弹载设备旋转高过载仿真试验系统研究

王书宇，孙姗姗，杨钒

（1.陆军军官学院高过载弹药制导控制与信息感知实验室，安徽合肥230031；2.陆军军官学院五系弹药工程教研室，安徽合肥230031）

弹载设备旋转高过载仿真试验系统研究

王书宇1，2，孙姗姗2，杨钒1

（1.陆军军官学院高过载弹药制导控制与信息感知实验室，安徽合肥230031；2.陆军军官学院五系弹药工程教研室，安徽合肥230031）

为检测弹载设备在炮弹发射瞬间高速旋转引起的过载，设计并实现了一套旋转过载试验机。首先分析了弹载设备的受力情况，阐述了系统的原理与组成，重点讨论了瞬时制动技术的设计与实现。该系统模拟了弹载设备承受的巨大径向和切向惯性力，为检测弹载设备的抗高过载提供了技术手段。

旋转过载；瞬时制动；径向惯性力；切向惯性力

信息化炮弹是一种利用身管火炮发射，用弹体搭载任务设备的新型弹种。其中弹载设备包括多个精密部件，在发射过程中，承受着瞬时、高能、强冲击，最大过载可达到13 kg以上，如此恶劣的环境很容易造成部件的损坏[1]。为确保系统正常工作，在设计弹载设备时，必须进行抗高过载测试。

弹载设备在发射过程中主要承受了轴向、径向和切向过载[2]。轴向过载是由于弹丸受到火药气体压力造成的，可以通过跌落试验或空气炮等方法进行检测。径向和切向过载都是由于弹丸的瞬间高速旋转造成的，合为旋转过载，目前国内外只能利用缓慢加速的传统离心试验机对径向过载进行单独检测，而无法对整个旋转过载进行检测，主要原因是没有合适的技术手段为被测弹载设备提供巨大的切向加速度。

1 弹载设备受力分析

如图1所示，弹载设备通过刚性支架固定在弹丸内部。在发射过程中，根据经典内弹道模型[3]，由于被动旋转，弹载设备在膛内承受了巨大的径向和切向惯性力。

图1 弹载设备膛内受力分析图

1.1 径向惯性力

由于弹载设备与弹丸同时进行旋转运动，因此，弹载设备将产生径向加速度。在弹载设备的任一半径r处，质量为m的弹载设备产生的径向惯性力为Fr，则：

式中，ωn为弹丸旋转角速度。

对于等齐膛线火炮[4]，则:

式中，η为火炮膛线缠度；R为弹丸半径。

弹载设备所受径向惯性力在弹载设备的外径处最大：Frmax=，式中R1为弹载设备的外半径。

1.2 切向惯性力

在弹丸发射过程中，弹丸旋转将产生角加速度，并引起切向惯性力Ft，则：

弹载设备外表面处最大切向惯性力：

式中，pd为所受火药气体压力。

2 系统原理与组成

2.1 原理

模拟弹丸的径向过载，可以采用离心试验机将弹丸加速到很高的旋转速度。模拟弹丸的切向过载，需要提供给弹丸一个极大的切向加速度，采用普通动力装置很难做到这一点。分析弹丸的受力状态，可以采用反推法来近似地模拟，即令高速旋转状态下的弹丸瞬间停止。

根据能量守恒定律，如此大的动能如果仅靠机械摩擦力完成毫秒级的制动，会瞬间烧熔接触面。国内有单位尝试过采用航空刹片进行制动，效果不好。该系统中使用非接触式的能耗制动、磁粉制动和气液制动，将它们有机地联合起来，实现递进式的复合制动，实现了瞬间制动。

2.2 组成

系统主要由旋转电机、智能控制器、制动设备和操作台等组成，其中旋转电机是弹载设备旋转的动力源，通过变频，不仅自由转换不同的转速，同时用它进行制动，结构上与主轴直连，最大限度地减小传动损耗；智能控制器是系统的控制核心，接收操作命令及各传感器数据，在内部对数据进行处理，输出控制指令到各执行部件实现各种动作；制动设备由磁粉制动器和气液制动器组成，采用离合器与主轴相连，与变频制动共同作用，实现让高速旋转设备瞬间停止；操作台由主控计算机、监测计算机和控制面板组成，主控计算机用于设置测试环境参数，如旋转速度、加速度等。监测计算机用于监测旋转部件运行状况。控制面板用于发出各类控制指令，如开始、停止、启动摄像机等。

