新型电磁制退机对火炮复进运动的影响分析

2020-03-20栾成龙潘玉田郭保全朱家萱

火炮发射与控制学报 2020年1期

栾成龙，黄通，潘玉田，郭保全，朱家萱

(1.中北大学机电工程学院，山西太原 030051；2.中北大学军民融合协同创新研究院，山西太原 030051)

电磁制退机是一种利用直线发电机技术将火炮后坐能量转换为电能的同时为火炮后坐提供制退阻尼的装置[1]。与传统制退机相比，电磁制退阻力在产生的过程中，没有任何材料的磨损和破坏；根据电磁感应定律可知，火炮电磁制退机在转化能量的同时会产生阻碍相对运动变化的电磁阻力[2-3]，这也是火炮电磁制退机可以替代传统液压制退机的主要原因。火炮电磁制退机不仅有利于简化火炮结构，减轻火炮质量，提供实时可调的电磁制退力，也有利于提高火炮能量利用率。

火炮复进运动是火炮射击循环的重要组成部分，保证火炮复进的静止性和稳定性是火炮完成射击循环的关键[4]。由电磁感应定律可知，火炮电磁制退机在火炮复进过程中也会产生电磁阻力来阻碍复进相对运动的发生，这对火炮复进运动产生了一定的影响。

笔者根据电磁制退机结构的工作原理和基本结构，主要针对电磁制退机在复进过程中产生的电磁阻力对火炮复进运动的影响进行分析，建立火炮电磁制退机在复进运动过程中的动力学模型，并利用Simulink进行仿真分析。然后根据复进运动要求，对复进电磁节制力进行调控，确定调控方案。

1 基本原理

火炮电磁制退机是以火炮后坐动能作为动力源的直线发电机，其基本结构如图1所示。电磁制退机的主要结构组成为励磁绕组、初级铁芯和永磁铁。与传统直线发电机不同的是，火炮电磁制退机可以替代液压制退机为火炮后坐提供制退力[4-7]。根据电磁感应定律可知，当与火炮后坐部分固连的永磁动子和与摇架固连的线圈定子产生相对运动时，线圈中会产生感应电动势，并会产生阻碍相对运动变化的电磁阻力[8]。

在复进过程中，永磁铁组与后坐部分同时向前运动，与线圈绕组产生相对运动产生感应磁场，激发出电磁阻力，产生了复进过程中的复进节制力。电磁制退机同时具有传统制退机和复进节制器的功能，既能够提供实时可调的电磁阻力特性，也有利于简化火炮结构。

复进过程是后坐的逆过程[9]，一方面，由于火炮电磁制退机利用复进时产生的电磁复进节制力替代了制退机；另一方面，与传统复进节制器相比，火炮电磁制退机属于全长制动。全长电磁复进节制力是火炮电磁制退机区别于传统火炮的关键，火炮电磁制退机利用后坐运动过程中产生的电磁阻力替代了传统制退机，因此在复进过程中不存在制退机液压阻力和复进节制力，只存在因相对运动产生的电磁复进节制力。

2 电磁制退机动力学模型

动力学分析是研究火炮电磁制退机对复进运动影响的重要步骤，同时为了更为直观地查看各个部件的实时变化情况，首先建立火炮电磁制退机在复进过程中的动力学方程，然后利用Simulink搭建仿真模型。

选取永磁铁连接杆组成的系统作为研究对象进行受力分析，如图2所示。为简化计算模型，假设连接杆所受电磁阻力分布均匀，电磁阻力合力沿连接杆轴线方向。

连接杆在复进过程中受到复进机提供的复进剩余力Fsh和永磁铁在感应磁场中的电磁复进节制力Fef的作用，设后坐部分质量为mh，复进速度为v，则根据牛顿第二定律有：

(1)

2.1 复进剩余力

火炮在复进过程中主要受到的主动力为复进机力，同时还要受到复进静阻力的影响，复进机力与复进静阻力的合力为复进剩余力。其中，复进静阻力为

Fjf=F+FT+mhgsinφ,

(2)

式中：F为反后坐装置密封导轨的摩擦力；FT为摇架导轨的摩擦力；φ为火炮射角。则有：

Fsh=Ff-Fjf,

(3)

式中,Ff为复进机力。

2.2 电磁复进节制力

根据等效磁路模型建立的电磁制退机制退阻力的特性方程[1],得到电磁制退机的电磁复进节制力为

(4)

式中：μ0为磁导率；Hc为永磁铁矫顽力；h为永磁铁厚度；r为线圈半径；v为永磁铁运动速度；Ke为折算系数，通常取值为0.1～0.6；R为线圈阻值；R1为可调电阻；N为线圈匝数；Cm为电磁制退机制造系数，当电磁制退机机构参数确定以后，Cm为定值；Km是与速度和可调电阻相关的函数，Km=Km(v,R).

