉素，可防止霉菌和酵母菌引起的變質(zhì)。陸曉濱等[28]研究了納他霉素在醬油中的應(yīng)用，當(dāng)納他霉素添加量為15 mg/kg時，能夠有效抑制醬油中耐鹽性酵母菌的生長繁殖，防止白花的出現(xiàn)，且納他霉素使用成本低，對醬油的品質(zhì)和風(fēng)味無影響[29]。同時，在蠔油中添加納他霉素，可以有效抑制蠔油的霉變，延長保質(zhì)期達(dá)4周以上。姚勇芳等[30]研究表明納他霉素在醬油中應(yīng)用效果良好，能有效抑制霉菌生長，提高產(chǎn)品貨架期。

圖5 速度和位移隨時間的變化曲線

2.6 復(fù)進時間計算及與速度、位移的關(guān)系

回復(fù)過程：持續(xù)時間大約為0.92s，復(fù)進速度、位移隨時間的變化曲線如圖6所示。

圖6 速度、位移隨時間的變化曲線

2.7 后坐過程中的能量關(guān)系

初動能E＝1 500J。

發(fā)射器摩擦力：

式中：發(fā)射器與基座的摩擦系數(shù)μ＝0.1，發(fā)射器的質(zhì)量m2＝7 500kg。

發(fā)射器摩擦力耗能：

活塞摩擦力耗能：

彈簧最大儲存能量：

阻尼力耗能：

總耗能：

2.8 反后坐裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)上文計算結(jié)果，設(shè)計反后座裝置，如圖7所示。

圖7 反后坐裝置結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

本文采用阻尼液孔縮效應(yīng)耗能和摩擦耗能的原理設(shè)計電磁軌道發(fā)射器用反后坐裝置，大量吸收電磁軌道發(fā)射產(chǎn)生的后坐動能，以達(dá)到快速駐退并精確復(fù)位的效果。這在能量巨大的電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)中，對其精確快速發(fā)射起到了極其重要的作用。

［1］陳允，徐偉東，袁偉群.電磁發(fā)射中鋁電樞與不同材料導(dǎo)軌間的滑動電接觸特性［J］.高電壓技術(shù)，2013，39（4）：937－942.CHEN Yun，XU Wei－dong，YUAN Wei－qun.Study of sliding electrical contacts between aluminum armature and different material rails in the railgun［J］.High Voltage Engineering，2013，39（4）：937－942.（in Chinese）

［2］徐偉東，袁偉群，陳允，等.電磁軌道發(fā)射器連續(xù)發(fā)射的滑動電接觸研究［J］.強激光與粒子束，2012，24（3）：668－672.XU Wei－dong，YUAN Wei－qun，CHEN Yun，et al.Research on the sliding electrical contact of the rapid fire railgun［J］.High Power Laser and Particle Beams，2012，24（3）：668－672.（in Chinese）

［3］宋登山，黃德偉，王彥棟，等.炮兵兵器與彈藥［M］.北京：解放軍出版社，2005.SONG Deng－shan，HUANG De－wei，WANG Yan－dong，et al.Artillery weapons and ammunition［M］.Chinese People’s Liberation Army Publishing House，2005.（in Chinese）

［4］張鴻浩.火炮動力后坐運動的數(shù)值模擬［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報，2008（3）：12－16.ZHANG Hong－h(huán)ao.Numerical simulation of gun power recoil movement ［J］.Journal of Ordnance Engineering College，2008（3）：12－16.（in Chinese）

［5］BERNHARD R.Mechanical behavior of the Pegasus railgun projectile during the launch ［J］.IEEE Transon Magn，2006，41（1）：420－425.

［6］LIU Y Q，LI J，CHEN D.Numerical simulation of current density distributions in graded laminated armatures［J］.IEEE Trans on Magn，2007，43（1）：163－166.

［7］趙瑩，徐蓉，袁偉群，等.脈沖大電流電磁軌道發(fā)射裝置特性［J］.強激光與粒子束，2014，26（9）：274－279.ZHAO Ying，XU Rong，YUAN Wei－qun，et al.Characteristics of high pulsed current electromagnetic rail launcher［J］.High Power Laser and Particle Beams，2014，26（9）：274－279.（in Chinese）

［8］黃鎮(zhèn).非線性粘滯阻尼器理論與試驗研究［D］.南京：東南大學(xué)，2007.HUANG Zhen.Theoretic and experimental study on new type viscous damper［D］.Nanjing：Southeast University，2007.（in Chinese）

［9］楚志遠(yuǎn).模擬火炮后坐運動的非線性彈簧－阻尼單元［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2001（3）：121－124.CHU Zhi－yuan.The nonlinear spring damping unit simulation of recoil movement［J］.Chinese Journal of Applied Mechanics，2001（3）：121－124.（in Chinese）

［10］IBRAHIM R A.Recent advacnes in nonlinear passive vibration isolators［J］.Journal of Sound and Vibration，2008，7：371－452.

［11］張同忠.粘滯阻尼器和鉛阻尼器的理論與試驗研究［D］.北京：北方工業(yè)大學(xué)，2004.ZHANG Tong－zhong.Theoretical and experimental study on viscous dampers and lead dampers［D］.Beijing：North China Uinversity of Technology，2004.（in Chinese）