机枪遥控武器站半齿轮结构振动控制技术研究

辛学敏，毛保全

(陆军装甲兵学院 兵器与控制系，北京 100072)

机枪遥控武器站的射击密集度是其最重要的战术技术指标之一，主要取决于机枪管高低向和方位向的振动控制。机枪武器站受到后坐力载荷的冲击时，主要产生方位向的座圈全齿轮结构振动和高低向的半齿轮结构振动，通过研究半齿轮结构的振动控制可以为高低向和方位向振动控制提供参考。机枪的射频和后坐力曲线决定了遥控武器站齿轮结构发生振动时具有低频、密模小位移的特性。通过一定的阻尼被动控制技术可以在不减少结构刚度的前提下，增加系统的阻尼，同时避免了由主动控制或主被动一体化控制带来的适应性差、结构改造难度大，需要外界能源、可靠性低等缺点。选择合适的阻尼材料可以有效地吸收振动,调整阻尼材料的位置和配比可以取得较好的振动控制效果。大多数情况下，机枪遥控武器站的射击密集度问题就是武器站结构的刚度问题，结构刚度大(或结构变形小)，武器站射击密集度性能就好[1]。为了保证半齿轮结构还能保持原有结构刚度，需要保留齿轮件的铸钢结构满足射击密集度需求。

为了证实贴附阻尼材料后半齿轮结构对机枪遥控武器站振动控制的有效性和可行性，首先从理论上分析了各类不同阻尼材料的作用机理，选择合适的阻尼材料，在此基础上结合齿轮的振动特性，确定阻尼材料的贴附位置和厚度，并通过谐响应分析得出被动控制减振效果。

1 阻尼材料作用机理

解决武器站射击密集度问题的传统思路是将武器站引起振动的火力系统本身进行刚体化，通过遮掩缓振，改变其机械结构达到一定程度上的减振。该方法因受到结构本身材料特性的限制，振动衰减的效果并不明显。

传统减振阻尼材料例如橡胶、铅、树脂等材料虽然具有良好的振动吸收功能，衰减性能优于武器站的铸钢，但是强度远远达不到武器站射击的需求，无法单独作为结构件使用，并且加工性能较差，无法很好地与铸钢结合在一起，只能作为武器站减振方案的外填物。传统的高分子材料存在寿命周期短、有软化、硬化、老化等使用隐患、强度太低、可使用温度范围窄、振动频率越低越难吸收、振幅越小越难吸收等问题。目前工业上得到应用的Silentalloy(Fe-Cr-Al)铁磁型合金拥有高阻尼性能(材料对数衰减率可达0.3)，但有效振幅频率窄，超出频率范围的减振效果会下降很多。机枪遥控武器站最大射频一般为600发/min，振动频率为10 Hz，Silentalloy合金在这个频率范围内甚至不能表现出阻尼性能。减振钢板代表的复合材料往往不能进行焊接，加工成型，制成复杂形状，在大载荷冲击下，容易发生变形断裂。铁系阻尼合金是一种位错型分子结构，只能在很高应力作用下才能发生阻尼性能，武器射击载荷还不能满足铁系阻尼合金表现出阻尼性能的条件。

高锰基合金(Mn-20Cu-5Ni-2Fe)是一种具有特殊减振效果的孪晶结构金属材料，在发生振动时，这种孪晶活动产生一定的能量耗散机制，从表1可以看出高锰基合金在抗拉强度等指标上远超高分子材料。

表1 阻尼材料性能对比

高锰基合金获得高阻尼的物理本质在于反铁磁转变形成了较大的点阵畸变，产生马氏体孪晶[2]。马氏体相和母相界面发生移动消耗能量，产生高阻尼现象[3]。

图1说明了孪晶结构吸收外来振动的机理[4]，对图1中的孪晶①施加外力，发生弹性形变为②，继续增大外力至③，便形成了孪晶结构，再此基础上继续增大外力，发生如④和⑤的孪晶生长扩张。当外力消失时。孪晶则自动缩小直至消失，外力受到孪晶结构的生长而受阻，能量得以消耗，达到减振的效果。

通过显微镜观察，高锰基合金薄片受到外力时，从纳米到微米区域内存在各样大小的孪晶。孪晶呈现平行和交错的状态，相比于其他合金的孪晶形态，其尺寸很小。大振幅振动由大孪晶进行衰减，小振幅振动由小孪晶进行衰减。高锰基合金的主要技术指标如表2所示。

表2 高锰基合金参数

由于材料阻尼表征方法和参数还没有统一，这里采用振幅的对数衰减率δ来表示材料的阻尼能力[5]：

(6)

式中,An和An+1分别表示第n和第n+1次的振幅。

图2为高锰基合金对数衰减率随温度变化关系图，可以看出在260 K以上，其对数衰减率都能保持在0.3以上，这也就意味着在常温甚至高温环境下，合金具有优良的减振降噪性能。通过调整高锰基合金的制备工艺，例如退火温度，热处理工艺等，对数衰减率最佳能达到0.72 .

