CN103017662A - 火炮摇架五自由度振动位移测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火炮摇架五自由度振动位移测试方法，它分为三步实施，第一步，用激光位移跟随器测试火炮射击时摇架沿高低和前后线位移；第二步，用激光位移跟随器测试火炮射击时摇架沿方向线位移；在摇架上固定激光器，它随同摇架同步运动，在火炮周围地面上布置激光探测器，激光探测器接收激光器发射的激光；第三步，根据摇架振动线位移测试结果由计算模块得到摇架俯仰角位移和摇架左右摆动角位移。这样，就实现了摇架五自由度振动位移测试。该方法将会填补大口径火炮摇架五自由度振动位移测试方法的空白，为研究火炮结构振动影响射击密集度机理和提高火炮射击密集度性能提供了一种有效的测试方法，可显著提高火炮型号研制水平。

Description

火炮摇架五自由度振动位移测试方法

本发明涉及一种射击工况火炮摇架五自由度振动位移测试方法，具体地讲，本发明涉及一种大口径火炮在射击试验时摇架相对于大地沿高低、方向(或称为左右)、前后平动位移，以及摇架高低俯仰和左右摆动角位移测试方法。

技术背景

火炮武器在研制过程中，都要进行射弹散布(也就是射击密集度)性能试验。大口径火炮常进行最大射程地面密集度射击试验。弹丸地面射弹散布也就是火炮射击地面密集度，它是一组射弹散布围绕散布中心的密集程度，是火炮武器系统对目标命中效能的关键性战技指标，也是火炮武器系统效能和作战效能的重要基础性能参数。在现代化高新技术条件下，现代化炮兵战场上对抗的加剧，火炮武器系统的密集度具有十分重要的意义。显然，准确的炮火袭击，准确而快速地歼灭目标是对现代炮兵武器系统的最基本要求。目前，随着战争模式的变化，火炮对付的目标，其速度越来越快。要提高火炮的毁伤效果，提高其射击密集度是达到此目标的主要技术途径之一。在目标运动的未来位置，发射密集的弹丸或碎片，以此攻击运动目标。因此，与以往相比，现代战场对火炮武器系统射击密集度的要求更为突出，世界各国兵器研制部门和使用部门都在研究提高火炮武器系统射击密集度的理论和技术。

高技术条件下的现代战争对火炮武器的要求之一就是高精度、远射程、高机动性。为了提高火炮射程，人们将会采取制导炮弹、增加膛压和加长身管等措施。身管的加长和膛压的增加，直接的效果是火炮结构动力学特性恶化，炮口振动响应显著增加，射击密集度性能下降。为了在较短时间内发射密集的炮弹，人们寻求提高火炮射速的方法。火炮射速提高后，火炮振动加剧，又制约着火炮射击密集度性能的进一步提高。因为，振动响应是影响火炮射击密集度的主要因素，有时它成为首要因素。高机动性的实现，必然要求火炮武器重量轻。火炮重量和火炮射击密集度一直是共生的一对矛盾，一般情况下，火炮重量轻，则其射击密集度就变差。

在火炮武器系统的研制过程中，射击密集度问题一直困扰着火炮武器系统的快速发展，射击密集度指标往往不能达到战技指标要求，需要组织技术攻关，这样既增加了研制经费又拖长了研制周期，这些是制约火炮武器发展的瓶颈问题之一。因此，研究射击密集度问题，对促进我国火炮武器科技的快速发展，显著提高火炮武器性能具有决定性意义。

影响火炮射击密集度因素多种多样，概括起来，主要有火炮内、外弹道因素，火炮结构因素等。目前，开发火炮，根据作战任务的不同，一般重点集中在火炮结构的变形上，如牵引式火炮、履带式火炮、车载式火炮、轮式火炮等不同形式。经过多年的改进完善，火炮内外弹道性能已基本稳定，新型火炮型号研制时，其内外弹道参数直接采用，一般不作变动或修改。多年的火炮开发工程实践和理论分析表明，采用制式弹药开发的火炮，其射击密集度性能主要受火炮结构振动响应大小的影响。

随着现代战争形式的快速变化，自行火炮已成为世界主要军事大国重点发展的火炮武器。起落部分是自行火炮结构的主要部件，起落部分振动响应特性对火炮射击密集度影响最为显著，摇架是起落部分的主要组成部分。火炮射击时，火炮摇架相对于大地会发生六自由度振动响应，其中摇架沿高低、方向、前后平动位移，以及摇架高低俯仰和左右摆动角位移是影响射击密集度的主要因素。由于火炮射击过程振动响应特性的复杂性，以及火炮摇架多自由度振动位移受测试技术的限制，因此，火炮型号研制迫切需要能满足火炮射击时，能抵抗炮口焰和烟雾干扰，且高精度测试摇架相对于大地沿高低、方向、前后平动位移，以及摇架高低俯仰和左右摆动角位移测试方法，以便快速提高火炮关键性能、缩短研制周期、节约研制经费，提升我国火炮武器研制水平。

