基于电机悬置优化技术的轻型火箭炮发射底盘减隔振技术研究

2023-04-28刘彦臣黄雪涛

火炮发射与控制学报 2023年2期

刘彦臣，黄雪涛

(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；3.山东交通学院汽车工程学院，山东济南 250357)

项目组研发的某轻型火箭炮发射底盘拟实现炮弹的自动运输、智能巡航、精准快速自动装载,涉及的工作条件恶劣,炮弹装载过程中动载荷变化复杂、对接精度高,常规设计的底盘结构由于电机的异常低频振动无法满足炮弹装载精度要求,需考虑基于电机悬置优化技术的火箭炮发射底盘减隔振设计。然而,火箭炮发射底盘的减振技术研究涉及整机结构的复杂性、电机悬置材料的非线性及作业工况动载变化的复杂性,是近年来火箭炮设计领域研究的热点和难点之一[1-8]。Ozturk等[9]研究了路面激励下发动机悬置的疲劳寿命问题,提出了一种利用加速疲劳寿命试验验证发动机悬置寿命的方法;Suh等[10-13]研究了汽车悬架的动态特性及优化技术,得出了悬架参数对车辆动态特性、整车NVH性能的影响规律,改善了车辆的平顺性;黄雪涛等[14]构建了轻型载货汽车低频振动的仿真模型,采用悬置参数优化技术减轻了整车的低频异常振动;王天鹏等[15-18]以电机悬置为研究对象,构建了基于电机悬置系统的整车振动理论模型及平顺性时域分析模型,得出了悬置刚度、阻尼、质量等参数对整车振动的影响规律,实现了基于电机悬置的整车平顺性优化设计;王明等[19]提出了一种磁流变阻尼器的半主动悬架混合控制策略,减少了车身的垂直加速度及悬架动行程,提高了自行火炮的平稳性;宁变芳等[20]研究了油气悬挂的刚度特性对车体扰动的影响规律,并通过油气悬挂刚度的优化匹配大幅度地减少了火炮射击时车体的扰动。综上所述,国内外的研究学者主要研究了发动机悬置的疲劳寿命分析方法、悬架系统动态特性分析及优化技术、电机悬置参数对整车的振动及平顺性的影响规律,但对电机悬置的隔振特性及其试验验证却鲜有涉及。笔者针对轻型火箭炮发射底盘工作过程中产生的低频异常振动问题,拟研究电机悬置的减隔振效果,探讨基于电机悬置优化技术的火箭炮装载过程中低频异常振动问题的解决途径,为轻型火箭炮发射底盘设计研发提供技术支撑。

1 轻型火箭炮发射底盘异常振动测试

项目组研发的某轻型火箭炮发射底盘在炮弹装载过程中存在低频异常振动现象,严重影响了炮弹装载精度,妨碍了轻型火箭炮发射底盘智能巡航、自动装载目标定位的达成。为了研究轻型火箭炮发射底盘装载过程中异常振动产生的原因,对炮弹装载工况下轻型火箭炮发射底盘的振动情况进行了测试。测试采用压电式加速度传感器,对炮弹装载导轨、发射底盘电机支架(电机悬置上方)、发射底盘电机悬置安装点(电机悬置下方)处的振动信号进行了采集,电机及传感器安装位置如图1所示,并对采集数据进行了分析,得到各测点的位移-时间及功率谱密度曲线,如图2所示。

由图2可知,位于电机悬置上方的电机悬置安装点在2.5 Hz附近其功率谱密度曲线出现峰值,其峰值大小为0.42 m/s2,由于其位于电机悬置的上方,其振动冲击主要是由于电机运转过程中产生的动不平衡引起;位于电机悬置下方的电机支架测点,其功率谱密度曲线在2.48 Hz附近出现峰值,其峰值大小为0.76 m/s2,明显高于电机悬置安装点的功率谱峰值,即电机悬置未起到明显的减隔振效果;位于装载导轨的测点,其功率谱密度曲线在2.51 Hz附近也出现峰值,其峰值大小为0.67 m/s2,即装载导轨测点、电机支架测点及电机悬置测点在电机动不平衡激励频率附近均出现峰值。

2 轻型火箭炮发射底盘固有频率计算

以有限元仿真分析软件Hypermesh为平台,采用大小为10 mm的壳单元对火箭炮发射底盘进行网格划分,构建的轻型火箭炮发射底盘有限元仿真模型如图3所示。

该轻型火箭炮发射底盘共有节点277 206个,单元371 323个。轻型火箭炮发射底盘整体装备质量为2 105 kg,其中电池组2个,每个电池组的质量为450 kg,电机及支架的质量为86 kg,电机通过橡胶悬置安装在底盘托架上,电机悬置的动刚度为6 580 N/m。采用自由边界条件下火箭炮发射底盘的模态分析,得到该轻型火箭炮发射底盘前6阶非零固有频率,如表1所示。其中,该轻型火箭炮发射底盘的第1阶固有频率的振型如图4所示。

