自动榴弹发射器磁流变缓冲器设计及特性分析

张 超，韩晓明，李 强，段肖娜,翟明辉

(1 中北大学机电工程学院,太原 030051；2 山西北方机械制造有限责任公司,太原 030009)

0 引言

自动榴弹发射器是一种点面结合、曲直兼顾的支援武器。强大的火力输出使得武器射击时，系统需要承受较大的后坐力，产生较大的振动，导致射击精度偏低，射击难度加大。在保证火力输出性能的同时，如何提高武器射击精度是目前迫切需要解决的问题。

高效的缓冲器是解决这一问题的关键。磁流变缓冲器是一种依靠磁流变液在磁场作用下流变特性可控而研制的一种新型缓冲装置。因其具有能耗低、响应速度快、结构简单、以及阻尼力连续可调等优点，被广泛应用于车辆、武器、航空航天、土木工程等冲击环境下的隔振缓冲领域[1-3]。

目前人们对磁流变主动缓冲技术在提高武器冲击载荷下的缓冲效率和后坐阻力控制等方面取得了广泛的研究成果。美国Ahmadian等在前冲火炮上应用磁流变缓冲器，靶场实验表明磁流变阻尼器可以有效提高冲击载荷下缓冲效率[4-5]。国内多名工程人员以大口径火炮为应用对象进行了相关冲击载荷下的磁流变缓冲技术研究并取得了丰硕的研究成果[6-9]。此外，韩晓明等对磁流变缓冲器在自动武器上应用进行研究，研究表明磁流变缓冲装置可以有效抑制自动武器后坐冲击[10]。侯宝林等针对12.7 mm机枪采用磁流变后坐阻尼器进行相关研究并取得一定的研究成果[11]。

在考虑到自动榴弹发射器射频高、冲击载荷大、缓冲器体积小等特点后，结合磁流变缓冲器特性建立弹簧与磁流变复合形式的缓冲器模型。将磁芯和工作间隙处的磁流变液同时达到磁饱作为磁路设计指标，利用自适应权重粒子群算法完成对阻尼器体积优化，并通过有限元法对优磁场进行分析验证。通过对自动榴弹发射器后坐运动微分方程进行分析，开展磁流变缓冲装置的动态特性研究。

1 发射载荷下复合缓冲装置结构模型

自动榴弹发射器具有冲击载荷大，射频高等特点。磁流变阻尼器工作模式通常为剪切、流动以及混合模式。缓冲装置采用弹簧与混合工作模式的磁流变阻尼器并联结构，以满足自动榴弹发射器使用要求。结构示意图如图1所示。

图1 弹簧磁流变复合式缓冲器结构模型

弹簧磁流变复合式缓冲器由复进弹簧、缸筒、活塞、励磁线圈、活塞杆等组成。射击时，火药冲击活塞杆，活塞杆向右运动压缩复进弹簧并带动活塞压缩磁流变液。磁流变液经缸筒与活塞之间的工作间隙，流入到活塞左侧的腔室。磁流变液在流经缸筒与活塞之间的工作间隙时，受到线圈磁场作用，剪切力发生变化，产生库仑阻尼力和摩擦阻尼力。后坐到位时复进弹簧开始复进，带动活塞杆以及活塞复位。在复进过程中活塞将产生复进阻力，以保证复进过程平稳。在后坐和复进过程中可改变活塞励磁线圈上电流大小从而改变工作磁场，实现阻尼力可控。

2 发射载荷下缓冲器的动力学模型

2.1 自动榴弹发射器后坐运动分析

自动榴弹发射器射击时，缓冲装置受力主要有沿炮膛轴线方向上的炮膛合力Fpt，作用在后坐部分质心上的后坐部分重力mhg，磁流变阻尼力FMR，复进弹簧力Fk，导轨上摩擦力FT，密封装置的摩擦力Ff等[12]。缓冲装置在发射载荷下受力示意图如图2所示。

图2 后坐部分受力分析图

根据牛顿第二定律，武器后坐时的运动微分方程为:

(1)

FR=FMR+Fk+FT+Ff-mhgsinφ

(2)

式中：X为后坐行程；Ff=υmhg，υ为密封装置摩擦系数；FT=fmhgcosφ,其中f为摩擦因数;Fk=F0+KX，F0为复进弹簧初力，K为弹簧刚度；φ为武器射击的高低角。

2.2 磁流变阻尼力分析

考虑到磁流变缓冲器的使用环境，进行缓冲器设计时采用混合工作模式。依据经典流变力学理论，在无磁场作用下，磁流变液表现为牛顿特性，剪切应力与剪切应变率成正比，在外加磁场作用下，磁流变剪切力与剪切速度之间关系可以用经典的Bingham模型描述，在Bingham模型中，应力可表示为：

(3)

(4)

式中:η为磁流变液体粘度；D1为阻尼通道平均长度；Ap为活塞有效面积；L为活塞有效长度；h为阻尼通道宽度；v为活塞与缸体之间的相对速度；τy为不同磁场强度下的磁流变液的剪切力。

