1 引 言
弹药的静态参数即物理特征量是衡量弹药自身性能的重要指标,因此,关于静态参数测量方法的研究和测试仪器的研制,一直受到了生产厂家和有关使用单位的高度重视。目前基于不同测试方法的测量仪器有多种[1-3],但绝大多数测量仪器的功能都比较有限,只能测出一、两种参数,文献[2]曾在多功能测量仪研制方面做了些尝试性的工作,但也只能测量质量、质心和转动惯量。由于大多数测量仪器所能测量的参数较少,不仅给测量工作带来了不便,而且测试周期长,还影响测试的精度,同时又增大了测量设备的费用。
为了提高测量工作效率和测量精度,减少设备费用的投入,研制一种能测量弹药多种参数的测量仪器就显得尤为必要。本研究基于复摆原理研制的测量仪器,可以较精确和方便地测量出弹药的质量、质偏、转动惯量、惯性积和动不平衡度等多个参数。本文重点研究质偏、转动惯量、惯性积和动不平衡度的测量方法和步骤。实测结果验证了该方法的有效性和可行性。
2 复摆原理
复摆的原理如图1所示,三角托架可绕O点摆动,托架质量为mo,质心至转轴距离为lo,托架绕oz轴的转动惯量为
(Jo为托架对过质心且平行oz轴转动惯量)。则托架绕oz轴摆振方程为:
改变lo的长度,loi=lo-Δli,Δli的长度为已知。i=1,2,3。这样可测得3个不同的周期值,同时建立3个方程。联解这3个方程,可得mo、lo、Jo。也可用标准样件测定方法来确定mo、lo、Jo,因此在以后的讨论中,mo、lo、Jo均为已知。
3 测量仪的结构组成
图2是该系统的结构组成示意图,当测试工作开始时,先将被测物体5放置在V型定位块3上,然后通过测重仪4称出被测弹药的重量(P=P1+P2),同时测出弹药的质心位置h1=(P1/P)ho+h。
4 质偏和转动惯量的测量与计算
在弹药重量和质心位置确定后,利用侧重仪4和测角仪8调整弹药质心m1的位置,使其处于y1轴上。见图2右图。这时系统的摆振方程为:
公式(5)和(7)中,含2个未知数e和Jz1,在测得T1、T2后,可解出e和Jz
即是弹药的极转动惯量,式中d预先测出。
为测赤道转动惯量,需将弹药绕y轴在xz平面内转动90°后(见图3),再使弹药摆振,这时振动方程为:
由式(11)求出Jx1。Jx=Jx1+e2·m1,即为弹药的赤道转动惯量。
5 惯性积和动不平衡度的测量与计算
为了测出弹药的惯性积,先要测出弹药绕y轴在xz平面内转θ1角时的转动惯量Jθ1(见图3)然后根据转动惯量的转角公式计算出惯性积。Jθ1的测试方法与Jz1的测试方法相同,这里就不再赘述了。惯性积Jxz的计算公式为:
保持弹药倾角θ1不变,使弹药绕自身纵轴旋转90°,又可测得Jθ1,进而可求得Jyz:
由式(13)求出惯性积Jyz。进而可求得动弹药的不平衡度β:
6 实验结果及误差分析
试件如图4所示,材料为碳素钢,圆柱形,在长度方向的中间位置,沿母线开一个半径为4mm的槽,造成不对称.
其他原始数据如下:
托架重gmo=1.264kg;lo=16.713 cm;Jo=58.2654kg·cm2,它们均为通过标定得到的,因此它们的误差可忽略不计。测量数据:被测物体重量gm1=2.283 kg(±1g)。被测物体纵轴至转轴距离d=23. 462 cm,在摆动周期测量中,为提高测量精度,我们取10个周期的平均值。T1=0.949 81 s,T2=0.950 24 s,测量精度为10-5s。由式(8)和(9)可以分别计算出质偏e和极转动惯量Jz,e=13.5×10-3cm,Jz=7. 260 4 kg·cm2其他测量结果见表1。
从试件的测试结果表1,可以看出大多参数的实测值与理论值还是非常接近的,只是转动惯量的误差略大一些。
影响测试精度的原因有很多,但我们认为其主要原因有3个:其一是在实验时为了形成试件的质偏,我们采用了在其上进行人为加工了一个形成质偏的槽。加工时槽的位置和加工尺寸很难准确控制,因此造成了理论值与实测值不能完全符合;其二是试件在测试过程中的位置误差,特别是在试件在绕自身转动时,其转角难以准确控制;其三是在测量摆振周期时,周期测量带来的误差。如果试件的加工精度能够得严格控制,以及试件转角精度和摆振周期的测试精度能够得到改善,则该测试仪的测试精度将会进一步提高。
7 结 论
实测结果表明用复摆法测试弹药转动惯量、偏心距、动不平衡度等多种参数是可行的,且具有较高的精度;在机械结构上看,复摆法比立式和卧式扭摆法要简单,且操作更方便、安全;这种仪器集多种测试功能于一身,可测量弹药的多种静态参数,减少了测量环节,节省测试时间、费用和设备的投入,有很好的开发和应用前景。
参考文献
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作者简介
张心明, 1990年和2003年于长春理工大学获得学士、硕士学位,现为长春理工大学教授,主要研究方向为超精密加工与精密测量。地址:长春市卫星路7089号, 130022电话: 0431-85582763; E-mai:l zxm @ cust.edu. cn
王凌云, 1999年于长春大学获得学士学位, 2004年于长春理工大学获得硕士学位,现为长春理工大学讲师,主要研究方向为光电检测技术与仪器。地址:长春市卫星路7089号, 130022 电话: 0431-85583324; E-mai:l wlywly8888@126. com