2.3 工作过程

待测弹载设备通过夹具固定在旋转主轴上，智能控制器接收操作台发送过来的旋转参数和开始指令，检查防护罩没有问题后，计算电机运行频率，发给变频器控制电机开始加速旋转，智能控制器通过高速编码器实时监测主轴转速，直到达到预设的旋转速度。收到制动指令后，电机通过变频实现能耗制动，先把旋转的速度逐步降下来，再配合磁粉制动器和气液制动器，实现弹载设备的瞬间停止。整个控制过程实现闭环控制，所有采集数据通过智能控制器返传到主控制计算机上进行显示，并最终传至数据记录设备进行保存、打印。

3 瞬时制动技术的实现

瞬时制动过程中，旋转各部件，尤其是刚性的连接构件，所受载荷不能超过设计极限。因此，三种制动方式不能同时启动，而是依次作用，使得总体制动力呈近似线性上升，不至于出现峰值，造成设备损坏。

三种制动启动顺序如图2所示，在0~T1内，进行能耗制动，从T1开始，进行磁粉制动，在T2开始，进行气液制动，到T3时，制动力达到最大。

图2 制动力随时间变化示意图

3.1 能耗制动[5]

变频器在带大位能负载高速下放时，从高速减至零速。在频率下降过程中，电动机产生与转速方向相反的大于负载的制动转距，以保证负载在下降过程中减速。从能量角度分析，电动机处于发电状态，动能转化为电能，经逆变器反馈至直流母线，使直流母线电压升高。此时变频器会控制刹车单元通过刹车电阻把升高的电压以热能的方式消耗掉。为了使得系统平稳降速，需要设置适当的减速时间，同时选择合适的制动电阻和制动单元。

3.2 磁粉制动

磁粉制动以高导磁粉体为工作媒介，以激磁电流变化为控制手段，达到控制传递，制动扭矩的目的。通过调节激磁电流就能方便的控制转矩，且转矩随激磁电流呈良好的线性关系。采用非磁饱和型结构和合理的磁路设计，转矩大、响应时间短、线性范围宽、转矩回差小，通过智能张力控制器等电控装置，满足瞬间的制动控制需要。

3.3 气液制动

为了保证制动过程的安全，将气囊式蓄能罐并联到制动装置中，由气体弹性贮能和高压流体阻尼来实现能量的瞬间吸收，既能保证减小冲击，又能制动效果明显。在实现过程中由电磁离合器实现同步分离，安全阀完成高压泄放与能量转换。此装置很好地实现复合的制动方式，保证安全可靠。

4 结束语

使用旋转过载试验机对某型信息化炮弹上的一块数据处理电路板进行径向和切向过载检测。通过图3和图4的比较不难看出，检测后的电路板上部分元件存在脱落、变形现象，表明这些元件需要采取额外的加固措施。该试验证明了试验机的有效性。

图3 弹载设备检测前

图4 弹载设备检测后

根据理论分析和试验结果，旋转过载试验机能够完成对弹载设备的径向和切向高过载测试任务，为研发新型信息化炮弹提供检测手段。同时，该试验机还可以用于检测其他武器系统上高速旋转部件的过载状况。

[1]钱立志.弹载任务设备抗高过载方法研究[J].兵工学报，200，35（6）：156-160.

[2]冯勇，徐振钦，赵岗．某火炮弹丸发射强度仿真分析[J]．系统仿真学报，2008（6）：1441-1443．

[3]金志明．枪炮内弹道学[M]．北京：北京理工大学出版社2004．

[4]华恭，欧林尔．弹丸作用和设计理论[M]．北京：国防工业出版社，1975．

[5]王云飞，杨耕.通用变频器-感应电机系统的电机耗能型制动控制方法[J]．电工技术学报，2006，（1）：200-208

Research on Simulation Test System of Rotating High Overload of Missile Borne Equipment

WANG Shu-yu1，2，SUN Shan-shan2，YANG Fan1
（1.Army Officer Academy High Overload Ammunition Guidance and Control and Information Perception Laboratory，Hefei Anhui 230031，China；2.Department of Ammunition Engineering，Five Department of Military Academy of Military Academy，Hefei Anhui 230031，China）

In order to detect the overload caused by the high-speed rotation of projectile-loaded equipment at the launch of the projectile，a set of rotating overload test machine is designed and implemented. This paper firstly analyzes the force situation of the projectile -loaded equipment，expounds the principle and composition of the system，and emphatically discusses the design and realization of the instantaneous braking technology. The system simulates the huge radial and tangential inertia force of the projectile -loaded equipment，which provides the technical means for the detection of the anti high overload of projectile-loaded equipment.

rotating overload；instantaneous braking；radial inertia force；tangential inertia force

T H871

A

1672-545X（2016）09-0023-03

2016-06-06

王书宇（1979-），男，安微合肥人，博士，讲师，研究方向：武器装备、仿真技术。