電磁軌道發射系統后坐力研究及反后坐裝置設計

謝克瑜，袁偉群，徐 蓉，郭有松

（1.中國科學院 電工研究所，北京100190；2.中國科學院 電力電子與電氣驅動重點實驗室，北京100190；3.常州容大結構減振設備有限公司，江蘇 常州213132）

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

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

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

發射器工作過程中，因脈沖大電流產生的強大后坐力會使發射器與消音腔脫離，并影響發射器的直線度，影響發射精度以及發射速度，為了消退這些不利因素，需要在裝置尾部設置駐退復進裝置。駐退復進裝置固定于底部機架。發射器發射時，后坐在駐退復進裝置上，裝置產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，裝置復位，使發射器快速平穩地復進到位。

經過對電磁軌道發射系統發射狀態以及后坐力的研究，引入阻尼液孔縮效應耗能和摩擦耗能的原理，研究其在反后坐技術中的運用及其在電磁軌道發射系統的適應性。

1 后坐力分析

1.1 后坐力峰值計算

建立發射系統受力模型，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為導軌的兩極。

圖1 發射系統受力模型

用ANSYS軟件對發射系統受力情況進行仿真分析，設置電流I＝2MA，頻率f＝100Hz，取z軸負向為電樞前進方向。仿真計算發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 發射系統受力表

根據表2各部件電磁力分量Fz得出發射系統所受電磁力z向分量F＊z：

后坐力峰值Fn大小等于發射系統各部件所受電磁力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

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

圖2 電流和后坐力變化曲線

1.3 初速度計算

建立發射系統模型，如圖3所示。發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射方向自由滑動。

圖3 發射系統模型

電樞質量m1＝5kg，電樞速度v1＝2 500m／s；

發射系統質量（含發射器整體和匯流排）m2＝7 500kg。有：

發射系統后坐初速度v2＝1.7m／s，取v2＝2m／s，初動能E＝m2v22／2＝75 000×2×2／2＝1 500J。

2 反后坐裝置設計

2.1 反后坐裝置設計原理

采用彈簧與阻尼器配合形成駐退復進機構。

1）駐退結構。

阻尼液流體在結構中運動，與活塞及內壁發生相互作用，使得流體動能轉化為熱能，粘滯流體的動能向熱能轉換，通過摩擦耗能和孔縮效應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，F2為粘度阻尼力，C1為孔縮阻尼系數，C2為粘度阻尼系數，v為活塞相對速度，n為孔縮衰減系數，m為粘度衰減系數，D為缸體內徑，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，單邊間隙寬度h＝（D－D0）／2，ρ為介質密度，∑ζ為損耗系數。

孔縮效應耗能：在缸式粘滯阻尼器中，當粘滯流體從缸桶中流經阻尼孔或間隙時，隨著流體截面逐漸擴張或縮小，從而產生局部阻尼，引起能量損失，稱為孔縮效應耗能，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，由于沿程阻尼產生的能量損失稱為沿程損失［11］。其阻尼力可以表示為

2）復進結構。

在駐退過程中，彈簧被壓縮，后坐終了時產生形變量Δx，貯存復進的彈性能量。后坐終了時，彈簧提供回復的彈性力，釋放能量，使后坐平穩復進到位。在發射器前端設計有阻擋塊，使發射器能精確回復到位。

2.2 阻尼器參數設計

根據上文，考慮采用彈簧＋粘滯阻尼器來實現。彈簧提供回復力，假設彈簧位時速度為0；彈簧預壓ΔL。

式中：K為彈簧剛性系數，Fmp為發射器摩擦力，Fms為活塞摩擦力，Fd為阻尼力，E為初動能，s為行程，ΔL為彈簧預壓縮量。

表2 設計彈簧參數

表3 阻尼器參數選擇

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

2.3 發射器駐退時的運動方程

將合力等效移動到后坐部分質心，發射器與阻尼器的活塞桿形成一體運動。

式中：m為發射器質量和阻尼器活塞桿質量之和，C為阻尼器合阻尼系數，Fn為后坐力峰值。

2.4 發射器復進時的運動方程

發射器復進時的運動方程：

2.5 駐退時間計算及與速度、位移的關系

駐退時間計算：

式中：mA為發射器滑動部分總質量。

速度由2m／s變化到0，持續時間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。陸曉濱等[28]研究了納他霉素在醬油中的應用，當納他霉素添加量為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，且納他霉素使用成本低，對醬油的品質和風味無影響[29]。同時，在蠔油中添加納他霉素，可以有效抑制蠔油的霉變，延長保質期達4周以上。姚勇芳等[30]研究表明納他霉素在醬油中應用效果良好，能有效抑制霉菌生長，提高產品貨架期。

圖5 速度和位移隨時間的變化曲線

2.6 復進時間計算及與速度、位移的關系

回復過程：持續時間大約為0.92s，復進速度、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系

初動能E＝1 500J。

發射器摩擦力：

式中：發射器與基座的摩擦系數μ＝0.1，發射器的質量m2＝7 500kg。

發射器摩擦力耗能：

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 反后坐裝置結構

根據上文計算結果，設計反后座裝置，如圖7所示。

圖7 反后坐裝置結構

3 結束語

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

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