弹载设备旋转高过载仿真试验系统研究
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：
一
３ 瞬 时制动技术 的实现 ２ 系统原 理与组成
２ 。 １ 原 理
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
２ ３
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎ ｏ ． ０ ９， ２ ０ １ ６
＝ ｍ ｒ
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
模 拟 弹丸 的径 向过 载 ，可 以采用 离 心 试 验机 将 呈近似线性上升 ， 不至于出现峰值 ， 造成设备损坏。 弹 丸加速 到很 高 的旋 转速 度 。模 拟 弹丸 的切 向过 载 ， 三 种制 动 启 动顺 序 如 图 ２所 示 ，在 ０ 一 Ｔ １内 ， 进 需要提供给弹丸一个极大 的切向加速度 ，采用普通 行能耗制动 ， 从Ｔ １ 开始 ， 进行磁粉制动 ， 在Ｔ ２ 开始 ， 动力 装置 很难 做 到这 一点 。分 析弹 丸 的受力 状 态 ， 可 进行气液制动 ， 到Ｔ ３ 时， 制动力达到最大 。 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 。
，
对于等齐膛线火炮 ： ｄ ｏ ｇ ｎ＝ ＇ Ｔ ｒ ｄ ｖ 则：
ｐ
ｐ
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。
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 ｌ ３ ｋ ｇ以上 ， 如此 恶 劣 的环 境 很
弹丸运动方 向
容易造成部件的损坏【 ｌ 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 Ｊ 。 轴向过载是 由于弹丸受到火药气体压
速度。
，
则：
２
＝ Ｆ ｔ ｔ Ｔ ￣ Ｏ
式中 ， 为弹 丸旋 转 角速度 。
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 １ ， 由于
对于等齐膛线火炮 ， ＝
摘 要： 为检 测弹栽设备在炮 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 测弹栽设备的抗 高过载提供 了技 术手段 。 关键词 ： 旋转过载 ； 瞬时制动； 径 向惯性 力； 切 向惯性力 中图分类号 ： Ｔ Ｈ８ ７ １ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ６ ） ０ ９ — ０ ０ ２ ３ — ０ ３
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 ， 则：
收稿 日期 ： ２ ０ １ ６ — ０ ６ — ０ ６
作者简介 ： 王书宇（ １ ９ ７ ９ 一 ） ， 男， 安微合肥人 ， 博士， 讲师， 研究方 向 ： 武器装备 、 仿真技术 。
制动 ， 实 现 了瞬 间制 动 。 ２ ． ２ 组成
３ ． １ 能耗制 动同 力源 ， 通过变频 ， 不仅 自由转换不 同的转 速 ， 同时用 变频器在带大位能负载高速下放时 ，从高速减 它进行制动 ， 结构上 与主轴直连 ， 最大限度地减小传 至零 速 。在频 率下 降过 程 中 ， 电动机 产 生与转 速 方 向 动损耗 ； 智 能控制器是系统的控制核心 ， 接收操作命 相反 的大于负载的制动转距 ，以保证负载在下 降过 令及各传感器数据 ， 在 内部对数据进行处理 ， 输出控 程 中减 速 。从 能 量角 度 分 析 ， 电动 机 处 于发 电状 态 ， 制指令到各执行部件实现各种动作 ；制动设备 由磁 动 能 转化 为 电能 ， 经 逆变 器 反馈 至 直 流母 线 ， 使 直 流 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 母线 电压升高 。此时变频器会控制刹车单元通过刹 停止 ； 操作 台由主控计算机 、 监测计算机和控制面板 车电阻把升高 的电压 以热能的方式 消耗掉。为 了使 需要设置适当的减速时间， 同时选 组成 ， 主控计算机用于设置测试环境参数 ， 如旋转速 得 系统平稳降速 ，
《 装备制造技术｝ ２ ０ １ ６ 年第 ０ ９ 期
弹载设 备旋 转高过载仿真试验 系统研究
王书字 １ ＇ ２ １ ｔ 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 ２ ３ ０ ０ ３ １ ；
２ ． 陆军军官学院五系弹药工程教研室 ， 安徽 合肥 ２ ３ ０ ０ ３ １ ）
图 １ 弹 载 设 备膛 内受 力分 析 图 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 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 ， 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 ， 弹载设备将产生径向加速度。在弹载设备的任一半 处 ，质量为 ｍ的弹载设备产生的径向惯性力为 而无法对整个旋转过载进行检测 ，主要原因是没有 径 ｒ 合适 的技术手段为被测弹载设备提供 巨大的切 向加
＂ ｒ ／ ｉ ｔ
则：
＝ｍ ｒ （ — ）
， ， ｌ
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 。
式 中， 叼为火炮 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： 一＝ ｍ Ｒ ∞ ： ， 式中Ｒ 为弹载设备的外半径。
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
一
３ 瞬 时制动技术 的实现 ２ 系统原 理与组成
