謝克瑜，袁偉群，徐 蓉，郭有松

（1.中國科學院 電工研究所，北京100190；2.中國科學院 電力電子與電氣驅(qū)動重點實驗室，北京100190；3.常州容大結構減振設備有限公司，江蘇 常州213132）

射程遠，射速高，彈丸飛行速度快等是電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢。而這些優(yōu)勢也決定了電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)會產(chǎn)生極大的后坐力作用。隨著電磁軌道發(fā)射技術研究的不斷推進，后坐力的影響越來越不容忽視。

電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)的電磁力有較寬的峰值，可能導致較大的后坐距離及較長的復進時間，不利于電磁發(fā)射系統(tǒng)的精確、快速發(fā)射［1－2］。

反后坐裝置是發(fā)射器的核心機構之一。反后坐裝置使作用在發(fā)射器身上巨大的沖擊力傳遞到發(fā)射器架上只有原來的十幾分之一到二十幾分之一，使發(fā)射器架可以更加輕便，從而大大緩解了發(fā)射器威力和機動性之間的矛盾［3－4］。

發(fā)射器工作過程中，因脈沖大電流產(chǎn)生的強大后坐力會使發(fā)射器與消音腔脫離，并影響發(fā)射器的直線度，影響發(fā)射精度以及發(fā)射速度，為了消退這些不利因素，需要在裝置尾部設置駐退復進裝置。駐退復進裝置固定于底部機架。發(fā)射器發(fā)射時，后坐在駐退復進裝置上，裝置產(chǎn)生一個強大的阻尼力，消耗和吸收部分后坐動能，減小對機架的沖擊。后坐終了后，裝置復位，使發(fā)射器快速平穩(wěn)地復進到位。

經(jīng)過對電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射狀態(tài)以及后坐力的研究，引入阻尼液孔縮效應耗能和摩擦耗能的原理，研究其在反后坐技術中的運用及其在電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)的適應性。

1 后坐力分析

1.1 后坐力峰值計算

建立發(fā)射系統(tǒng)受力模型，如圖1所示。編號1～36列舉了36路電源；編號37～44為匯流排的兩極，為了更細致地分析各部位的受力情況，分別把每極分隔為4件；編號45、46為導軌的兩極。

圖1 發(fā)射系統(tǒng)受力模型

用ANSYS軟件對發(fā)射系統(tǒng)受力情況進行仿真分析，設置電流I＝2MA，頻率f＝100Hz，取z軸負向為電樞前進方向。仿真計算發(fā)射過程各部件受電磁力情況，各部件所受的電磁力分量Fz如表1所示［5－6］。

表1 發(fā)射系統(tǒng)受力表

根據(jù)表2各部件電磁力分量Fz得出發(fā)射系統(tǒng)所受電磁力z向分量F＊z：

后坐力峰值Fn大小等于發(fā)射系統(tǒng)各部件所受電磁力z向分量的合力F＊z，方向朝z軸正向。

為方便計算，取Fn＝2 250kN。

1.2 后坐力作用曲線

根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)的電流特性給出電源系統(tǒng)的模擬電流波形，計算得出后坐力變化曲線，如圖2所示［7］，0.5～2.5ms到達峰值225T。此方法所得峰值電流與1.1仿真計算結果一致。

圖2 電流和后坐力變化曲線

1.3 初速度計算

建立發(fā)射系統(tǒng)模型，如圖3所示。發(fā)射器本體和匯流排組成一個整體，由基座支撐并能在其上沿發(fā)射方向自由滑動。

圖3 發(fā)射系統(tǒng)模型

電樞質(zhì)量m1＝5kg，電樞速度v1＝2 500m／s；

發(fā)射系統(tǒng)質(zhì)量（含發(fā)射器整體和匯流排）m2＝7 500kg。有：

發(fā)射系統(tǒng)后坐初速度v2＝1.7m／s，取v2＝2m／s，初動能E＝m2v22／2＝75 000×2×2／2＝1 500J。

2 反后坐裝置設計

2.1 反后坐裝置設計原理

采用彈簧與阻尼器配合形成駐退復進機構。

1）駐退結構。

阻尼液流體在結構中運動，與活塞及內(nèi)壁發(fā)生相互作用，使得流體動能轉(zhuǎn)化為熱能，粘滯流體的動能向熱能轉(zhuǎn)換，通過摩擦耗能和孔縮效應耗能兩個方面來進行［8－10］。阻尼液作用原理如圖4所示。

圖4 阻尼液作用原理

F1為孔縮阻尼力，F(xiàn)2為粘度阻尼力，C1為孔縮阻尼系數(shù)，C2為粘度阻尼系數(shù)，v為活塞相對速度，n為孔縮衰減系數(shù)，m為粘度衰減系數(shù)，D為缸體內(nèi)徑，D0為活塞直徑，d為活塞桿直徑，b為活塞寬度，k為冪律流體稠度系數(shù)，單邊間隙寬度h＝（D－D0）／2，ρ為介質(zhì)密度，∑ζ為損耗系數(shù)。