目前，火炮射击时振动位移测试主要采用一维位移传感器，得到的主要是构件之间的相对量，难于满足摇架多自由度绝对量振动位移测试。尽管也有高速摄影技术可以进行运动物体空间位移测试，但是，由于容易受炮口焰和烟雾的干扰，尤其是烟雾遮蔽火炮时，高速摄影技术应用效果不佳。高速摄影技术受像素的限制，其位移测试精度难于提高。

发明内容

为了解决火炮型号研制时的结构振动位移测试关键技术，特发明一种火炮摇架五自由度振动位移测试方法。

本发明方法分为三步，第一步，用激光位移跟随器测试火炮射击时摇架沿高低和前后线位移，第二步，用激光位移跟随器测试火炮射击时摇架沿方向线位移，第三步，根据摇架振动线位移测试结果由计算模块得到摇架俯仰角位移和摇架左右摆动角位移。

实施第一步过程时，测试摇架高低和前后振动线位移前，按照选定的射角使火炮布置在地面上，选择摇架侧面前端合适位置和耳轴中心为两个测点，在每个测点分别固定一个激光器。在火炮相同侧面的地面上分别布置对应的两个激光探测器。摇架上的激光器发射激光，并随摇架同步运动，地面上对应激光探测器感知摇架上激光器发射的激光光点运动位移，实现非接触位移测试。一个激光器和一个激光探测器构成一套激光位移跟随器，采用滤光等技术后，激光位移跟随器具备抗炮口焰和烟雾干扰功能。这样，就实现了摇架侧面前端沿前后和高低线位移、耳轴中心沿前后和高低运动线位移测试。耳轴中心与摇架固连。

实施第二步过程时，测试摇架方向振动线位移前，选择摇架顶面前端和摇架顶面后端两合适位置为两个测点，在每个测点分别固定一个激光器。在火炮正后方的地面上分别布置对应的两个激光探测器。摇架上的激光器发射激光，并随摇架同步运动，地面上对应激光探测器感知摇架上激光器发射的激光光点运动位移，实现方向位移非接触测试。这样，就实现了摇架顶面前端和摇架顶面后端方向线位移测试。摇架上4个测点固连的4个激光器，其波长互不相同，因此，相互之间不干扰。

完成第一步和第二步过程后，就可以计算摇架振动角位移，实现第三步过程。根据摇架侧面前端沿前后和高低线位移、耳轴中心沿前后和高低运动线位移测试结果，并结合上述两测点之间距离，利用三角关系式，就可以得到摇架在射面内俯仰振动角位移。同理，在得到摇架顶面前端和摇架顶面后端两测点方向线位移测试结果后，结合该两测点之间距离，再利用三角关系式，就可得到摇架左右摆动角位移。

火炮摇架五自由度振动位移测试方法具有显著优点。火炮发射动力学理论指出，炮口振动是影响弹丸地面密集度的主要因素，火炮结构振动测试时，应重点关注炮口振动响应。但是，由于炮口振动环境非常恶劣，既有炮口焰和烟雾干扰、过大的振动冲击环境，又有复杂、大幅值的炮口运动轨迹，使得传统传感器无法实现炮口振动位移测试。火炮摇架五自由度振动位移测试方法可以填补像155毫米这样的大口径火炮摇架五自由度振动位移测试方法的空白，将解决大口径火炮摇架五自由度振动位移测试关键技术，为研究火炮结构振动影响射击密集度机理提供了一种有效的测试方法。它对射击密集度故障诊断、射击密集度关键技术攻关修改措施减少盲目性具有划时代意义。

具体实施例

附图1是摇架振动位移测试方法示意图；

附图2是摇架振动位移测试原理框图；

附图3是摇架前后和高低振动位移测试方法示意图；

附图4是摇架方向振动位移测试方法示意图；

附图5是摇架俯仰振动角位移测试方法示意图。

本发明方法分为三步，第一步，用激光位移跟随器测试火炮射击时摇架2沿高低和前后振动线位移，第二步，用激光位移跟随器测试火炮射击时摇架2沿方向振动线位移，第三步，根据摇架2振动线位移测试结果由计算模块得到摇架2俯仰角位移和摇架2左右摆动角位移。