同理，火炮电磁制退机电磁阻力方向与运动方向相反，电磁复进节制力与制退阻力的特性方程是一致的。显然，电磁复进节制力与复进速度和负载阻值大小有关，当火炮电磁制退机电路为开路时，电磁复进节制力为0.随着负载阻值的不断减小，电磁复进节制力不断增大。

3 复进运动过程分析

3.1 火炮理想复进运动规律

火炮复进过程的电磁复进节制力[9]为

(5)

(6)

式中Fr为复进合力,复进合力的大小和正负表示复进运动的加速度的大小和方向。

根据某典型火炮理想复进运动特性，拟定该型火炮的理想复进阻力，并由式(1)可得后坐质量mh一定时，复进速度v也确定。根据制退机理想复进运动特性拟定火炮电磁制退机复进运动规律，如图3所示。

3.2 负载调控方法分析

由于永磁铁磁场本身的特性，磁感应强度变化率是一个近似正弦变化的物理量，因此感应电动势和感应电流也会呈现出一定的正弦变化特征，其总体趋势也会随着复进速度的变化而变化，呈现出先增大后减小的变化趋势。为获得较为恰当的电磁阻力以保证火炮复进稳定，必须对电磁阻力进行控制。

在确定了电磁制退机结构参数之后，根据理想复进运动特性，提出了通过控制可调电阻阻值的变化，获得期望的电磁复进节制力。由式(4)可知，当电磁复进节制力变化规律一定时，负载总阻值是关于复进行程的函数，即：

(7)

因此根据式(7)计算得出负载阻值变化规律，如图4所示。即当控制负载阻值如图4所示变化时，就可以获得如图3所示的理想复进运动特性。

负载阻值变化率Δ如图5所示。

在复进前期，由于在复进前期，复进速度变化大，产生的感应电动势大，负载总阻值较大，变化率也比较大；在复进中期和后期，复进速度减小且变化率小，负载总阻值减小，变化率也减小。按照图5变化规律调控的电磁复进节制力消除了直线发电机正弦特性带来的影响，使得火炮电磁制退机满足火炮复进运动规律的要求。

3.3 火炮复进运动特性

电磁制退机反面计算是在已知负载阻值调控规律时，根据复进机力和确定的电磁制退机结构参数进行的有关复进速度和复进行程的计算。复进机力在复进机设计后就可以确定，因此，为分析电磁制退机影响下的火炮复进运动特性，需要已知负载阻值的变化规律以及确定的电磁制退结构参数。笔者以某型火炮为研究对象，建立Simulink模型，如图6所示。

根据建立的动力学模型，输入量为复进剩余力Fsh，包括复进机力Ff和复进静阻力Fjf，密封装置摩擦力F，摇架导轨摩擦力FT，电磁制退机制造系数Cm和负载阻值R;输出值为复进速度v、位移x和电磁复进节制力Fef.将电磁制退机的电磁复进节制力Fef变化仿真结果即XY Graph与传统制退机复进阻力Fφh比较分析，如图7所示。

显然，与传统制退机相比，电磁制退机复进阻力变化较为平稳，保证了复进的稳定性，避免了传统制退机真空消失点制退阻力突变情况的出现。传统制退机是通过复进节制器沟槽由浅到深的突然变化来调控真空消失点处复进合力的变化，而这种沟槽在加工工艺上是十分困难的，电磁制退机相比之下便于进行加工制造。同时，电磁复进节制力峰值较小，可以灵活地通过可调的负载阻值实现理想的制退阻力变化规律，进而保证复进过程的稳定性。

电磁制退机由于自身电磁力作用的固有属性的影响，产生的电磁阻尼幅值和频率变化较大，导致了未经调控的情况下复进速度随之变化较大，使得电磁制退机对火炮复进运动的影响较大，因此必须进行调节控制。根据第3.2节分析得到的负载阻值变化规律调控后的复进运动特性如图8中实线所示。

由图8可知，与传统的制退机速度变化相比，在开始阶段，实线也就是电磁制退机的速度特性上升快，速度较大且平稳，下降阶段与虚线对比速度较小。电磁制退机有更好的速度特性。总体来看调控后的电磁制退机复进速度呈现出前期较大，而后期较小的变化规律，并且在速度峰值处出现速度平台，有利于实现减小复进时间，增大复进能量，减小复进振动以及提高复进稳定性的作用。复进到位速度很小，能够保证后坐部分可靠地复进到位。

3.4 复进储能分析

复进机复进能量是火炮后坐能量的重要组成部分，它是将火炮后坐能量储存起来用于火炮复进过程，在复进过程中被制退机复进时的液压阻力和复进静阻力所消耗，并以热能的形式散失掉。火炮电磁制退机是利用直线发电机技术将火炮后坐能量转换为电能的装置，在复进过程中，同样可以转化复进能量。

火炮电磁制退机在复进过程中产生的感应电动势如图9所示。

复进过程中产生的感应电动势变化规律与后坐过程中产生的感应电动势相比，变化规律相似，这是由火炮电磁制退机结构参数和火炮射击循环规律决定的，但是后坐过程中产生的感应电动势远大于复进过程中的感应电动势幅值，这是因为后坐速度大于复进速度的缘故。

直线发电机的脉冲特性使得火炮电磁制退机产生的电能难以直接被电力系统所利用，因此必须对电能进行后处理。按照常规的复杂信号处理方式，首先对火炮电磁制退机在复进过程中产生的电能进行整流处理，将火炮电磁制退机产生的脉冲交流电变为单向的脉冲直流电。然后进行滤波稳压处理，将整流输出电压中的杂波去除，获得较为平滑的输出电压，笔者利用Simulink选择低通滤波器模块对滤波电路进行仿真分析，通过截取整流输出电压信号的低频段，去除高频段的电压波动。

忽略能量损耗，根据能量计算公式：