炮塔轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)試驗測試技術(shù)

王寶元，衡 剛，周發(fā)明，喻華薩，陳彥輝

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

火炮結(jié)構(gòu)中都存在著阻尼，阻尼對火炮結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性有著重要的影響。阻尼不僅要消耗運動結(jié)構(gòu)的能量，增加驅(qū)動機構(gòu)的輸入功率,而且阻尼又能減小振動體的響應(yīng)，對減振有利，對提高火炮射擊密集度有好處。炮塔通過座圈和底盤連接，炮塔在座圈上轉(zhuǎn)動時的阻尼，一方面對火炮隨動系統(tǒng)特性有影響，另一方面對火炮結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)測試也有影響。因此，炮塔轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)試驗測試很有意義[1-3]。由于炮塔轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)試驗測試的復(fù)雜性和難度，到目前為止，還沒有見到炮塔轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)試驗測試的相關(guān)報道，動力學(xué)分析時基本都是使用沒有經(jīng)過驗證的經(jīng)驗系數(shù)?；鹋趧恿W(xué)分析和型號研制迫切需要開展炮塔轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)試驗測試研究，以提高火炮型號的研制水平。為此，筆者提出一種炮塔在座圈上轉(zhuǎn)動時的阻尼系數(shù)試驗測試原理和方法，用設(shè)計的專用模擬炮塔試驗裝置進行了原理驗證試驗，完成了某自行火炮炮塔在其自身座圈上轉(zhuǎn)動時的相對阻尼系數(shù)試驗測試。

1 測試原理

火炮炮塔轉(zhuǎn)動時，其速度相對較低，表現(xiàn)出粘性阻尼特性。以炮塔轉(zhuǎn)動為研究對象，建立炮塔轉(zhuǎn)動力學(xué)模型。炮塔和底盤不分離，僅解除炮塔方向機約束，使炮塔能繞其回轉(zhuǎn)中心自由轉(zhuǎn)動，在身管兩側(cè)各連接一線彈簧，線彈簧的另一端和固定物體連接。這樣，炮塔就形成了慣量彈簧系統(tǒng)，在某外界初始擾動作用下，炮塔會產(chǎn)生自由衰減振動。

圖1給出了炮塔轉(zhuǎn)動相對阻尼系數(shù)試驗測試裝置的基本構(gòu)成和測試原理示意圖，圖中點O為炮塔回轉(zhuǎn)中心，A點為炮口，身管和炮塔無相對運動。炮塔轉(zhuǎn)動相對阻尼系數(shù)試驗測試裝置的基本構(gòu)成包括彈簧、加速度傳感器、動態(tài)信號分析儀，筆記本電腦，連接彈簧的試驗支架，測試儀器均為通用型，便于推廣。在某一外界初始擾動條件下，炮塔會發(fā)生自由衰減振動，用加速度傳感器及動態(tài)信號分析儀記錄炮塔轉(zhuǎn)動響應(yīng)衰減振動曲線，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，即可得到炮塔轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)。

本文提出的炮塔轉(zhuǎn)動相對阻尼系數(shù)試驗測試方法，其關(guān)鍵技術(shù)表現(xiàn)為，利用自行火炮自身的底盤作為測試臺架，省去了建造專用測試臺架昂貴的費用，測試系統(tǒng)不需占用專用測試場地，在實際火炮上測試，靈活方便，方法簡單，結(jié)果可靠。

粘性阻尼自由振動系統(tǒng)運動方程式為[4-5]

(1)

式中：n是與阻尼有關(guān)的參數(shù);p是與固有頻率有關(guān)的參數(shù);x是振動響應(yīng)位移量。

定義下式為相對阻尼系數(shù)：

(2)

機械振動理論指出，當(dāng)ζ>1時，稱為強阻尼狀態(tài)；當(dāng)ζ<1時，稱為弱阻尼(或稱為小阻尼)狀態(tài)；當(dāng)ζ=1時，稱為臨界阻尼狀態(tài)。根據(jù)多年工程研究可知，炮塔在其座圈上轉(zhuǎn)動就是弱阻尼狀態(tài)，采用本文方法得到的炮塔轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)遠小于1。因此，下面只討論弱阻尼狀態(tài)。