实施第一步过程时，正如图1、图2和图3所示，测试摇架2高低和前后振动线位移前，按照选定的射角使火炮布置在地面上，选择耳轴中心A点和摇架侧面前端合适位置B点为两个测点，在每个测点分别固定一个激光器。在火炮相同侧面的地面上分别布置对应的两个激光探测器1。摇架2上的激光器发射激光，形成漫反射，并随摇架2同步运动，地面上对应激光探测器1感知摇架2上激光器发射的激光光点运动位移，数据采集器采集并处理探测器接收到的位移信号，最后输出位移测试结果，实现非接触位移测试。一个激光器和一个激光探测器构成一套激光位移跟随器。这样，就实现了摇架2侧面前端沿前后和高低线位移、耳轴中心沿前后和高低运动线位移测试。耳轴中心与摇架2固连，身管3沿摇架2导轨前后运动，摇架2通过耳轴支撑在上架4上。如果用摇架2前端B点表示摇架2前后和高低振动线位移，则摇架2前后和高低振动线位移为x、y。将x、y经过坐标转换，就可以得到线位移用光电传感器记录弹丸出炮口时间，以判断弹丸出炮口时刻，为射击密集度分析提供火炮振动参数。

实施第二步过程时，正如图4所示，测试摇架2方向振动线位移前，选择摇架2顶面后端C点和摇架2顶面前端D点两合适位置为两个测点，在每个测点分别固定一个激光器。在火炮正后方的地面上分别布置对应的两个激光探测器。摇架2上的激光器发射激光，并随摇架2同步运动，地面上对应激光探测器感知摇架2上激光器发射的激光光点运动位移，按照图2的原理，实现方向位移非接触测试。这样，就实现了摇架2顶面后端C点和摇架2顶面前端D点方向线位移测试。摇架2上4个测点固连的4个激光器，其波长互不相同，因此，相互之间不干扰。如果用摇架2顶面前端D点表示摇架2方向振动线位移，则摇架2方向振动线位移为z。

完成第一步和第二步过程后，就可以计算摇架2振动角位移，实现第三步过程。正如图5所示，根据耳轴中心A点沿前后和高低运动线位移、摇架2侧面前端B点沿前后和高低线位移测试结果，并结合上述两测点A和B之间距离l₁，利用三角关系式，就可以得到摇架2在射面内俯仰振动角位移。摇架2在射面内俯仰振动角位移公式推导如下：

火炮射击时，摇架2近似平行于射击平面而运动。设摇架2从初始位置AB(称为时刻1)运动到位置A′B′(称为时刻2)，A、B两点坐标分别为A(x₁，y₁)和B(x₂，y₂)，而A′、B′两点坐标分别为A′(x₃，y₃)和B′(x₄，y₄)。从炮尾向炮口观察区分左右，假设激光探测器1布置在火炮摇架2右侧。取x轴平行于水平面，y轴在铅垂面内，建立惯性坐标系oxy。

在时刻1，摇架2上AB与x轴夹角为

${\mathrm{\α}}_1={\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\right)---\left(1\right)$

在时刻2，摇架2上AB已运动到位置A′B′，它与x轴夹角为

${\mathrm{\α}}_2={\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{y_4-y_3}{x_4-x_3}\right)---\left(2\right)$

这样，当摇架2从时刻1运动到时刻2时，其振动角位移为

α＝α₂-α₁          (3)

当α≥0时，从摇架2右侧观察，摇架2逆时针转动；反之，当α＜0时，摇架2顺时针转动。

相对于初始位置，设A′点相对于A点运动位移为(Δx₁，Δy₁)，B′点相对于B点运动位移为(Δx₂，Δy₂)，则，

$\left.\begin{array}{c}{x}_3=x_1+{\mathrm{\Δx}}_1\\ y_3=y_1+{\mathrm{\Δy}}_1\end{array}\right\}---\left(4\right)$

$\left.\begin{array}{c}{y}_4=y_2+{\mathrm{\Δy}}_2\\ x_4=x_2+{\mathrm{\Δx}}_2\end{array}\right\}---\left(5\right)$

因此，摇架2俯仰振动角位移计算公式为

$\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1$

$={\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{y_4-y_3}{x_4-x_3}\right)-{\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\right)$

$={\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{y_2-y_1+{\mathrm{\Δy}}_2-\mathrm{\Δ}{y}_1}{x_2-x_1+{\mathrm{\Δx}}_2-{\mathrm{\Δx}}_1}\right)-{\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\right)---\left(6\right)$

同理，在得到摇架2顶面后端C点和摇架2顶面前端D点两测点方向线位移测试结果后，结合该两测点之间距离l₂，再利用三角关系式，就可得到摇架2左右摆动角位移。摇架2方向振动角位移公式推导如下：

火炮射击时，摇架2左右振动。设摇架2从初始位置CD(称为时刻1)运动到位置C′D′(称为时刻2)，C、D两点z坐标分别为C(z₁)和D(z₂)，而C′、D′两点z坐标分别为C′(z₃)和D′(z₄)。

在时刻1，摇架2上CD与射击平面之间夹角为

${\mathrm{\β}}_1={\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{z_2-z_1}{l_2}\right)---\left(7\right)$

