自动机两栖工作环境下的运动参数测试分析*

鲁 刚,何云峰,王昌明,包建东

(南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094)

水下轻武器在国外是一个研究的热点,俄罗斯、美国、德国、英国等许多国家已经研制出相关装备.两栖轻武器是最近几年才公开报道的装备,目前,俄罗斯的ASM-DT突击步枪是世界上唯一的一支两栖突击步枪[1].我国海岸线漫长,领海面积巨大,争议区域较多,且随着经济不断发展,对海洋资源和经济航道的依赖越来越强.如何有效保护海洋资源、有效保护经济航道、维护领海主权等问题都急需解决,同时也面临着前所未有的挑战.因此,适用于陆上和水下两种工作环境的轻武器研究具有重大意义.以前自动机参数的研究多针对于陆上,如文献[2-7]就针对陆上自动机的测试技术及虚拟测试技术进行了相关研究,对于水下自动机参数的研究也是近10年才展开,但是对于具有两栖要求的自动机则研究非常少,本文就是针对两栖工作环境下自动机的运动参数进行研究,并得出相应结论,为两栖武器的研究提供参考.

1 自动机运动规律测试系统设计

自动机运动诸元的测定,在自动武器的试验研究中是非常重要的.分析测得的运动曲线,可以判断自动机的运动是否平稳,能量的分配是否恰当,由各构件相互间的撞击引起的速度变化是否合理,还可以用来判断武器故障的原因.

自动机运动变化是十分剧烈的,速度一般在0～20 m/s之内.在自由行程阶段,1～2ms内自动机的速度会由静止急剧上升.后坐时,在走完自由行程和开锁行程后,速度可达到10 m/s左右;在运动过程中,由于撞击会引起速度的突变,在自动机的复进阶段,速度的变化会稍稍平稳.要真实反映自动机的运动规律,自动机运动测量系统应具有较宽的平坦的频率响应,大约是在从每秒几赫兹到每秒几千赫兹的范围内.

在进行自动机运动规律的研究时,不仅要测量某些点的速度或某一段的平均速度,而且要获得全过程的速度变化情况.本文利用感应测速原理,采用非电量的电测技术来达到这一要求.自动机运动规律分析系统是由永磁式感应测速传感器、放大器、智能瞬态波形记录分析仪和工业控制计算机组成.分析系统的框图如图1所示[8-10].

图1 自动机分析系统框图Fig.1 The diagram of au tom atic mechan isms parameter analyse system

分析系统中,永磁式感应测速传感器是通过电磁感应原理把自动机的运动速度变换成与其成一定比例关系的电动势.由于传感器的输出信号较微弱(实际测量时速度信号需要放大200倍左右,位移信号需要放大400倍左右),其后接入放大器.通过放大器,将传感器传输过来的信号进行调理并送入后续数据采集系统.放大器的输人电阻可达到几十千欧以上,可明显改善整个系统的动态特性.在放大器中有滤波器,可以削弱干扰信号对有用信号的影响.在测试时,由于自动机速度在火药作用的瞬间速度很大,所以放大器的响应频率一定要有足够大,否则,将不能精确地把输入信号传输给瞬态波形记录分析仪,使所得到的曲线不能真实反映自动机的运动情况.

图2 自制的永磁式感应测速传感器Fig.2 The magnetic induction velocity sensor

与陆上环境不同,当在水环境中测试时,能否获得成功在很大程度上决定于传感器性能的优劣.在制作永磁式感应测速传感器时,绝缘和屏蔽问题是非常重要的,由于测量过程中是将非电量信号转换成可测量的电量信号,系统绝缘不好就会引入干扰信号,降低被测信号的信噪比,在分析处理数据时,就会遇到诸多不便.因此,在绕制传感器时,需要采取相应的密封绝缘和屏蔽措施.