通过将高锰基合金贴附在铸钢制成的遥控武器站机枪高低半齿轮结构上，利用其吸收外来振动的机理，可以起到被动控制的效果，以达到减振缓冲的目的。

2 高锰基合金半齿轮结构设计

进行减振优化过程需要明确振源、振动模式、造成结构恶化影响的具体振动频率等信息。高锰基合金的贴附位置应该位于振动传播路径处、振源附近等，考虑到半齿轮结构的形状特殊性，这里主要将高锰基合金贴附在振动的传播路径上。机枪的最大射频设为600发/min，最大振动频率即为10 Hz，半齿弧所受外加载荷频率与机枪振动频率相同。半齿弧结构的微小振动会加剧枪口的振动，影响机枪遥控武器站的射击密集度。

图3为铸钢材料制成的半齿轮结构，根据力的传递路径，机枪引起的振动主要从摇架传递到托架上，摇架和托架的连接部位主要为耳轴和半齿弧，其中半齿弧承担了摇架俯仰的控制。

通过分析可以调整半齿弧与摇架接触部分的弹性系数以应对不同振频、振幅的振动，理论上弹性系数越低越能吸收低频的振动，因此高锰基合金可以铺覆在半齿弧结构的接触部位上。

针对子群体{1,2,…,l}(l=1,2,…,N),用数学归纳法证明定理1成立。首先证明结论对子群体{1,2}成立。由等级群体的定义知L(2)=1,所以a21>0。因为智能体1匀速运动,易知系统满足引理2的条件,所以存在Q,P>0,不依赖于t, 使得E‖v(t)‖≤Qe-Pt1-2β。

为了增大安全系数，半齿弧结构的齿轮部分仍采用45#铸钢制作，通过螺栓固定齿与高锰基合金片体。在高锰基合金片体上钻孔，使高锰基合金片可以和摇架部分相连，如图4所示。为了减少加工量和避免摇架、托架部分重新设计，高锰基合金片上的孔位置与之前半齿轮结构的固定孔位置不变。根据设计经验，一般高锰基合金减震板的厚度为1～ 5 mm，经过高锰基合金优化后的半齿轮结构如图5所示，可采用1、3、5 mm 3种形式。

3 谐响应仿真分析

3.1 高锰基合金材料参数定义

贴附高锰基合金的半齿弧结构模型主要由两部分材料构成，一部分采用了45#铸钢，材料参数与ANSYS中Structural Steel相近，采用默认值；一部分为高锰基合金，主要定义了合金的密度，杨氏模量，泊松比，剪切模量等物理参数。由于高锰基合金具有优越的阻尼特性，所以不能直接设置材料的损耗因子、对数衰减率等参数。因此，在ANSYS分析中，设置材料的阻尼系数等效为材料损耗因子的2倍，即材料损耗因子的平均值0.3，设置阻尼系数为0.6.另外，由于高锰基合金的工作温度一般为室温，因此忽略材料的温度特性，不考虑外界温度变化所引起材料的变化。

3.2 半齿弧结构有限元建模

在三维建模软件Unigraphics NX中完成半齿弧结构的实体建模后，将模型装配体以parasolid格式导出，之后导入ANSYS有限元分析软件。这种格式保留了部件的几何外形、质量信息和颜色信息，在传输过程中可以保持模型的稳定。

在ANSYS Workbench中设置Modal分析模块，并将模型导入Geometry单元，在Model中完成有限元网格划分。采用软件自动对半齿轮结构进行网格划分，网格的质量对后续的计算精度有着较大的影响，在半齿轮结构的划分过程中，主要采用六面体单元划分方法。划分后的结果如图6所示，模型共计42 479个节点及20 338个单元，从节点的质量和数量来看，网格划分较好，可以进行下一步的仿真计算。