计算使用MRF-J01磁流变液，其剪切力与磁感应强度之间关系如图3所示。

图3 磁流变液剪切力与磁感应强度关系

3 磁路分析设计

3.1 磁路分析

磁路设计是整个缓冲器的核心部分，关系到整个缓冲器性能的输出。磁路设计要求整个磁路漏磁和磁滞损失小、磁芯活塞结构紧凑体积小、发热小、可长时间工作。磁流变缓冲器活塞磁路分布如图4所示。

图4 活塞磁芯磁路分布图

对于上述磁路图，假设整个磁路无漏磁。根据磁场理论可知，整个磁路磁通是连续且相等，进行磁路设计时需将工作间隙磁流变液和磁芯同时发生磁饱和作为磁路设计准则，即

φ总=φΙ=φⅡ=φⅢ=φⅣ=φⅤ=S1B1

(5)

式中:S1为磁感线穿过工作间隙处的截面积;B1为磁流变液的饱和磁感应强度。由磁路欧姆定律及励磁线圈磁动公式有：

Rmφ=NI

(6)

式中：Rm为磁路总磁阻;N为励磁线圈圈数;I为流过励磁线圈的电流。磁路中磁阻计算可依据等效磁路法，活塞等效磁路图如图5所示。

图5 活塞等效磁路图

图中Rm1为活塞杆部的磁阻;Rm2为磁芯的磁阻;Rm3为活塞翼缘的磁阻;Rm4为工作间隙处的磁阻;Rm5为工作缸的磁阻，相应的表达式为：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

磁芯通常选择具有较高磁导率的电工纯铁DT4，工作缸和活塞杆件采用45钢。上述磁路设计将磁流变缓冲器磁路设计与结构设计合并到一起，在一定程度上提高磁场工作效率。在进行磁路设计同时完成结构设计，也提高了计算效率。

3.2 磁路优化分析

自动榴弹发射器采用的磁流变缓冲器是一种阻力可调的阻尼器,阻尼器的静、动态特性不仅与缓冲器结构参数有关,还与磁芯活塞的电磁特性有关。自动榴弹发射器作为一种支援武器要求缓冲器有较小的结构体积。在进行结构优化时将缓冲器的结构体积作为目标函数，即

minV=πR2(2L1+L2)

(12)

式中V为阻尼器体积。

粒子群算法的优化流程图如图6所示。

图6 粒子群算法的优化流程图

根据粒子群优化算法应用经验，将种群数量设定500个，最大迭代次数为1 000，惯性权重为0.8，自我学习因子为0.5，种群学习因子为0.5，进行结构优化。优化结果如表1所示，优化过程中体积迭代次数的变化曲线如图7所示。

表1 缓冲器结构参数表

图7 缓冲器体积与迭代次数关系

从图7优化过程可以看出：通过粒子群算法对缓冲器进行结构优化后缓冲器体积相对优化前降低28%，有效降低了缓冲器结构体积，避免材料浪费，提高了设计效率。

3.3 磁场有限元分析

利用Maxwell有限元分析软件对磁流变阻尼器优化前后磁场分析，分析结果如图8所示。

图8 优化前后活塞轴向磁感应强度分布曲线

由优化前后活塞轴向上磁感应强度分布曲线可以看出，活塞轴向磁场分布呈倒立的“几字”形，活塞的两个翼缘处磁感应强度最大，线圈槽位置几乎没有磁场；活塞优化后大大降低了轴向尺寸；优化后工作间隙处的磁感应强度为0.58 T，虽然小于优化前工作间隙处磁感应强度(优化前为0.68 T)，但依然能够满足阻尼器正常使用需要，自适应权重粒子群优化算法对磁路结构优化有效。

4 磁流变阻尼器动态特性分析

某自动榴弹发射器的发射载荷如图9所示。

图9 膛压曲线

冲击载荷下复进弹簧动态特性曲线如图10所示。

图10 复进弹簧的动态特性曲线

从图10冲击载荷下复进弹簧动态特性曲线中可以看出：复进弹簧随着输入电流的增加弹簧力在逐渐的减小。这是因为励磁线圈输入电流后，阻尼器产生了库仑力使得缓冲器输出阻尼力增大，后坐位移减小的缘故。

冲击载荷下的磁流变缓冲器动态特性曲线如图11所示。

图11 磁流变缓冲器阻尼力曲线图

从图11可以看出：线圈电流为0 A时，磁流变缓冲器输出的阻尼力与液压式缓冲器阻尼力相近，但磁流变缓冲器的阻尼力曲线更光滑平整，阻尼力输出更稳定；线圈电流从0.5 A、0.8 A变化到1 A时，磁流变缓冲器输出的阻尼力明显增加，且响应速度明显好于液压阻尼力。

5 结论

基于经典Bingham模型，建立弹簧磁流变缓冲器缓冲模型进行后坐运动分析。磁路设计采用自适应权重粒子群算法对阻尼体积优化效果明显，有效降低了缓冲器结构尺寸。利用限元分析对优化前后磁芯的磁场进行分析验证了优化磁芯依旧满足磁场要求。弹簧-磁流变主动缓冲器良好的动态特性一方面有利于降低武器射击时振动，另一方面也可以提高武器对不同搭载平台、射击环境、射击速度的适应性，提高射击精度。弹簧-磁流变主动缓冲器快速的频响特性在一定程度上可以提高复进弹簧的使用寿命。