在弱阻尼狀態(tài)下，方程式(1)的解為：

(3)

式中，A與φ為待定常數(shù)，它取決于初始條件。由式(3)可知，系統(tǒng)振動是振幅被限制在曲線±Ae-nt之內(nèi)，隨時間不斷衰減的衰減振動。當(dāng)t→∞，x→0，振動最終消失。圖2是這種衰減振動的響應(yīng)曲線。

阻尼對自由振動的影響有兩個方面：

(4)

2)阻尼使系統(tǒng)振動的振幅按幾何級數(shù)衰減，相鄰兩個振幅之比為：

(5)

式中:η為減幅系數(shù)；n為衰減系數(shù)。

實用上為了避免取指數(shù)值的不方便，常用對數(shù)減幅δ來代替減幅系數(shù)η。

(6)

(7)

當(dāng)ζ?1時，δ≈2πζ，如ζ=0.05時，δ=0.314。

式(7)經(jīng)過整理，得：

(8)

阻尼系數(shù)計算步驟：

1)用試驗測試的方法得到炮塔繞其回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動時的自由振動衰減曲線。

2)按照式(6)計算對數(shù)減幅δ。

3)按照式(8)計算相對阻尼系數(shù)ζ。

2 試驗測試

為了驗證本文提出的炮塔轉(zhuǎn)動相對阻尼系數(shù)試驗測試原理和方法的正確性，專門設(shè)計了一套模擬炮塔試驗裝置，如圖3所示。它由模擬炮塔(標(biāo)準(zhǔn)塊)、模擬底盤和彈簧組成，依靠彈簧組成慣量彈簧振動系統(tǒng)，模擬炮塔相對于模擬底盤繞其回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動，在回轉(zhuǎn)軸上安裝有軸承。因此，模擬炮塔轉(zhuǎn)動阻尼很小。

下面通過試驗手段測試該模擬炮塔轉(zhuǎn)動時的阻尼系數(shù)。其做法是，首先使模擬炮塔偏離其平衡位置微小角位移，然后突然釋放，這時，在彈簧恢復(fù)力作用下模擬炮塔在其平衡位置附近作減幅衰減振動，用加速度傳感器測量模擬炮塔衰減振動響應(yīng)時間歷程曲線，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到衰減振動響應(yīng)時間歷程曲線上相鄰振幅的數(shù)值，采用式(6)計算對數(shù)減幅δ，最后，采用式(8)計算相對阻尼系數(shù)ζ。

通過試驗測試，得到了模擬炮塔自由振動衰減曲線，同一種狀態(tài)重復(fù)測量3次，測試曲線如圖4。經(jīng)過處理自由振動衰減曲線，得到了模擬炮塔振動相對阻尼系數(shù)ζ，表1給出了第1組測量數(shù)據(jù)，第2組和第3組相對阻尼系數(shù)測量數(shù)據(jù)分別為0.021和0.023，3組的平均值為0.024。圖3給出的模擬炮塔試驗裝置中模擬炮塔繞其回轉(zhuǎn)中心自由振動時的相對阻尼系數(shù)ζ為0.024，屬于小阻尼系統(tǒng)。

表1 模擬炮塔自由振動相對阻尼系數(shù)測試結(jié)果(第1組)

3 原理間接驗證

將模擬炮塔轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)塊，該標(biāo)準(zhǔn)塊由形狀規(guī)則的圓柱和圓臺組成，用它模擬如炮塔這樣的測試對象，它的轉(zhuǎn)動慣量很容易計算出來，稱此轉(zhuǎn)動慣量為理論值。如圖5所示。

標(biāo)準(zhǔn)塊繞回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量計算公式為：

(9)

用試驗方法測得振動周期T、彈簧系數(shù)k1和k2，并將l值代入上述公式就可以獲得驗證機構(gòu)中標(biāo)準(zhǔn)塊的轉(zhuǎn)動慣量I，稱此轉(zhuǎn)動慣量為測試值。同一種測試狀態(tài)重復(fù)試驗3次，結(jié)果如表2所示。

