新型電磁反后坐裝置運行機理研究與仿真分析

黃 通，郭保全，朱家萱，丁 寧，張 彤，毛虎平

(中北大學 a.機電工程學院; b.軍民融合協同創新研究院;c.儀器與電子學院; d.能源動力工程學院, 太原 030051)

火炮作為一種常規壓制性武器，在現代戰爭中依然扮演著無可替代的重要角色。反后坐裝置被稱為火炮的“心臟”，是整個火炮系統的核心部件，承擔著減小火炮發射時受力，完成火炮后坐復進運動的重要任務[1]。為了適應未來戰爭的需求，實現現代火炮高威力、高機動的發展，新型反后坐裝置作為一項關鍵技術受到了國內外研究學者的廣泛關注[2,3]。

傳統的反后坐裝置多為液體氣壓式的，主要是利用液體通過流液孔產生壓力差形成液壓阻力，為了實現理想的后坐阻力規律，學者們針對流液孔面積的變化規律進行了多方面的分析和優化研究[4]。以南京理工大學和西北工業大學為代表的相關高校開始研制以磁流變技術為代表的后坐阻力可控的新型反后坐裝置[5]；相關學者也開展了電流變液體制退機的相關研究，并取得了一定的研究成果[6]；為了減少溫度對反后坐裝置性能的影響，相關學者開始對彈性膠泥緩沖器在火炮反后坐裝置上的應用展開研究[7]，但試驗效果不是很好。

為了簡化火炮結構，實現對后坐阻力的實時控制，以產生理想的后坐阻力平臺，本研究提出并設計了一種集制退，復進和復進節制為一體的新型電磁反后坐裝置，建立了電磁反后坐裝置的數學模型，并基于Maxwell電磁學有限元仿真軟件進行仿真分析，探究了電磁反后坐裝置的動力學特性和能量轉換特性。

1 電磁反后坐裝置運行機理

電磁反后坐裝置主要是根據電磁作用原理設計的一種完成火炮后坐復進運動的裝置，根據電磁感應原理的可逆可調特性實現制退、復進和復進節制的作用，其工作原理如圖1所示。根據火炮后坐運動特性，電磁反后坐裝置的運行狀態可分為3個階段：制退后坐階段，復進階段和復進節制階段。

圖1 電磁反后坐裝置工作原理示意圖

在制退后坐階段，后坐部分帶動動子磁棒與線圈繞組產生相對運動，在線圈繞組中產生感應電流，激發出阻礙相對運動產生的電磁阻力，通過可變電阻調節控制電磁反后坐裝置中的感應電流進而控制電磁阻力按照后坐運動要求進行變化，同時將后坐動能轉化為電能輸入外部電路進行處理和儲存；在復進階段，將制退后坐階段儲存的電能經外部電路處理輸回線圈繞組，在線圈繞組中產生推動動子磁棒的電磁推力，帶動后坐部分進行復進運動，同時通過可變電阻調節輸入進線圈繞組中的勵磁電流來控制電磁推力按照復進運動要求變化；在復進節制階段，外部電路控制線圈繞組中的勵磁電流反向，將電磁推力轉變為電磁復進節制力，阻滯復進運動，直至復進到位。

2 電磁反后坐裝置運動分析

2.1 動力學模型

由于電磁反后坐裝置的多用途特性，電磁反后坐裝置在各個階段的受力與傳統反后坐裝置相比，存在較大的差別。在后坐階段，電磁反后坐裝置取消了復進機力的影響，后坐阻力只包括電磁阻力和摩擦阻力，即：

FR=Fe+f

(1)

式中:FR為電磁反后坐裝置后坐阻力；Fe為電磁阻力；f為摩擦阻力。

根據牛頓第二定律建立電磁反后坐裝置后坐運動方程為：

(2)

式中：mh為后坐部分質量；Fpt為炮膛合力。

在復進階段，電磁反后坐裝置取消了制退機流液孔液壓阻力，復進合力只包括電磁推力和摩擦阻力，即：

Fr=Fef-f

(3)

式中：Fr為復進合力；Fef為電磁推力，在復進加速階段Fef為正，為后坐部分的復進運動提供正推力；在復進節制階段Fef為負，為后坐部分的復進運動提供負推力。

建立電磁反后坐裝置復進運動方程為：

(4)

式中：xf為復進行程；tf為復進時間。

2.2 電磁學模型

根據法拉第電磁感應定律有：

(5)

式中:e為感應電動勢;N為線圈匝數;φ為磁通量。

對式(5)變形可得：

(6)

式中:B為磁通密度;S為磁通面積;v為磁通變化速度，即為動子運動速度。

根據電路的歐姆定律有：

(7)

式中:i為線圈繞組中的電流值;R為回路阻值。

相關研究證實[8-10]，電磁力大小與線圈繞組中電流大小成正比，即：

Fe=Kei

(8)

