炮塔转动阻尼系数试验测试技术

王宝元，衡 刚，周发明，喻华萨，陈彦辉

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

火炮结构中都存在着阻尼，阻尼对火炮结构的动力学特性有着重要的影响。阻尼不仅要消耗运动结构的能量，增加驱动机构的输入功率,而且阻尼又能减小振动体的响应，对减振有利，对提高火炮射击密集度有好处。炮塔通过座圈和底盘连接，炮塔在座圈上转动时的阻尼，一方面对火炮随动系统特性有影响，另一方面对火炮结构力学参数测试也有影响。因此，炮塔转动阻尼系数试验测试很有意义[1-3]。由于炮塔转动阻尼系数试验测试的复杂性和难度，到目前为止，还没有见到炮塔转动阻尼系数试验测试的相关报道，动力学分析时基本都是使用没有经过验证的经验系数。火炮动力学分析和型号研制迫切需要开展炮塔转动阻尼系数试验测试研究，以提高火炮型号的研制水平。为此，笔者提出一种炮塔在座圈上转动时的阻尼系数试验测试原理和方法，用设计的专用模拟炮塔试验装置进行了原理验证试验，完成了某自行火炮炮塔在其自身座圈上转动时的相对阻尼系数试验测试。

1 测试原理

火炮炮塔转动时，其速度相对较低，表现出粘性阻尼特性。以炮塔转动为研究对象，建立炮塔转动力学模型。炮塔和底盘不分离，仅解除炮塔方向机约束，使炮塔能绕其回转中心自由转动，在身管两侧各连接一线弹簧，线弹簧的另一端和固定物体连接。这样，炮塔就形成了惯量弹簧系统，在某外界初始扰动作用下，炮塔会产生自由衰减振动。

图1给出了炮塔转动相对阻尼系数试验测试装置的基本构成和测试原理示意图，图中点O为炮塔回转中心，A点为炮口，身管和炮塔无相对运动。炮塔转动相对阻尼系数试验测试装置的基本构成包括弹簧、加速度传感器、动态信号分析仪，笔记本电脑，连接弹簧的试验支架，测试仪器均为通用型，便于推广。在某一外界初始扰动条件下，炮塔会发生自由衰减振动，用加速度传感器及动态信号分析仪记录炮塔转动响应衰减振动曲线，经过数据处理，即可得到炮塔转动阻尼系数。

本文提出的炮塔转动相对阻尼系数试验测试方法，其关键技术表现为，利用自行火炮自身的底盘作为测试台架，省去了建造专用测试台架昂贵的费用，测试系统不需占用专用测试场地，在实际火炮上测试，灵活方便，方法简单，结果可靠。

粘性阻尼自由振动系统运动方程式为[4-5]

(1)

式中：n是与阻尼有关的参数;p是与固有频率有关的参数;x是振动响应位移量。

定义下式为相对阻尼系数：

(2)

机械振动理论指出，当ζ>1时，称为强阻尼状态；当ζ<1时，称为弱阻尼(或称为小阻尼)状态；当ζ=1时，称为临界阻尼状态。根据多年工程研究可知，炮塔在其座圈上转动就是弱阻尼状态，采用本文方法得到的炮塔转动阻尼系数远小于1。因此，下面只讨论弱阻尼状态。

在弱阻尼状态下，方程式(1)的解为：

(3)

式中，A与φ为待定常数，它取决于初始条件。由式(3)可知，系统振动是振幅被限制在曲线±Ae-nt之内，随时间不断衰减的衰减振动。当t→∞，x→0，振动最终消失。图2是这种衰减振动的响应曲线。

阻尼对自由振动的影响有两个方面：

(4)

2)阻尼使系统振动的振幅按几何级数衰减，相邻两个振幅之比为：

(5)

式中:η为减幅系数；n为衰减系数。

实用上为了避免取指数值的不方便，常用对数减幅δ来代替减幅系数η。

(6)

(7)

当ζ≪1时，δ≈2πζ，如ζ=0.05时，δ=0.314。

式(7)经过整理，得：

(8)