結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)塊繞其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量試驗測試值是0.809 6 kg·m2，而它的理論計算值是0.829 6 kg·m2，試驗測試值較理論計算值的相對誤差是2.4%，測試精度滿足工程要求。

表2 標(biāo)準(zhǔn)塊轉(zhuǎn)動慣量試驗測試結(jié)果

4 工程應(yīng)用

用該試驗測試方法，得到了某自行火炮的炮塔在底盤座圈上轉(zhuǎn)動時阻尼系數(shù)測試結(jié)果。試驗測試時，炮塔和底盤不分離，解除方向機約束，在身管兩側(cè)連接線彈簧，彈簧另一端與固定物體連接。這樣，炮塔就成為慣量彈簧系統(tǒng)。在外界初始干擾下，炮塔作微幅自由衰減振動。通過試驗測試得到炮塔自由振動衰減曲線，對該曲線經(jīng)過處理就可以得到相對阻尼系數(shù)。測試結(jié)果表明，方向機解除后炮塔在底盤座圈上轉(zhuǎn)動時的相對阻尼系數(shù)為ζ=0.080。依工程經(jīng)驗，該測試結(jié)果有效且可信。

在模擬炮塔試驗裝置中，經(jīng)過專門設(shè)計，轉(zhuǎn)動結(jié)合面上布置了軸承轉(zhuǎn)動，因此，阻尼很小，經(jīng)試驗測試，其相對阻尼系數(shù)僅為0.024。在實際炮塔中，轉(zhuǎn)動結(jié)合面(即座圈)上也布置有炮塔結(jié)構(gòu)固有的軸承，經(jīng)試驗測試，其相對阻尼系數(shù)也只有0.08。因此，該自行火炮炮塔轉(zhuǎn)動相對阻尼系數(shù)試驗測試結(jié)果有效且可信。

5 結(jié) 論

1)提出了炮塔轉(zhuǎn)動時的相對阻尼系數(shù)試驗測試原理和方法，巧妙利用支撐炮塔的底盤作為測試平臺，實現(xiàn)炮塔轉(zhuǎn)動相對阻尼系數(shù)試驗測試，它不必建造體積龐大的測試平臺，使用方便、靈活，成本低，測試精度能滿足工程要求。

2)設(shè)計了專用的模擬炮塔試驗裝置，得到了其相對阻尼系數(shù)試驗測試結(jié)果。

3)完成了某自行火炮的炮塔轉(zhuǎn)動時的相對阻尼系數(shù)試驗測試值，方向機解除后炮塔在底盤座圈上轉(zhuǎn)動是典型小阻尼系統(tǒng)。

致謝朱德發(fā)、吳三靈、張軍嶺也參加了本文的試驗測試與分析工作，為論文的完成付出了辛勤的勞動，在此表示感謝。

[1] 徐誠，王亞平.火炮與自動武器動力學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：59-60.

XU Cheng,WANG Ya-ping. Dynamics of gun and automatic weapon[M]. Beijing:Beijing Institute of Technology Press, 2006:59-60.(in Chinese)

[2] 王寶元，李魁武.自動武器機構(gòu)動力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003：175-178.

WANG Bao-yuan,LI Kui-wu.Dynamics of automatic weapon mechanism[M].Beijing:National Defence Industry Press, 2003:175-178.(in Chinese)

[3] 錢明偉，王良明.自行火炮行進間動力學(xué)模型及仿真研究[J].兵工學(xué)報，2004，25(5)：520-524.

QIAN Ming-wei,WANG Liang-ming.Modelling and simulation of dynamics for the self propelled artillery running on the road[J].Acta Armamentarii, 2004, 25(5)：520-524.(in Chinese)

[4] 清華大學(xué)工程力學(xué)系固體力學(xué)教研組振動組編.機械振動(上冊)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1980：44-49.

The vibration group of the teaching and research group of solid mechanics ,the department of engineering mechanics of Tsinghua University. Mechanical vibration(volume Ⅰ)[M].Beijing:China Machine Press,1980：44-49.(in Chinese)

[5] WILLIAM T. THOMSON.Theory of vibration with applications[M].15th ed. Beijing:Tsinghua University Press, 2005:27-34.