式中：Fe為電磁力；Ke為電磁力常數，可通過有限元模型獲得[8]。

顯然在電磁反后坐裝置結構設計完成后，電磁力常數為一個定值，為了實現對電磁力的實時控制，就需要對線圈繞組中的電流進行控制。由電路的歐姆定律可知，對感應電動勢或者回路阻值進行調節，可以實現對電流的控制。

2.3 仿真分析

為探究電磁反后坐裝置運行性能，本研究以某型火炮為研究對象，按照理想后坐復進運動規律對電磁反后坐裝置后坐復進作用力合力變化規律進行擬定，進而確定可變電阻的阻值變化規律。已知某型火炮理想后坐復進運動規律如圖2所示，擬定其后坐復進作用力合力如圖3所示。

圖2 后坐復進運動規律

圖3 后坐復進運動作用力合力

為了簡化仿真模型，做出以下假設：

1) 假設動子為光滑圓柱結構忽略動子偏心；

2) 假設氣隙中電磁場沿裝置切向分布均勻；

3) 假設磁路所在平面與裝置軸向平行，忽略磁場切向分量，故整體模型可以簡化為二維模型進行分析。

基于上述假設條件，建立電磁反后坐裝置二維有限元分析模型如圖4，模型各部件材料設置如表1所示。

圖4 電磁反后坐裝置二維有限元模型

部件材料定子鐵心DW465-50線圈繞組copper永磁鐵NdFe35氣隙vacuum求解/運動區域vacuum

仿真得電磁反后坐裝置氣隙磁通密度如圖5所示，聯立式(6)計算出電磁反后坐裝置輸出感應電動勢，并將輸出結果導入Simulink中搭建單相整流濾波電路對輸出電壓進行整流濾波穩壓處理其結果如圖6所示。

圖5 氣隙磁通密度

圖6 輸出電壓曲線

顯然，整流濾波后的輸出電壓呈現出較為平滑的平臺現象，這不僅有利于蓄電儲存，更符合火炮理想后坐阻力的“平臺效應”，便于對電路進行有效控制，實現后坐運動的理想控制。聯立式(7)和式(8)可知，回路阻值為：

(9)

式中：Ri為可變電阻阻值；R0為回路內阻。

忽略線圈容抗和電氣元件等阻值的影響，則后坐階段電磁反后坐裝置的可變電阻阻值變化規律如圖7所示。

圖7 后坐階段可變電阻阻值曲線

由圖7可知，后坐階段可變電阻阻值變化呈現出先增大再減小，然后緩慢減小直至后坐結束。這是因為整流濾波后的輸出電壓輸出穩定時刻早于后坐阻力平臺出現時刻，此時整流輸出電壓和后坐阻力均處于逐漸增長時期，當整流輸出電壓達到最大值時，后坐阻力仍然在繼續增長。

在復進運動階段，電磁反后坐裝置依靠輸入進線圈繞組中的勵磁電流產生電磁推力進行復進運動，勵磁電流直接輸入線圈繞組，成為電磁推力的根本來源，由于磁場正弦特性的影響，使復進階段的電磁推力出現近似于正弦變化的“推力波動”。計算得復進階段的勵磁電流變化規律如圖8所示。

與復進電磁推力變化曲線相比，勵磁電流變化曲線波動較大，結合圖5所示的氣隙磁密曲線可發現，勵磁電流的波動頻率與氣隙磁密的波動頻率是一致的，通過控制輸入進線圈繞組中的勵磁電流消除了磁場的波動影響。根據電路的歐姆定律同樣采取可變電阻控制輸入線圈繞組的勵磁電流大小，復進階段電磁反后坐裝置的可變電阻阻值變化規律如圖9所示。

圖9 復進階段可變電阻阻值

顯然，復進階段可變電阻阻值變化大致可以分為3個階段，第一階段對應復進加速階段，此時后坐部分加速向前，電磁推力為正且力值較大，對勵磁電流的需求較大，因而此階段阻值較小且呈現出緩慢上升的趨勢；第二階段對應復進緩慢加速階段，此時后坐部分復進加速趨勢放緩，后坐部分保持緩慢加速向前，電磁推力主要克服摩擦力做功，對勵磁電流的需求較小，因此此階段阻值較大且逐漸下降；第三階段對應復進節制階段，在電流反向以后，電磁推力變為負向且力值較大，因此此階段阻值較小。

3 結論

1) 參考傳統電磁阻尼器原理，提出了一種將制退機，復進機與復進節制器耦合集成的新型電磁反后坐裝置，該設計方案能夠完成傳統制退機、復進機和復進節制器的功能。即后坐時利用電磁力產生制退力，并通過對可變電阻的實時控制實現阻力平臺，同時利用直線發電機原理將后坐能量轉化為電能儲存，在復進時加載在線圈繞組上產生復進力推動火炮復進。

2) 建立了電磁反后坐裝置的數學模型和有限元模型，基于場路耦合法對電磁反后坐裝置進行仿真分析，對其后坐復進運動動力學特性進行分析，得出理想運動特性下的可變電阻的控制規律，進一步研證了電磁反后坐裝置的可行性。