自動(dòng)機(jī)兩棲工作環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試分析*

魯 剛,何云峰,王昌明,包建東

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南京 210094)

水下輕武器在國外是一個(gè)研究的熱點(diǎn),俄羅斯、美國、德國、英國等許多國家已經(jīng)研制出相關(guān)裝備.兩棲輕武器是最近幾年才公開報(bào)道的裝備,目前,俄羅斯的ASM-DT突擊步槍是世界上唯一的一支兩棲突擊步槍[1].我國海岸線漫長(zhǎng),領(lǐng)海面積巨大,爭(zhēng)議區(qū)域較多,且隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,對(duì)海洋資源和經(jīng)濟(jì)航道的依賴越來越強(qiáng).如何有效保護(hù)海洋資源、有效保護(hù)經(jīng)濟(jì)航道、維護(hù)領(lǐng)海主權(quán)等問題都急需解決,同時(shí)也面臨著前所未有的挑戰(zhàn).因此,適用于陸上和水下兩種工作環(huán)境的輕武器研究具有重大意義.以前自動(dòng)機(jī)參數(shù)的研究多針對(duì)于陸上,如文獻(xiàn)[2-7]就針對(duì)陸上自動(dòng)機(jī)的測(cè)試技術(shù)及虛擬測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究,對(duì)于水下自動(dòng)機(jī)參數(shù)的研究也是近10年才展開,但是對(duì)于具有兩棲要求的自動(dòng)機(jī)則研究非常少,本文就是針對(duì)兩棲工作環(huán)境下自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行研究,并得出相應(yīng)結(jié)論,為兩棲武器的研究提供參考.

1 自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)諸元的測(cè)定,在自動(dòng)武器的試驗(yàn)研究中是非常重要的.分析測(cè)得的運(yùn)動(dòng)曲線,可以判斷自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)是否平穩(wěn),能量的分配是否恰當(dāng),由各構(gòu)件相互間的撞擊引起的速度變化是否合理,還可以用來判斷武器故障的原因.

自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)變化是十分劇烈的,速度一般在0～20 m/s之內(nèi).在自由行程階段,1～2ms內(nèi)自動(dòng)機(jī)的速度會(huì)由靜止急劇上升.后坐時(shí),在走完自由行程和開鎖行程后,速度可達(dá)到10 m/s左右;在運(yùn)動(dòng)過程中,由于撞擊會(huì)引起速度的突變,在自動(dòng)機(jī)的復(fù)進(jìn)階段,速度的變化會(huì)稍稍平穩(wěn).要真實(shí)反映自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)具有較寬的平坦的頻率響應(yīng),大約是在從每秒幾赫茲到每秒幾千赫茲的范圍內(nèi).

在進(jìn)行自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究時(shí),不僅要測(cè)量某些點(diǎn)的速度或某一段的平均速度,而且要獲得全過程的速度變化情況.本文利用感應(yīng)測(cè)速原理,采用非電量的電測(cè)技術(shù)來達(dá)到這一要求.自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析系統(tǒng)是由永磁式感應(yīng)測(cè)速傳感器、放大器、智能瞬態(tài)波形記錄分析儀和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成.分析系統(tǒng)的框圖如圖1所示[8-10].

圖1 自動(dòng)機(jī)分析系統(tǒng)框圖Fig.1 The diagram of au tom atic mechan isms parameter analyse system

分析系統(tǒng)中,永磁式感應(yīng)測(cè)速傳感器是通過電磁感應(yīng)原理把自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度變換成與其成一定比例關(guān)系的電動(dòng)勢(shì).由于傳感器的輸出信號(hào)較微弱(實(shí)際測(cè)量時(shí)速度信號(hào)需要放大200倍左右,位移信號(hào)需要放大400倍左右),其后接入放大器.通過放大器,將傳感器傳輸過來的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理并送入后續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).放大器的輸人電阻可達(dá)到幾十千歐以上,可明顯改善整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性.在放大器中有濾波器,可以削弱干擾信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的影響.在測(cè)試時(shí),由于自動(dòng)機(jī)速度在火藥作用的瞬間速度很大,所以放大器的響應(yīng)頻率一定要有足夠大,否則,將不能精確地把輸入信號(hào)傳輸給瞬態(tài)波形記錄分析儀,使所得到的曲線不能真實(shí)反映自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況.

圖2 自制的永磁式感應(yīng)測(cè)速傳感器Fig.2 The magnetic induction velocity sensor

與陸上環(huán)境不同,當(dāng)在水環(huán)境中測(cè)試時(shí),能否獲得成功在很大程度上決定于傳感器性能的優(yōu)劣.在制作永磁式感應(yīng)測(cè)速傳感器時(shí),絕緣和屏蔽問題是非常重要的,由于測(cè)量過程中是將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電量信號(hào),系統(tǒng)絕緣不好就會(huì)引入干擾信號(hào),降低被測(cè)信號(hào)的信噪比,在分析處理數(shù)據(jù)時(shí),就會(huì)遇到諸多不便.因此,在繞制傳感器時(shí),需要采取相應(yīng)的密封絕緣和屏蔽措施.

