大型箭彈零部件在加工及裝配過(guò)程中，總存在尺寸、形狀及位置誤差。這些誤差的存在，使得裝配后的火箭彈質(zhì)心位置偏離全彈幾何縱軸，且慣性主軸與幾何縱軸不重合，即產(chǎn)生質(zhì)量偏心距，靜不平衡和動(dòng)不衡度。由于各種加工、裝配誤差的或然性，使得每發(fā)火箭彈的質(zhì)量偏心距和動(dòng)不平衡角有不同的大小和相位，動(dòng)靜不平衡度的隨機(jī)分布將會(huì)使火箭彈產(chǎn)生落點(diǎn)散布，其散布效應(yīng)影響其飛行控制和命中精度。散布效應(yīng)是飛行物體偏離其預(yù)定軌道的統(tǒng)計(jì)偏差。而其質(zhì)量分布不均是引起其散布的重要原因，所以這類(lèi)飛行物體的雙面立式動(dòng)平衡是測(cè)量其質(zhì)量特性的關(guān)鍵一環(huán)。通過(guò)動(dòng)平衡測(cè)試并建立空間坐標(biāo)系，可以求出飛行物體的主慣性軸方程，進(jìn)而可以求出其主慣性軸與幾何形心軸線之間的夾角。通過(guò)了解飛行物體的質(zhì)量特性，可以改進(jìn)裝配和加工工藝，可有效提高飛行物體彈道曲線控制精度。同時(shí)，彈箭動(dòng)不平衡質(zhì)量還影響彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的正確性、膛壁的受力及其磨損，最終影響火炮壽命，因此測(cè)定彈箭動(dòng)不平衡參數(shù)在彈箭彈道試驗(yàn)前是必須進(jìn)行的。
但是，有的彈箭質(zhì)量重、體積龐大，用通常的臥式旋轉(zhuǎn)方法就無(wú)法實(shí)現(xiàn)，本文針對(duì)這種情況設(shè)計(jì)了一種立式的測(cè)量方法來(lái)實(shí)現(xiàn)大型重物的動(dòng)平衡測(cè)量。
1 大型彈箭動(dòng)平衡測(cè)量系統(tǒng)及設(shè)計(jì)
對(duì)于大型彈箭這類(lèi)旋轉(zhuǎn)物體，由于其沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)支撐部位，不能采用常規(guī)的動(dòng)平衡測(cè)量方法來(lái)進(jìn)行校正，而且其允許的轉(zhuǎn)速又很低，所以針對(duì)這種特殊性，設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)，用過(guò)渡盤(pán)將工件和轉(zhuǎn)臺(tái)聯(lián)結(jié)起來(lái)，用兩根彈簧作為整套系統(tǒng)的彈性元件。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)連同工件一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由彈簧來(lái)感受其不平衡量。在與彈簧相連的支架外端處安裝二只電渦流傳感器，將支架在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行測(cè)量。
把待測(cè)工件安裝在平衡測(cè)試設(shè)備上，用渦流傳感器監(jiān)測(cè)彈簧的變形，并選定工件上I—I，Ⅱ一Ⅱ?yàn)樾Ｕ矫?見(jiàn)圖1)。在安裝調(diào)整標(biāo)定工作完成之后，啟動(dòng)設(shè)備以極低的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)速非常低，而工件不平衡產(chǎn)生的不平衡慣性力和慣性力矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，故其近似為零。此時(shí)在工件上的靜不平衡量是由重力偏心引起的，此時(shí)彈簧變形響應(yīng)信號(hào)可以測(cè)出，重力的偏心距就可以得到了。
2 不平衡量的測(cè)量理論推導(dǎo)
由剮性轉(zhuǎn)子二面平衡原理，可以假設(shè)下面的模型來(lái)推導(dǎo)不平衡量是怎樣反映到輸出波形上的。
對(duì)一剛性轉(zhuǎn)子，選二個(gè)校正面I、Ⅱ，離底面的高度分別為h1，h2，F(xiàn)1、F2、F3分別為均勻分布在半徑為R的底面圓上三個(gè)點(diǎn)處所受的力。我們先假設(shè)該剛性轉(zhuǎn)子是動(dòng)平衡的，在預(yù)設(shè)的I、Ⅱ校正面r1，r2處放上兩個(gè)質(zhì)量塊m1，m2，這樣剛體便處于動(dòng)不平衡了，當(dāng)使這個(gè)不平衡的轉(zhuǎn)子以一定的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行受力分析如圖2，其中F1，F(xiàn)2分別為旋轉(zhuǎn)時(shí)質(zhì)量塊m1，m2所受的離心力，把它們分別沿X、Y軸方向進(jìn)行分解，轉(zhuǎn)子沿X、Y軸方向的轉(zhuǎn)矩為零，Z軸方向合力為零，有如下的方程：
如果在受力F1，F(xiàn)2處分別安裝上傳感器，則振動(dòng)位移信號(hào)通過(guò)傳感器、放大電路、濾波電路、A／D轉(zhuǎn)換等中間過(guò)程后，以電信號(hào)的形式輸出，實(shí)際輸出信號(hào)分別為U1=k1F1、U2=k2F2，通過(guò)試重法確定系數(shù)k1，k2。
在兩個(gè)校正面已知的位置上分別放置兩個(gè)已知質(zhì)量的砝碼，讓其以某一確定的速度旋轉(zhuǎn)，輸出波形為U'1=k1F1、U'2=k2F2，根據(jù)輸出的兩個(gè)波形可以確定出兩個(gè)幅值大小，可以看出幅值是關(guān)于不平衡量m1r1、m2r2、相位角φ1，φ2、系數(shù)k1、k2的函數(shù)，而相位角、徑向積都是已知的，惟有系數(shù)k1、k2是未知的。兩個(gè)輸出波形可以確定兩個(gè)方程，這樣就可以方便地求出系數(shù)k1、k2，這樣輸出波形與轉(zhuǎn)臺(tái)安放傳感器處所受的力之間的關(guān)系就可以確定了。
可以采用傅氏級(jí)數(shù)展開(kāi)的方法提取基頻振動(dòng)分量的大小和相位。如果在一個(gè)周期里，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣，則可得出序列的DFT的基頻量，但由DFT所得到的幅值和相位并不是不平衡信號(hào)的幅值和相位，二者存在著確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可推導(dǎo)得出振動(dòng)信號(hào)基頻分量的振幅和初相。
3 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的動(dòng)平衡測(cè)試系統(tǒng)采用立式旋轉(zhuǎn)方法測(cè)不平衡量，解決了大型彈箭體積大、質(zhì)量重用通常的臥式旋轉(zhuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，適合測(cè)量大型重物動(dòng)不平衡量。從力學(xué)角度具體的分析論述了不平衡量是以怎樣的方式反映到輸出波形上的，為動(dòng)平衡測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。