沖擊載荷下磁流變阻尼器的設計與分析*

韓曉明,李 強,黃 繼,王 慧

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

沖擊載荷下磁流變阻尼器的設計與分析*

韓曉明,李 強,黃 繼,王 慧

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

自動武器的后坐阻力直接影響著武器的射擊精度。為了改善武器反后坐裝置的緩沖減振性能,通過分析自動武器的后坐運動,建立了沖擊載荷下磁流變阻尼器的設計模型,確定了阻尼器的結構參數、控制策略,數值分析了在不同磁場強度、后坐速度下阻尼器的特性曲線,并在減振器示功試驗臺上進行了測試,試驗數據表明,磁流變阻尼器具有很好的阻尼平臺效應,可有效抑制沖擊載荷的作用。研究結果對自動武器的后坐阻力控制提供了有價值的參考。

自動武器;磁流變阻尼器;沖擊載荷;設計分析

0 引言

自動武器的反后坐裝置通常采用彈簧式或變截面節制桿液壓式,由于彈簧阻尼剛度和油液阻尼力無法實時適應武器射擊條件的變化,后坐能量得不到較好的利用和耗散,直接影響到武器的射擊精度等作戰性能。磁流變阻尼器具有阻尼連續可調、響應速度快等特性,國內外許多學者對其在武器后坐力控制領域的應用進行了卓有成效的研究:美國Virginia Tech的Mehdi Ahmadian等人在前沖炮上應用磁流變緩沖器來控制武器架座的受力,經靶場實驗表明后坐力可減小40%以上;波音公司已將磁流變反后座裝置應用于阿帕奇直升機的火力系統上,以減小航炮發射時的后坐力,提高精度和毀傷率[1-2]。國內王炅、侯保林、高躍飛等也進行了火炮磁流變反后坐裝置的技術研究,并取得了一定的技術成果[3-6]。

目前,針對磁流變阻尼器的計算模型主要適用于結構阻尼控制方面,如何建立適應自動武器發射時沖擊載荷下的磁流變阻尼器設計模型,仍需進行深入的分析研究。文中即通過研究沖擊載荷下的磁流變阻尼器設計模型,磁場強度與激勵電流之間的關系,為自動武器用磁流變阻尼器的工程應用打下技術基礎。

1 沖擊載荷下的磁流變阻尼器模型

應用磁流變技術對自動武器進行后坐阻力控制時,建立較為準確的阻尼器數學模型,是設計控制算法、實現理想緩沖效果的重要前提。該模型不僅反映了磁流變液的剪切應力、外加在勵磁線圈上的磁場等相關參數之間的關系,而且體現了武器射擊時后坐運動的受力特性。

1.1 自動武器的后坐運動分析[7]

自動武器發射時的受力主要包括主動力和約束反力兩部分,其中后坐部分所受的主動力有作用在炮膛軸線上的炮膛合力Fpt,作用在后坐部分質心上的后坐部分重力mhg,彈丸作用于膛線導轉側的力矩Mhz;約束反力有磁流變阻尼器力FMR,復進簧力Ff,導軌上的摩擦力FT,密封裝置的摩擦力F等。減化的磁流變液緩沖裝置模型如圖1所示。

圖1 磁流變液緩沖裝置模型

假設忽略彈丸作用于膛線導轉側的力矩對后坐運動的影響,發射時所有力均過炮膛軸線且垂直于地面的平面,后坐部分和架座部分為剛體。根據牛頓第二定律,武器后坐時的運動微分方程為:

Fpt-(FMR+Ff+F+FT-mhgsinφ)

(1)

令后坐阻力為:

FR=FMR+Ff+F+FT-mhgsinφ

則:

圖2 磁流變阻尼器控制算法框圖

在復進過程中,有:

Fpt-(FMR-Ff-F-FT-mhgsinφ)

(2)

式中:X為后坐行程;V為后坐速度;導軌上的摩擦力FT=mhgfcosφ;復進簧力Ff=Ff0+kX;φ為射角;Ff0為復進簧初力;k為彈簧剛度。

式(1)和式(2)即為研究武器磁流變緩沖系統動力學特性的描述式。

1.2 磁流變阻尼力的計算模型

由于磁流變效應,磁流變阻尼器產生的阻尼力是可控的,根據自動武器反后坐裝置的結構特點和動力學特性,設計的磁流變阻尼器采用單桿單缸剪切閥式結構,阻尼力的計算模型為[8]:

(3)

式中:AP=π(D2-d2)/4為活塞有效面積;η為動力粘度系數;l為阻尼孔長度;h為阻尼孔高度;ν為活塞速度;τy為剪切屈服強度。其中公式的前一項反映的是普通流體的黏度阻尼特性,第二項與磁流變液的屈服強度有關,是庫侖阻尼特性,具有可調性。

剪切屈服強度τy由磁場強度H決定:

(4)

式中:K和α是與磁流變液相關的實驗常數;H0為外加磁場;α為介于1與2之間的常數。

根據電磁效應原理可知,磁場強度的大小和勵磁線圈中的激勵電流的大小成正比關系,通過改變線圈上的電流強度即能實現緩沖裝置的阻尼力控制。

1.3 磁流變阻尼器的控制策略

自動武器后坐時的沖擊載荷時間短暫,磁流變阻尼器的響應直接影響武器的后坐力控制,為了解決阻尼器的時滯問題,通過構造全新的Lyapunov函數和廣義模型變換系統,并利用錐補線性化算法[9],得到模糊控制器的設計方案,實現對磁流變阻尼器的快速響應和實時控制,控制算法框圖如圖2所示。