２ 。 １ 原 理
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
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＝ ｍ ｒ
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
模 拟 弹丸 的径 向过 载 ，可 以采用 离 心 试 验机 将 呈近似线性上升 ， 不至于出现峰值 ， 造成设备损坏。 弹 丸加速 到很 高 的旋 转速 度 。模 拟 弹丸 的切 向过 载 ， 三 种制 动 启 动顺 序 如 图 ２所 示 ，在 ０ 一 Ｔ １内 ， 进 需要提供给弹丸一个极大 的切向加速度 ，采用普通 行能耗制动 ， 从Ｔ １ 开始 ， 进行磁粉制动 ， 在Ｔ ２ 开始 ， 动力 装置 很难 做 到这 一点 。分 析弹 丸 的受力 状 态 ， 可 进行气液制动 ， 到Ｔ ３ 时， 制动力达到最大 。 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 。
，
对于等齐膛线火炮 ： ｄ ｏ ｇ ｎ＝ ＇ Ｔ ｒ ｄ ｖ 则：
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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。
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 ｌ ３ ｋ ｇ以上 ， 如此 恶 劣 的环 境 很
弹丸运动方 向
容易造成部件的损坏【 ｌ 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 Ｊ 。 轴向过载是 由于弹丸受到火药气体压
速度。
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２
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式中 ， 为弹 丸旋 转 角速度 。
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 １ ， 由于
对于等齐膛线火炮 ， ＝
摘 要： 为检 测弹栽设备在炮 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 测弹栽设备的抗 高过载提供 了技 术手段 。 关键词 ： 旋转过载 ； 瞬时制动； 径 向惯性 力； 切 向惯性力 中图分类号 ： Ｔ Ｈ８ ７ １ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ６ ） ０ ９ — ０ ０ ２ ３ — ０ ３
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 ， 则：
收稿 日期 ： ２ ０ １ ６ — ０ ６ — ０ ６
作者简介 ： 王书宇（ １ ９ ７ ９ 一 ） ， 男， 安微合肥人 ， 博士， 讲师， 研究方 向 ： 武器装备 、 仿真技术 。
制动 ， 实 现 了瞬 间制 动 。 ２ ． ２ 组成
３ ． １ 能耗制 动同 力源 ， 通过变频 ， 不仅 自由转换不 同的转 速 ， 同时用 变频器在带大位能负载高速下放时 ，从高速减 它进行制动 ， 结构上 与主轴直连 ， 最大限度地减小传 至零 速 。在频 率下 降过 程 中 ， 电动机 产 生与转 速 方 向 动损耗 ； 智 能控制器是系统的控制核心 ， 接收操作命 相反 的大于负载的制动转距 ，以保证负载在下 降过 令及各传感器数据 ， 在 内部对数据进行处理 ， 输出控 程 中减 速 。从 能 量角 度 分 析 ， 电动 机 处 于发 电状 态 ， 制指令到各执行部件实现各种动作 ；制动设备 由磁 动 能 转化 为 电能 ， 经 逆变 器 反馈 至 直 流母 线 ， 使 直 流 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 母线 电压升高 。此时变频器会控制刹车单元通过刹 停止 ； 操作 台由主控计算机 、 监测计算机和控制面板 车电阻把升高 的电压 以热能的方式 消耗掉。为 了使 需要设置适当的减速时间， 同时选 组成 ， 主控计算机用于设置测试环境参数 ， 如旋转速 得 系统平稳降速 ，
《 装备制造技术｝ ２ ０ １ ６ 年第 ０ ９ 期
弹载设 备旋 转高过载仿真试验 系统研究
王书字 １ ＇ ２ １ ｔ 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 ２ ３ ０ ０ ３ １ ；
２ ． 陆军军官学院五系弹药工程教研室 ， 安徽 合肥 ２ ３ ０ ０ ３ １ ）
图 １ 弹 载 设 备膛 内受 力分 析 图 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 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 ， 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 ， 弹载设备将产生径向加速度。在弹载设备的任一半 处 ，质量为 ｍ的弹载设备产生的径向惯性力为 而无法对整个旋转过载进行检测 ，主要原因是没有 径 ｒ 合适 的技术手段为被测弹载设备提供 巨大的切 向加
＂ ｒ ／ ｉ ｔ
则：
＝ｍ ｒ （ — ）
， ， ｌ
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 。
式 中， 叼为火炮 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： 一＝ ｍ Ｒ ∞ ： ， 式中Ｒ 为弹载设备的外半径。
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