在自动机的运动过程,由于磁头件在传感器两线圈轴线位置运动时,除了水平方向上的运动外,不可避免地会在垂直方向有微小的跳动(在水环境中,由于水的阻力会使这一现象更为明显),这就会改变永久磁铁和铁芯的间距,从而使磁感应强度发生变化.在只有一个速度线圈时,由于磁感应强度的变化将使感应电动势和速度之间的比例系数发生变化,从而破坏了感应电动势和速度之间的正比关系,引人测量误差.在此进行改进,采用两个速度线圈串联的方法,减小了自动机上下跳动时对感应电动势的影响,使得感应电动势和速度之间的正比关系保持不变.测试实物图如图2所示.

2 自动机参数分析软件

编制的自动机各运动参数分析处理软件前面板如图3所示,部分源代码如图4所示.

图3 自动机各运动参数分析处理软件前面板Fig.3 The fron t in terface of au tom atic mechan isms param eter analyse soft

图4 自动机各运动参数分析处理软件的后面板Fig.4 The rear inter face of automaticm echanisms parameter analyse sof t

把测试时得到的每组试验数据分别调入该软件,就可以对数据进行相应的算法处理计算,可以直接得到灵敏度,同时将所测得的电动势曲线转换成速度-时间、位移-时间曲线,从而可以直接对自动机的运动速度、位移进行分析,并进行相应的计算.

3 自动机运动数据结果分析

3.1 陆上自动机运动规律

此次进行试验所用的器材为轻武器,此项试验是为了获得其自动机各机构在陆上射击时的参数.图5是单发发射时的一条典型自动机运动规律曲线,可通过运动曲线图判读出自动机在某点某段的能量变化情况.

进行了多次试验后,从中取3发试验数据进行分析,试验数据见表1.

表1 陆上自动机速度数据Tab.1 The data of autom atic mechan isms velocity in air

图5 陆上自动机的运动规律曲线Fig.5 The curve of autom atic mechan ismsmovement in air

3.2 水下自动机运动规律

该试验不仅要在陆上进行,也要在水下进行试验,本次试验进行了水深75 cm处的试验.图6是水下单发发射时的一条典型自动机运动规律曲线,可通过运动曲线图判读出自动机在某点某段的能量变化情况.

进行了多次试验后,从中取3发试验数据进行分析,试验数据见表2.

表2 水深0.75m自动机速度数据Tab.2 The data of automaticmechanisms velocity underw ater 0.75m

图6 水下自动机的运动规律曲线Fig.6 The curve of automaticm echanismsmovement underwater

3.3 试验结果分析

利用分析系统测得大量试验数据后,对试验数据进行分析,得出的结论能较好地解释试验现象.试验证实,分析系统稳定、可靠,且在进行水下试验时可以不受水介质的影响,能满足水陆两用速度测量的特殊要求.

经过对比自动机在陆上及水下运动时的试验曲线,可以看出:

1)自动机在水下运动时的速度低于在陆上运动时的速度,在复进阶段最明显,陆上复进阶段最大速度比在水中的速度大,陆上为水中的2倍左右.

2)自动机在水下运动时,运动比较平稳,在整个运动过程中没有明显的速度突变点,而在空气中会产生明显地波动.

3)自动机水下运动时,由于水阻力的影响,自动机不易后坐到位,这同时表明,水阻力对自动机的运动速度有很大的影响.

4)由于采用的是感应式的测试原理,对于位移是利用线圈绕制时的固有节距来获取的,利用得到的位移量结合采样频率换算得到了运动速度,从得到的数据看,在陆上的后坐和复进总时间与水中相差不大.

5)在水下运动的自动机由于水的缓冲作用,到位撞击现象不明显.

在自动机后坐时,后坐速度越大,损失的能量也越多,单纯地从提高自动机后坐初始速度是不能解决自动机后坐全行程的能量问题的.

4 结 论

本文介绍了自动机运动规律的分析方法、分析系统组成和分析软件,并对陆上及水下75 cm水深处自动机的运动性能进行了深入研究,根据试验曲线和获得的实际试验数据,分析了自动机在陆上及水下运动时所受的影响和差异.得到自动机在陆上的后坐及复进总时间与在水中的相差不大,在水下运动的自动机由于水的缓冲作用,到位撞击现象不明显,单纯提高自动机后坐初始速度无法有效解决自动机后坐能量问题等结论.为两栖武器自动机的研究提供了有益的参考.

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