3.3 半齿弧结构模态分析

半齿弧结构的模态是其固有特性，每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。各阶模态所具有的权重与该模态频率的倒数成反比，即频率越低，权重越大，这也就表明了低阶模态特性在很大程度上决定了产品的动态特性。在模态分析过程中对半齿弧结构上表面施加固定约束，分析其前十阶模态，表3为原始结构、1 mm高锰基合金片方案、3 mm高锰基合金片方案、5 mm高锰基合金片方案前六阶模态分析结果。

表3 结构固有频率 Hz

3.4 谐响应分析

在谐响应分析[6]过程中，通过对结构施加幅值固定、频率可变的简谐力，测量该频率下结构每个点的位移及应力曲线。分析过程将结构视为线性单元，材料参数等特性均为定值。

在ANSYS workbench中创建Modal、Harmonic Response分析项目。连接Modal和Harmonic Response项目中Engineering Data建立数据共享，拖动Modal中的Solution至Harmonic Response的Model实现模态分析结构输入到谐响应分析模块。将优化后的模型在Unigraphics NX导出x_t格式文件，x_t格式文件输入到模态分析单元的Geometry模块。

模仿半齿弧结构工作过程中的受力情况，简化受力部分，给齿面部分施加沿x方向3 000 N的水平力驱动齿轮运动，摇架部分保持固接。测量法兰平面的x方向的变形，对照组采用不添加高锰基合金的原始结构。分析过程中还应特别注意接触关系的定义，接触关系的定义直接决定了力的传递路径。在优化后结构中，高锰基合金板通过螺栓与摇架固定，半齿弧结构通过螺栓和高锰基合金板相连接，为了简化计算，定义连接关系均为Bonded(键合)，可以理解为接触界面上不发生滑移和偏离。通过仿真分析可以得到原始结构和优化结构固有频率以及复位移的幅频曲线和相频曲线，如图7～10所示。

由结构的模态分析结果可以得到，通过对半齿轮结构增加高锰基合金阻尼片不会对结构的固有频率造成较大的影响，4种设计的固有频率大致相同。由法兰平面x方向的幅频曲线和相频曲线可知，在输入外力幅值不变的情况下，平面位移随着频率的增大而减小，说明系统整体刚度随着频率增大而增大。高锰基合金的阻尼效应随着频率的增大而增大。法兰平面的损失角则体现了高锰基合金阻尼片的阻尼效应，阻尼效应越强，损失角的绝对值越大。

试验组采用高锰基合金片厚度分别为1、3、5 mm的优化结构。从图9～12中可以看出，经过添加高锰基合金阻尼片之后的优化结构相比于原始结构，阻尼效应有了一定的提高，在0～20 Hz各个频率点上的位移幅值减小，优化前后峰值分别为202，44.1，46.9，28.8 nm，振幅衰减达到了78%，因此具有良好的减震效果。

原始结构与3种重新设计结构的损失角如表4所示。原始结构的损失角为0°，优化结构的损失角绝对值增大，表明高锰基合金片起到了减振的效果。

表4 结构损失角

通过对比厚度为1、3、5 mm 3种结构的位移幅值和损失角绝对值，可以得出以下结论：结构刚度幅值随着高锰基合金板的厚度增大而增大，高锰基合金板厚度为5 mm时，位移的幅值最小。3种厚度的最大损失角相差不大，均在110°左右。

4 结论

针对某型机枪遥控武器站的半齿弧结构，介绍了一种新颖的金属阻尼材料。对于遥控武器站的高低俯仰振动问题，需要金属材料提供一定的刚度保持高低俯仰的稳定性，同时也需要较大的阻尼吸收耗散机枪射击过程中冲击能量。高锰基合金具有刚度较大，阻尼能力较好的优势。因此通过运用高锰基合金结合工程化实际对高低向半齿轮结构进行优化，对原始结构和优化结构展开有限元建模、模态分析和谐响应分析，研究结构对不同频率脉冲激励的减振效果，可以得出以下结论：

1)增加高锰基合金板之后的半齿轮结构质量和刚度发生少许变化，但是模态分析得到的固有频率变化并不大，表明遥控武器站刚度变化不大。

2)高锰基合金作为一种阻尼被动控制手段在不同频率激励下，振幅衰减明显，最大达78%，证明了高锰基合金板的对机枪的瞬时冲击有良好的控制效果。

3)利用高锰基合金对机枪遥控武器站进行结构优化，在不改变系统拓扑结构，固定位置，不增加新关重件的情况下，能够对振动起到较好的控制效果，满足工程化应用的需求，在武器系统的振动控制中具有现实的应用价值。