阻尼系数计算步骤：

1)用试验测试的方法得到炮塔绕其回转中心转动时的自由振动衰减曲线。

2)按照式(6)计算对数减幅δ。

3)按照式(8)计算相对阻尼系数ζ。

2 试验测试

为了验证本文提出的炮塔转动相对阻尼系数试验测试原理和方法的正确性，专门设计了一套模拟炮塔试验装置，如图3所示。它由模拟炮塔(标准块)、模拟底盘和弹簧组成，依靠弹簧组成惯量弹簧振动系统，模拟炮塔相对于模拟底盘绕其回转中心转动，在回转轴上安装有轴承。因此，模拟炮塔转动阻尼很小。

下面通过试验手段测试该模拟炮塔转动时的阻尼系数。其做法是，首先使模拟炮塔偏离其平衡位置微小角位移，然后突然释放，这时，在弹簧恢复力作用下模拟炮塔在其平衡位置附近作减幅衰减振动，用加速度传感器测量模拟炮塔衰减振动响应时间历程曲线，经过数据处理，得到衰减振动响应时间历程曲线上相邻振幅的数值，采用式(6)计算对数减幅δ，最后，采用式(8)计算相对阻尼系数ζ。

通过试验测试，得到了模拟炮塔自由振动衰减曲线，同一种状态重复测量3次，测试曲线如图4。经过处理自由振动衰减曲线，得到了模拟炮塔振动相对阻尼系数ζ，表1给出了第1组测量数据，第2组和第3组相对阻尼系数测量数据分别为0.021和0.023，3组的平均值为0.024。图3给出的模拟炮塔试验装置中模拟炮塔绕其回转中心自由振动时的相对阻尼系数ζ为0.024，属于小阻尼系统。

表1 模拟炮塔自由振动相对阻尼系数测试结果(第1组)

3 原理间接验证

将模拟炮塔转换为标准块，该标准块由形状规则的圆柱和圆台组成，用它模拟如炮塔这样的测试对象，它的转动惯量很容易计算出来，称此转动惯量为理论值。如图5所示。

标准块绕回转中心的转动惯量计算公式为：

(9)

用试验方法测得振动周期T、弹簧系数k1和k2，并将l值代入上述公式就可以获得验证机构中标准块的转动惯量I，称此转动惯量为测试值。同一种测试状态重复试验3次，结果如表2所示。

结果表明，标准块绕其回转中心的转动惯量试验测试值是0.809 6 kg·m2，而它的理论计算值是0.829 6 kg·m2，试验测试值较理论计算值的相对误差是2.4%，测试精度满足工程要求。

表2 标准块转动惯量试验测试结果

4 工程应用

用该试验测试方法，得到了某自行火炮的炮塔在底盘座圈上转动时阻尼系数测试结果。试验测试时，炮塔和底盘不分离，解除方向机约束，在身管两侧连接线弹簧，弹簧另一端与固定物体连接。这样，炮塔就成为惯量弹簧系统。在外界初始干扰下，炮塔作微幅自由衰减振动。通过试验测试得到炮塔自由振动衰减曲线，对该曲线经过处理就可以得到相对阻尼系数。测试结果表明，方向机解除后炮塔在底盘座圈上转动时的相对阻尼系数为ζ=0.080。依工程经验，该测试结果有效且可信。

在模拟炮塔试验装置中，经过专门设计，转动结合面上布置了轴承转动，因此，阻尼很小，经试验测试，其相对阻尼系数仅为0.024。在实际炮塔中，转动结合面(即座圈)上也布置有炮塔结构固有的轴承，经试验测试，其相对阻尼系数也只有0.08。因此，该自行火炮炮塔转动相对阻尼系数试验测试结果有效且可信。

5 结 论

1)提出了炮塔转动时的相对阻尼系数试验测试原理和方法，巧妙利用支撑炮塔的底盘作为测试平台，实现炮塔转动相对阻尼系数试验测试，它不必建造体积庞大的测试平台，使用方便、灵活，成本低，测试精度能满足工程要求。

2)设计了专用的模拟炮塔试验装置，得到了其相对阻尼系数试验测试结果。

3)完成了某自行火炮的炮塔转动时的相对阻尼系数试验测试值，方向机解除后炮塔在底盘座圈上转动是典型小阻尼系统。

致谢朱德发、吴三灵、张军岭也参加了本文的试验测试与分析工作，为论文的完成付出了辛勤的劳动，在此表示感谢。

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