孔縮效應耗能：在缸式粘滯阻尼器中，當粘滯流體從缸桶中流經(jīng)阻尼孔或間隙時，隨著流體截面逐漸擴張或縮小，從而產(chǎn)生局部阻尼，引起能量損失，稱為孔縮效應耗能，包括入口收縮能量損失與流束擴大能量損失。其阻尼力表達方式為

摩擦耗能：由于粘度的存在，流體在管道中流動時，流體與管壁以及流體介質(zhì)之間存在摩擦力，流體沿流動路程將受到摩擦力的阻礙，由于沿程阻尼產(chǎn)生的能量損失稱為沿程損失［11］。其阻尼力可以表示為

2）復進結構。

在駐退過程中，彈簧被壓縮，后坐終了時產(chǎn)生形變量Δx，貯存復進的彈性能量。后坐終了時，彈簧提供回復的彈性力，釋放能量，使后坐平穩(wěn)復進到位。在發(fā)射器前端設計有阻擋塊，使發(fā)射器能精確回復到位。

2.2 阻尼器參數(shù)設計

根據(jù)上文，考慮采用彈簧＋粘滯阻尼器來實現(xiàn)。彈簧提供回復力，假設彈簧位時速度為0；彈簧預壓ΔL。

式中：K為彈簧剛性系數(shù)，F(xiàn)mp為發(fā)射器摩擦力，F(xiàn)ms為活塞摩擦力，F(xiàn)d為阻尼力，E為初動能，s為行程，ΔL為彈簧預壓縮量。

表2 設計彈簧參數(shù)

表3 阻尼器參數(shù)選擇

根據(jù)表2和表3計算結果選取：阻尼器理論阻尼力為950kN，阻尼器行程65mm，彈簧剛度1 900kN／m，彈簧預壓量50mm，彈簧理論行程105mm。

2.3 發(fā)射器駐退時的運動方程

將合力等效移動到后坐部分質(zhì)心，發(fā)射器與阻尼器的活塞桿形成一體運動。

式中：m為發(fā)射器質(zhì)量和阻尼器活塞桿質(zhì)量之和，C為阻尼器合阻尼系數(shù)，F(xiàn)n為后坐力峰值。

2.4 發(fā)射器復進時的運動方程

發(fā)射器復進時的運動方程：

2.5 駐退時間計算及與速度、位移的關系

駐退時間計算：

式中：mA為發(fā)射器滑動部分總質(zhì)量。

速度由2m／s變化到0，持續(xù)時間t＝0.085s。駐退速度、位移隨時間的變化曲線如圖5。

納他霉素是一種抗真菌制劑，對霉菌和酵母菌具有極強的抑制作用，因此在醬油、食醋等調(diào)味品中單獨添加納他霉素，可防止霉菌和酵母菌引起的變質(zhì)。陸曉濱等[28]研究了納他霉素在醬油中的應用，當納他霉素添加量為15 mg/kg時，能夠有效抑制醬油中耐鹽性酵母菌的生長繁殖，防止白花的出現(xiàn)，且納他霉素使用成本低，對醬油的品質(zhì)和風味無影響[29]。同時，在蠔油中添加納他霉素，可以有效抑制蠔油的霉變，延長保質(zhì)期達4周以上。姚勇芳等[30]研究表明納他霉素在醬油中應用效果良好，能有效抑制霉菌生長，提高產(chǎn)品貨架期。

圖5 速度和位移隨時間的變化曲線

2.6 復進時間計算及與速度、位移的關系

回復過程：持續(xù)時間大約為0.92s，復進速度、位移隨時間的變化曲線如圖6所示。

圖6 速度、位移隨時間的變化曲線

2.7 后坐過程中的能量關系

初動能E＝1 500J。

發(fā)射器摩擦力：

式中：發(fā)射器與基座的摩擦系數(shù)μ＝0.1，發(fā)射器的質(zhì)量m2＝7 500kg。

發(fā)射器摩擦力耗能：

活塞摩擦力耗能：

彈簧最大儲存能量：

阻尼力耗能：

總耗能：

2.8 反后坐裝置結構

根據(jù)上文計算結果，設計反后座裝置，如圖7所示。

圖7 反后坐裝置結構

3 結束語

本文采用阻尼液孔縮效應耗能和摩擦耗能的原理設計電磁軌道發(fā)射器用反后坐裝置，大量吸收電磁軌道發(fā)射產(chǎn)生的后坐動能，以達到快速駐退并精確復位的效果。這在能量巨大的電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)中，對其精確快速發(fā)射起到了極其重要的作用。

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