炮塔转动阻尼系数试验测试技术

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Measurement Technology of Damping Coefficient in Turret RunningW ANG Bao-yuan，(Northwest InstituteHENG Gang，ZHOU Fa-ming，YU Hua-sa，CHEN Yan-huiof Mechanical and Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China)Abstract：There existed damping during turret running.The damping not only has influence on the dy-namical characteristics of turret servo system.but also on the dynamical characteristics of gun structure。

In order to study the measuring technology of the damping coefficient in turret running，a kind of measu-ring principle and method of the damping coefficient was put forward.Using the chassis used to supportturret to form a measuring instrument，releasing the restraint of the traversing mechanism ，with the helpof springs，the turret was changed into a spring-inertia system.Under the condition of initial external dis-turbance，a free decaying vibration was taken place in the turret. By means of measuring the vibrationcurve and processing the acquired data，the damping coefficient during turret running were obtained.Forthe sake of validating above principle and method，the simulation instrument of turret running was de-signed，the damping coefficient in instrument running were measured.The results showed that the princi-pie and method can be used for measuring the damping coefficient during turret running，the measuringprecision can be satisfied with the requirements for use。

Key words：turret； running；damping coefficient；measuring technology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，-方面对火炮随动系统特性有影响，另-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 。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收稿日期 ：2012-O1-1z；修回 日期 ：2012-06-09作者简介：王宝元 (1959-)，男，研究员级高级工程师，主要从事火炮结构动力学理论分析和实验研究。E-mail：baoyuan202###163.com· 68 · 火炮发射与控制学报 2013年 3月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-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-线弹簧，线弹簧的另-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 0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-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 。

感器图1 炮塔 转动 阻尼 系数测 试原理 示意 图 (俯视 图)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 ]星 2 十 P。z- 0 (1)式中： 是与阻尼有关的参数；P是与固有频率有关的参数；z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 > 1时 ，称为强阻尼状态；当 善< 1时，称为弱阻尼(或称为小阻尼)状态；当 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：z - Ae- sin( ) (3)式中，A与 为待定常数，它撒于初始条件。由式(3)可知 ，系统振动是振幅被限制在曲线 ±Ae～ 之内，随时间不断衰减的衰减振动。当 t- C×。，z- 0，振动最终消失 。图 2是这种衰减振动的响应曲线 。

图2 典型 的弱阻尼条 件下 自由振动衰 减曲线阻尼对 自由振动的影响有两个方面 ：1)使系统振动的周期 T 略有增大。当阻尼比较小时 ， 《 1，系统振动的周期 T 为：pT ≈T[1专(詈)。]-TEl十专 ](4)式中，T- z.E为无阻尼 自由振 动的周期。例如在p- 詈-0.05时，T -1.o01 25T；而在 -詈-0.10时 ，T -1.005T，即该阻尼仅使振动周期增加0.5 。所以在阻尼较小时，对周期的影响可以忽略不计。

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：-A 1： · (5) - 式中：刀为减幅系数； 为衰减系数。

越大表示阻尼越大 ，振幅衰减也越快。当 -0.05时， - 1.37，A2- - 0.73Al，即振动 1第 1期 王宝元，等：炮塔转动阻尼系数试验测试技术 · 69 ·周后振幅已减小 27 ，可见衰减是显著的。

实用上为了避免取指数值的不方便，常用对数减幅 来代替减幅系数 。

- in - lne 1 T1 (6) 2- 南 ：- - (7)- 、，/1-当 《 1时，艿≈ 27c ，如 - 0.05时， - 0.314。

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 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-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校图3 模拟 炮塔试 验装 置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星位移，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 ，最后，采用式(8)计算相对阻尼系数 。

通过试验测试，得到了模拟炮塔自由振动衰减曲线，同-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 ，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 r为0.024，属于小阻尼系统。

0.10- 0.1U 1. 77 3.54 5.3lf/s图4 模拟炮塔 自由振动衰减曲线表 1 模拟炮塔自由振动相对阻尼系数测试结果(第 1组)序号 1 2 3 4 5 6 7振幅 A/g 0.084 0.074 0.064 0.055 0.047 0.038 0.029相邻振幅比 . ss . ss . s . 。 ，zs .s 。

对数减幅相对阻尼系数 f平均 0.178平均 0.0283 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。

图5 转动 惯量标 准块试样标准块绕 回转中心的转动惯量计算公式为：T j-(是1k2)Z ( )。 (9)厶 毒用试验方法测得振动周期 T、弹簧系数 k 和k。，并将 z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 J，称此转动惯量为测试值。同- 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· 70 · 火炮发射与控制学报 2O13年 3月验测试值是 0.809 6 kg·ITI ，而它的理论计算值是0.829 6 kg·m ，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. I/(kg·m ) 相对 序号 T/s - 误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-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 r：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。