在时刻2，摇架2上CD已运动到位置C′D′，它与射击平面之间夹角为

${\mathrm{\β}}_2={\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{z_4-z_3}{l_2}\right)---\left(8\right)$

这样，当摇架2从时刻1运动到时刻2时，其方向振动角位移为

β＝β₂-β₁(9)

当β≥0时，摇架2向右转动；反之，当β＜0时，摇架2向左转动。

相对于初始位置，设C′点相对于C点运动在z方向位移为(Δz₁)，D′点相对于D点运动位移为(Δz₂)，则，

z₃＝z₁+Δz₁  (10)

z₄＝z₂+Δz₂   (11)

因此，摇架2方向振动角位移计算公式为

$\mathrm{\β}={\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1$

$={\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{z_4-z_3}{l_2}\right)-{\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{z_2-z_1}{l_2}\right)$

$={\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{z_2-z_1+{\mathrm{\Δz}}_2-\mathrm{\Δ}{z}_1}{l_2}\right)-{\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{z_2-z_1}{l_2}\right)---\left(12\right)$

至此，就得到了摇架2振动响应量：x、y、z、α、β，这些量就代表了摇架2的五自由度振动位移响应量。

Claims (1)

1.一种火炮摇架五自由度振动位移测试方法，涉及数据采集模块，激光位移跟随器，其特征在于：本发明方法分为三步，第一步，用激光位移跟随器测试火炮射击时摇架[2]沿高低和前后线位移，第二步，用激光位移跟随器测试火炮射击时摇架[2]沿方向线位移，第三步，根据摇架[2]振动线位移测试结果由计算模块得到摇架[2]俯仰角位移和摇架[2]左右摆动角位移；实施第一步过程时，正如图1、图2和图3所示，测试摇架[2]高低和前后振动线位移前，按照选定的射角使火炮布置在地面上，选择耳轴中心A点和摇架[2]侧面前端合适位置B点为两个测点，在每个测点分别固定一个激光器；在火炮相同侧面的地面上分别布置对应的两个激光探测器[1]；摇架[2]上的激光器发射激光，并随摇架[2]同步运动，地面上对应激光探测器[1]感知摇架[2]上激光器发射的激光光点运动位移，数据采集器采集并处理探测器接收到的位移信号，最后输出位移测试结果，实现非接触位移测试；这样，就实现了摇架[2]侧面前端沿前后和高低线位移、耳轴中心沿前后和高低运动线位移测试；耳轴中心与摇架[2]固连，身管[3]沿摇架[2]导轨前后运动，摇架[2]通过耳轴支撑在上架[4]上；如果用摇架[2]前端B点表示摇架[2]前后和高低振动线位移，则摇架[2]前后和高低振动线位移为x、y；将x、y经过坐标转换，就可以得到与身管轴线平行和垂直的线位移；实施第二步过程时，正如图4所示，测试摇架[2]方向振动线位移前，选择摇架[2]顶面后端C点和摇架[2]顶面前端D点两合适位置为两个测点，在每个测点分别固定一个激光器；在火炮正后方的地面上分别布置对应的两个激光探测器[1]；摇架[2]上的激光器发射激光，并随摇架[2]同步运动，地面上对应激光探测器[1]感知摇架[2]上激光器发射的激光光点运动位移，按照图2的原理，实现方向位移非接触测试；这样，就实现了摇架[2]顶面后端C点和摇架[2]顶面前端D点方向线位移测试；摇架[2]上4个测点固连的4个激光器，其波长互不相同，因此，相互之间不干扰；如果用摇架[2]顶面前端D点表示摇架[2]方向振动线位移，则摇架[2]方向振动线位移为z；完成第一步和第二步过程后，就可以计算摇架[2]振动角位移，实现第三步过程；正如图5所示，根据耳轴中心A点沿前后和高低运动线位移、摇架[2]侧面前端B点沿前后和高低线位移测试结果，利用三角关系式，就可以得到摇架[2]在射面内俯仰振动角位移为

$\mathrm{\α}={\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{y_2-y_1+{\mathrm{\Δy}}_2-\mathrm{\Δ}{y}_1}{x_2-x_1+{\mathrm{\Δx}}_2-{\mathrm{\Δx}}_1}\right)-{\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\right)$

同理，在得到摇架[2]顶面后端C点和摇架[2]顶面前端D点两测点方向线位移测试结果后，结合该两测点之间距离l₂，再利用三角关系式，就可得到摇架[2]左右摆动角位移为

$\mathrm{\β}={\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{z_2-z_1+{\mathrm{\Δz}}_2-\mathrm{\Δ}{z}_1}{l_2}\right)-{\mathrm{tg}}^{\′}\left(\frac{z_2-z_1}{l_2}\right)$

至此，就得到了摇架[2]振动响应量：x、y、z、α、β，这些量就代表了摇架[2]的五自由度振动位移响应量。

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