2 磁流變阻尼器的特性分析

沖擊載荷下的磁流變阻尼器運動過程可以分為兩部分:沖擊激勵過程和緩沖過程。對于磁流變阻尼器在武器反后坐裝置的應用,應滿足以下目標:①盡量減少沖擊激勵傳遞到架座上的力的峰值或者盡量減小緩沖器位移x;②緩沖器腔內實現壓力的“平臺”效應。

針對自動武器射擊時的后坐力特點,設計的磁流變阻尼器原理樣機的結構參數如下:阻尼器外徑為60 mm,內徑為40 mm,DT4C電工純鐵作為活塞材料,磁流變液采用泰達爾公司的MRF270/50,磁路中的勵磁線圈選用0.8 mm的漆包線。根據沖擊載荷下的磁流變阻尼力模型,在不同磁場強度下,求得的速度與阻尼力的關系曲線如圖3所示,圖4為不同后坐速度下,磁場強度與阻尼力的關系曲線。計算結果表明,在同樣電流情況下,隨著磁場強度的增加,阻尼器所產生的阻尼力也越大;在其它條件不變的情況下,不同的后坐速度對磁流變阻尼器的阻尼力影響并不明顯。

圖3 速度與阻尼力的曲線圖

圖4 磁場強度與阻尼力的曲線圖

圖5和圖6為磁流變阻尼器在減振器示功試驗臺上進行測試與測得的示功曲線。

測試數據表明,磁流變阻尼器具有較強的耗能減振特性,阻尼力可調倍數隨電流變化連續可調,在相同振幅下,阻尼器的可調倍數隨頻率增大而降低。隨著阻尼器振幅的增大,阻尼力的峰值及阻尼特性都隨著振幅的增大而升高,阻尼力-位移曲線不是橢圓。

為了避免復進簧對阻尼力的影響,磁流變阻尼器原理樣機沒有安裝補償裝置,因此測試的示功曲線有彎曲的“空行程”現象,這主要是由于活塞桿所占用的體積使其在工作過程中磁流變液無法完全填充空間造成的,當控制電流強度增強時,阻尼器磁路中的磁場強度增強,磁力線較稠密,使磁流變液體在間隙處聚集成團,導致縫隙堵塞,更加阻礙了磁流變液體的流動,使得補充到空間的液體減少,從而使空行程現象增強。

圖5 磁流變緩沖器的試驗現場

圖6 磁流變緩沖器的示功曲線

3 結論

磁流變阻尼器在沖擊載荷下的時滯問題制約了其在武器緩沖裝置上的應用,結合武器后坐與復進的運動特性,建立的磁流變阻尼力設計模型,經原理樣機試驗測試,磁流變阻尼器能實現后坐阻尼的“平臺”效應,具有較強的耗能減振特性,可有效抑制武器沖擊振動載荷的激勵作用,為實現自動武器的后坐阻力主動控制打下了技術基礎。

[1] AHMADIAN M, APPLETON R J, NORRIS J A. Designing magneto-rheological dampers in a fire out-of-battery recoil system [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39(1): 480-485.

[2] AHMADIAN M, APPLETON R J, NORRIS J A. An analytical study of fire out of battery using magnetorheological dampers [J]. Shock and Vibration, 2002,9(3): 129-142.

[3] 王炅, 黃文良, 陸靜. 磁流變阻尼器動力學模型及其應用 [J]. 彈道學報, 2003, 15(3): 46-50.

[4] 侯保林. 某火炮磁流變緩沖阻尼器的設計與分析 [J]. 兵工學報, 2006, 27(4): 613-616.

[5] 胡紅生, 王炅, 李延成. 火炮磁流變后坐阻尼器的設計與磁路分析 [J]. 彈道學報, 2009, 21(2): 78-82.

[6] 高躍飛. 抗沖擊磁流變緩沖器原理及分析 [J]. 華北工學院學報, 2002, 29(1): 4-7.

[7] 高樹滋, 陳運生, 張月林,等. 火炮反后坐裝置設計 [M]. 北京: 兵器工業出版社, 1995: 57-75.

[8] 周云, 譚平. 磁流變阻尼控制理論與技術 [M]. 北京: 科學出版社, 2007: 36-55.

[9] FRIDMAN E, SHAKED U. Delay-dependent stability and H∞control: constant and time-varying delays[J]. International Journal of Control, 2003, 76(1): 48-60.

Design and Analysis of Magneto-rheological Dampers Under Impact Loads

HAN Xiaoming,LI Qiang,HUANG Ji,WANG Hui

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Recoil resistance of automatic weapon directly affects its firing accuracy. In order to improve recoil mechanism’s buffering function of automatic weapon, through analyzing its recoil motion, the design model of magneto-rheological dampers under impact loads was built, and the structure parameters and the control strategy were defined. The dampers’ characteristic curve under different magnetic field intensities and different recoil velocities was numerically analyzed and tested on a damper indicator test bench. The test data indicate that magneto-rheological dampers have perfect damping plateau effect and effectively restrain impact loads. The research results provide valuable reference for controlling recoil resistance of automatic weapon.

automatic weapon; magneto-rheological dampers; impact loads; design and analysis

2015-11-12基金項目:國家自然科學基金(51175481);山西省研究生創新項目(20103089);太原市大學生創業項目資助

韓曉明(1974-),男,山西文水人,副教授,博士,研究方向:高射速理論與技術研究。

TJ303.4

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