装甲车辆火控系统：负载分析计算

火炮作为炮控系统的最终控制对象，通常重达几吨，分高低和方位两个方向独立控制。火炮固定在摇架上，通过耳轴与炮塔连接在一起，使火炮具有高低向的转动自由度。火炮高低向控制是使火炮绕耳轴在一定范围内转动。在方位向，火炮与炮塔刚性连接，通过驱动炮塔转动实现火炮的方向位控制。

从被控对象（负载）的运动形式看，炮控系统常采用旋转的运动方式，具体负载驱动方式常有电液式和电动式两种。为了便于分析，常将具体的负载分解成几种典型负载的形式，结合系统的运动规律和控制方案，再将它们组合起来，这样便于定量设计。

1.典型负载

实际系统的负载情况均十分复杂且非线性，因此，工程设计常采用一定范围内的近似处理。现将几种常见的典型负载受力表述如下：

（1）干摩擦力

旋转运动用摩擦力矩Tc（N·m） 表示：

式中，ω 为负载角速度。

对具体负载而言，干摩擦力Fc 或干摩擦力矩Tc 的大小可能是变化的，但只要它们的变化量较小，都可以近似看成常值，其符号由v 或ω 的方向决定。

（2）黏性摩擦力

黏性摩擦力采用Fb（N） 或Tb（N·m） 表示：

式中，v 为负载线速度；黏性摩擦力与负载运动线速度成正比；黏性摩擦力矩与负载角速度成线性关系。

（3）惯性力

直线运动时，以负载质量m（kg） 和惯性力Fm（N） 来表征；转动时，以负载转动惯量J（kg·m2） 和惯性转矩TJ 来表征：

（4）弹性力

直线运动时，弹性力Fk 与线位移l 成正比；旋转运动时，弹性力矩Tk 与角位移φ 成正比。

（5）风阻力

通常简化成风阻力F 与负载线速度的平方v2 成正比；风阻力矩Tf 与负载角速度的平方ω2 成正比。

式中，风阻系数f1、f2 均为常值。

对具体系统而言，常用前3 种典型负载受力进行组合计算。最为普遍的是干摩擦力和惯性力。在设计系统时，必须对被控对象及其运动作具体分析，有时通过实测或仿真测试获得具体的数值。

2.负载折算

火炮是整个炮控系统输出端的机械负载，它与系统执行元件之间采用机械传动联系。高低向通过液压装置进行传动，水平向通过方向机进行传动，组成了整个炮控系统的主要机械部分，这部分的动力学特性关系着整个系统的性能。因此，在进行动力学分析计算时，需要进行负载折算。

以系统水平向为例，方向机是典型的具有多级齿轮减速装置的传动机构。经过多级折算，总速比可设为i=i1i2i3…。当执行电动机以ωd 等速旋转时，有

式中，ωz 为负载轴的转速。如果忽略减速器损耗，根据能量守恒原理，电动机输出功率Tdωd（Td 为电动机输出力矩）应等于负载消耗的功率Tzωz（Tz 为负载总力矩），即

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考虑到减速器存在机械传动损耗，传动效率η＜1，上式可以改写成

可得

该式就是负载转矩的折算公式，即得到折算到电动机轴上的等效负载转矩。这里传动效率η 已将减速器的摩擦考虑在内。各种负载力矩均可折算到电动机轴上，这就把多轴传动问题简化成单轴传动。

负载轴上的黏性摩擦系数b、干性摩擦系数K、转动惯量J 等参数，也可以按照上述方法等效折算到执行电动机的轴上。总之，执行元件与被控对象之间的传动形式都可以采用上述原理进行负载折算，将复杂的多轴传动问题简化成单轴传动来处理。

3.负载综合计算

炮控系统是典型的火炮瞄准伺服系统。以水平向为例，进行工程计算、选择执行元件和传动机构时，常涉及的主要参数有炮塔摩擦力矩、传动比、传动效率、执行电动机转动惯量、方向机转动惯量、炮塔转动惯量、炮塔振动最大角加速度、炮塔相对车体最大振动角加速度等。

在进行设计计算时，常选取运行最恶劣的情况来求大负载力矩Tmax 及其持续作用时间t。考虑车体运动的道路谱，工程上常认为车体在做正弦振动。

设伺服系统做正弦振动，振动角为 φc=φmsinωit，角速度和角加速度分别为

由此可按等效正弦运动的规律结合具体对象的负载性质，求出正弦运动的均方根等效力矩来。

设执行电动机的等效力矩为Md，则按照典型炮控系统组成，Md 可近似为：

式中，Mc 为炮塔摩擦力矩；Jfz 为炮塔转动惯量，通过实验手段可以获得；Jd为执行电动机转动惯量，由于负载相对变化量较小，通常采用1～2 kW 的小惯量直流伺服电动机，参考原有装备即可选定；Jfx 为方向机转动惯量，根据经验，通常设Jfx=Jd/5；εfzm 与εfxm 分别为炮塔振动最大角加速度和炮塔相对车体最大振动角加速度，与系统要求的稳定精度相关，可分别计算获得。

进行负载分析计算的最终目的是确定方向机的传动比和进行执行部件选择。在选定方向机传动比的时候，通常设

式中，Md 为执行电动机输出力矩。进而可得到下式：

通过上述参数，可以计算获得传动比 izj。而后结合炮控系统最大、最小速度要求和电动机额定转速、启动转速等因素，综合权衡选定方向机传动比；选择过程中要确保转动力矩足够、电动机容易选择。

4.典型减速机构

炮控系统通过方向机实现转动力矩增大、减速与动力传动。方向机主要由炮塔电动机、电磁离合器、行星排、手轮及蜗轮蜗杆机构、清除空回机构、方位指示器、固定器手柄、箱体等组成，采用手动/电动一体化的结构，通过电磁离合器实现手动/电动两种方式的切换。核心减速结构为行星排。

手动工作状态下，电动系统关闭时，电磁离合器和电动机无电，电动机轴被电磁离合器摩擦片固定，行星排的太阳轮被固定，齿圈卡销处于脱离状态，可以手摇高低机手柄，驱动蜗杆带动和蜗轮刚性连接的齿圈运动，齿圈和行星架构成一个大减速比的减速机，在行星架输出轴上的驱动齿轮得到很大的扭矩，并作用在炮塔座圈上的内齿圈上驱动炮塔转动。图4-24是某型坦克的方向机手动工作状态传动原理示意图。

图4-24　方向机传动原理示意图（手动）

电动工作状态时，需把齿圈卡销手柄搬到下方卡死行星排的齿圈，打开系统电源进入电动工作方式。其传动原理如图4-25所示。电磁离合器上电，电动机轴被释放，电动机的转动驱动太阳轮和行星架构成的减速机构，从行星架轴输出扭矩驱动炮塔。

图4-25　方向机传动原理示意图（电动）