在自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程,由于磁頭件在傳感器兩線圈軸線位置運(yùn)動(dòng)時(shí),除了水平方向上的運(yùn)動(dòng)外,不可避免地會(huì)在垂直方向有微小的跳動(dòng)(在水環(huán)境中,由于水的阻力會(huì)使這一現(xiàn)象更為明顯),這就會(huì)改變永久磁鐵和鐵芯的間距,從而使磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化.在只有一個(gè)速度線圈時(shí),由于磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化將使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和速度之間的比例系數(shù)發(fā)生變化,從而破壞了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和速度之間的正比關(guān)系,引人測(cè)量誤差.在此進(jìn)行改進(jìn),采用兩個(gè)速度線圈串聯(lián)的方法,減小了自動(dòng)機(jī)上下跳動(dòng)時(shí)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響,使得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和速度之間的正比關(guān)系保持不變.測(cè)試實(shí)物圖如圖2所示.

2 自動(dòng)機(jī)參數(shù)分析軟件

編制的自動(dòng)機(jī)各運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析處理軟件前面板如圖3所示,部分源代碼如圖4所示.

圖3 自動(dòng)機(jī)各運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析處理軟件前面板Fig.3 The fron t in terface of au tom atic mechan isms param eter analyse soft

圖4 自動(dòng)機(jī)各運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析處理軟件的后面板Fig.4 The rear inter face of automaticm echanisms parameter analyse sof t

把測(cè)試時(shí)得到的每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別調(diào)入該軟件,就可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的算法處理計(jì)算,可以直接得到靈敏度,同時(shí)將所測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)曲線轉(zhuǎn)換成速度-時(shí)間、位移-時(shí)間曲線,從而可以直接對(duì)自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、位移進(jìn)行分析,并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算.

3 自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

3.1 陸上自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

此次進(jìn)行試驗(yàn)所用的器材為輕武器,此項(xiàng)試驗(yàn)是為了獲得其自動(dòng)機(jī)各機(jī)構(gòu)在陸上射擊時(shí)的參數(shù).圖5是單發(fā)發(fā)射時(shí)的一條典型自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線,可通過運(yùn)動(dòng)曲線圖判讀出自動(dòng)機(jī)在某點(diǎn)某段的能量變化情況.

進(jìn)行了多次試驗(yàn)后,從中取3發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1.

表1 陸上自動(dòng)機(jī)速度數(shù)據(jù)Tab.1 The data of autom atic mechan isms velocity in air

圖5 陸上自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線Fig.5 The curve of autom atic mechan ismsmovement in air

3.2 水下自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

該試驗(yàn)不僅要在陸上進(jìn)行,也要在水下進(jìn)行試驗(yàn),本次試驗(yàn)進(jìn)行了水深75 cm處的試驗(yàn).圖6是水下單發(fā)發(fā)射時(shí)的一條典型自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線,可通過運(yùn)動(dòng)曲線圖判讀出自動(dòng)機(jī)在某點(diǎn)某段的能量變化情況.

進(jìn)行了多次試驗(yàn)后,從中取3發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2.

表2 水深0.75m自動(dòng)機(jī)速度數(shù)據(jù)Tab.2 The data of automaticmechanisms velocity underw ater 0.75m

圖6 水下自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線Fig.6 The curve of automaticm echanismsmovement underwater

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用分析系統(tǒng)測(cè)得大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)后,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出的結(jié)論能較好地解釋試驗(yàn)現(xiàn)象.試驗(yàn)證實(shí),分析系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠,且在進(jìn)行水下試驗(yàn)時(shí)可以不受水介質(zhì)的影響,能滿足水陸兩用速度測(cè)量的特殊要求.

經(jīng)過對(duì)比自動(dòng)機(jī)在陸上及水下運(yùn)動(dòng)時(shí)的試驗(yàn)曲線,可以看出:

1)自動(dòng)機(jī)在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度低于在陸上運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度,在復(fù)進(jìn)階段最明顯,陸上復(fù)進(jìn)階段最大速度比在水中的速度大,陸上為水中的2倍左右.

2)自動(dòng)機(jī)在水下運(yùn)動(dòng)時(shí),運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn),在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中沒有明顯的速度突變點(diǎn),而在空氣中會(huì)產(chǎn)生明顯地波動(dòng).

3)自動(dòng)機(jī)水下運(yùn)動(dòng)時(shí),由于水阻力的影響,自動(dòng)機(jī)不易后坐到位,這同時(shí)表明,水阻力對(duì)自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度有很大的影響.

4)由于采用的是感應(yīng)式的測(cè)試原理,對(duì)于位移是利用線圈繞制時(shí)的固有節(jié)距來獲取的,利用得到的位移量結(jié)合采樣頻率換算得到了運(yùn)動(dòng)速度,從得到的數(shù)據(jù)看,在陸上的后坐和復(fù)進(jìn)總時(shí)間與水中相差不大.

5)在水下運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)機(jī)由于水的緩沖作用,到位撞擊現(xiàn)象不明顯.

在自動(dòng)機(jī)后坐時(shí),后坐速度越大,損失的能量也越多,單純地從提高自動(dòng)機(jī)后坐初始速度是不能解決自動(dòng)機(jī)后坐全行程的能量問題的.

4 結(jié) 論

本文介紹了自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析方法、分析系統(tǒng)組成和分析軟件,并對(duì)陸上及水下75 cm水深處自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了深入研究,根據(jù)試驗(yàn)曲線和獲得的實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析了自動(dòng)機(jī)在陸上及水下運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的影響和差異.得到自動(dòng)機(jī)在陸上的后坐及復(fù)進(jìn)總時(shí)間與在水中的相差不大,在水下運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)機(jī)由于水的緩沖作用,到位撞擊現(xiàn)象不明顯,單純提高自動(dòng)機(jī)后坐初始速度無法有效解決自動(dòng)機(jī)后坐能量問題等結(jié)論.為兩棲武器自動(dòng)機(jī)的研究提供了有益的參考.

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