表1 某轻型火箭炮发射底盘前6阶非零固有频率

该轻型火箭炮发射底盘在装载炮弹时,其电机的工作转速约为150 r/min,考虑到电机加工及制造误差,电机在工作过程中存在动不平衡因素,即电机每转1圈,会产生1个动不平衡冲击激励,由于电机的转速为2.5 r/s,即相当于电机在工作过程中会产生频率为2.5 Hz的冲击激励,这与试验中采集到的电机悬置上方测点在2.48 Hz时出现振动峰值相符。由图4可知,该轻型火箭炮发射底盘的第1阶固有频率为2.39 Hz,主要表现为电机悬置的局部振动,这与试验中采集到的装载导轨测点在2.51 Hz附近出现峰值相符。由上面的分析可知,轻型火箭炮发射底盘低频异常振动产生的原因是由于电机运行过程中产生的冲击激励与发射底盘的第1阶固有频率重合从而产生的共振现象引起的。

3 电机悬置的优化技术

为了降低电机高速转动时产生的动载对轻型火箭炮发射底盘的冲击,通常在电机与底盘之间串联橡胶装置,即通常所指的电机悬置。电机悬置使电机和底盘之间的连接由刚性连接变为弹性连接,采用合适的电机悬置参数,能够有效地隔断电机高速运动时产生的振动向底盘传播,明显降低轻型火箭炮发射底盘的低频振动。

为了研究电机悬置的隔振效果,建立电机悬置系统振动理论模型,如图5所示。

由图5可以得出电机振动的微分方程为

(1)

式中:m为电机悬置的质量,m=86 kg;c为电机悬置的阻尼,c=2 660 N·s/m;k为电机悬置的刚度,k=6 580 N/m;F0为电机运动过程中产生的动载荷幅值,根据测量结果,F0=2 150 N;ω为电机运动过程中产生的动载激励频率,ω=7.85 rad/s。

电机悬置系统的固有角频率ω0、电机悬置系统的频率比λ、系统的相对阻尼系数ξ分别为

则式(1)可以转化为

(2)

电机悬置系统的稳态响应为

x(t)=Bei(ωt-θ),

(3)

式中:

(4)

(5)

隔振后通过弹簧和阻尼器传到轻型火箭炮发射底盘上的力为

(6)

则隔振系数可以表示为

(7)

由ω=7.85 rad/s,ω0=8.75 rad/s,λ=0.897,ξ=0.25可知,电机悬置的隔振系数TF为2.24,即电机运动过程中产生的动载荷经过电机悬置隔振后,其振动幅值增加为原来的2.24倍,即电机悬置未起到隔振效果,电机运行过程中产生的动载荷作用到轻型火箭炮的发射底盘上,导致了火箭炮发射底盘的低频异常振动现象。

由式(7)可知,要改变隔振系统的隔振系数,可以通过调节隔振系统的刚度及阻尼实现,但在工程实际中,隔振系统阻尼参数的调节较难实现,故笔者采用调节电机悬置刚度的方法来优化电机悬置的隔振效果。

由振动学知识可知,要使隔振系统取得良好的隔振效果,隔振系统的频率比应满足λ>1.414。在不改变电机质量的前提下,对电机悬置进行优化设计,选用不同的橡胶配方及硫化工艺生成不同的电机悬置试件,并通过刚度试验进行选型,使电机悬置的刚度k由原来的6 580 N/m降低为1 645 N/m。优化后,电机悬置的固有频率ω′0=4.37 rad/s,频率比λ′=1.796,可得其隔振系数为0.56,即电机动不平衡产生的冲击激励经电机悬置减隔振后作用到火箭炮发射地盘上时,其振动幅值降为原来的56%。优化后的电机悬置明显降低了电机动载对轻型火箭炮发射底盘的冲击,达到了改善轻型火箭炮发射底盘低频异常振动的效果。

4 优化后电机悬置隔振效果分析

为了验证优化后电机悬置的隔振效果,采用有限元仿真和试验验证相结合的方法,对电机悬置优化后轻型火箭炮发射底盘的低频异常振动现象进行分析。

电机悬置优化后轻型火箭炮发射底盘的前6阶非零固有频率如表2所示。优化后轻型火箭炮发射底盘的第1阶固有频率的振型如图6所示。

表2 电机悬置优化后发射底盘前6阶非零固有频率

电机悬置优化前,轻型火箭炮发射底盘的第1阶固有频率阵型如图4所示,其第1阶固有频率为2.39 Hz,振型主要表现为电机及电机悬置附近的局部振动,该固有频率与电机工作过程中产生的动不平衡激励频率接近,为轻型火箭炮低频异常振动产生的主要原因之一。采用优化后的电机悬置后,轻型火箭炮发射底盘的第1阶固有频率阵型如图6所示,其第1阶固有频率提高到5.38 Hz,振型为火箭炮发射底盘的一阶弯曲,即采用优化方案后,轻型火箭炮发射底盘的第1阶固有频率明显提高,避免了电机动不平衡冲击激励与火箭炮发射底盘的共振,从而改善了火箭炮发射底盘的低频异常振动现象。

为了验证电机悬置优化后的轻型火箭炮发射底盘的振动效果,对轻型火箭炮发射底盘在炮弹装载过程中导轨位置处的振动信号进行测试,并与电机悬置优化前导轨处的振动信号进行对比,得到电机悬置优化前后装载导轨位置处的功率谱密度变化曲线,如图7所示。