3.1.1. Phương pháp giải
Về mặt lý thuyết, có thể giải bài toán động lực học ngược cơ hệ pháo bằng phương pháp giải tích. Tuy nhiên, nếu giải bằng phương pháp giải tích sẽ gặp nhiều khó khăn nhất là khi tính toán cho các trường hợp bắn khác nhau. Dựa trên dạng giải tích tường minh của các phương trình vi phân - đại số mô tả chuyển động của cơ hệ pháo đã được thiết lập trong chương 2, luận án sử dụng phương pháp Runge-Kutta giải hệ PTVP và phát triển các thuật toán số tổng hợp để giải bài toán ĐLH ngược cơ hệ pháo.
Hệ PTVP chuyển động của cơ hệ pháo cho thấy, để xác định được mô- men truyền động phải tiến hành giải kết hợp với 5 PTVP thuật phóng trong. Nếu tiến hành giải đồng thời, khối lượng tính toán sẽ rất lớn và khó gỡ rối khi tính toán. Để đơn giản quá trình tính toán, luận án sử dụng phương pháp giải độc lập từng bước. Các bước giải cụ thể như sau:
- Bước 1: Tính lực khí thuốc tác động lên khối lùi của hai thân pháo. - Bước 2: Xác định quy luật chuyển động của khối lùi của hai thân pháo; - Bước 3: Tính mô-men truyền động.
Với phương pháp này, các kết quả tính toán sẽ được kiểm tra từng bước, việc gỡ rối khi tính toán dễ dàng hơn. Bên cạnh đó, có thể khảo sát từng trường hợp riêng với các tham số đầu vào được điều chỉnh dễ dàng.
3.1.2. Thuật toán số giải bài toán động lực học ngược cơ hệ pháo
Với phương pháp giải và các bước giải được trình bày trong 3.1.1, luận án xây dựng chương trình tính toán số giải bài toán động lực học ngược cơ hệ pháo có sơ đồ thuật toán chương trình chính được trình bày trên Hình 3.1.
Hình 3.1. Thuật toán chương trình chính
Trong bước giải thứ nhất, sử dụng phương pháp Runge-Kutta, một số tài liệu đã giới thiệu thuật toán số giải hệ PTVP thuật phóng trong xác định quy luật khí thuốc trong lòng nòng và tính lực khí thuốc tác động lên khối lùi cho PPK 37mm-2N, đồng thời cũng đã đưa ra và các kết quả tính toán cho một phát bắn [1], [10], [12], [13], [15], [16]. Trong luận án này, thuật toán số tiếp tục được phát triển vào tính toán lực khí thuốc tác động lên khối lùi cho trường hợp bắn liên thanh. Sơ đồ thuật toán được trình bày trên Hình 3.2.
Quy luật chuyển động của khối lùi thân pháo cũng đã được đưa ra trong một số tài liệu nghiên cứu về máy tự động của PPK 37mm-2N. Trong luận án này, quy luật chuyển động của khối lùi hai thân pháo được tính toán có kể đến ảnh hưởng của chuyển động tầm và hướng pháo. Sơ đồ thuật toán xác định quy luật chuyển động của khối lùi được trình bày trên Hình 3.3(a).
(a) (b)
Hình 3.3. Thuật toán xác định quy luật chuyển động của khối lùi và tính mô-men truyền động
Sau khi xác định được lực khí thuốc tác động lên khối lùi và quy luật chuyển động của khối lùi hai thân pháo. Bước giải tiếp theo là tính toán mô- men truyền động. Sơ đồ thuật toán được trình bày trên hình 3.3(b).
3.2. Tính toán động lực học ngược cơ hệ PPK 37mm-2N cải tiến 3.2.1. Các số liệu dùng trong tính toán động lực học ngược 3.2.1. Các số liệu dùng trong tính toán động lực học ngược
Các bộ số liệu được dùng trong quá trình tính toán bao gồm:
- Bộ số liệu tham số thuật phóng và các thông số kết cấu lòng nòng:
Bộ số liệu tham số thuật phóng và các thông số kết cấu lòng nòng được tra cứu trong các tài liệu [15], [16], [39], [50], [51] và được trình bày trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Tham số thuật phóng và kết cấu lòng nòng (Đạn UV167)
- Bộ số liệu thông số pháo: Được dùng khi giải bài toán ĐLH cơ hệ pháo.
Bộ số liệu này được xác định trên cơ sở lý thuyết, kết hợp thực nghiệm đo đạc. Phương pháp và kết quả thực nghiệm xác định bộ số liệu thông số pháo được trình bày chi tiết trong mục 4.2.1. Bộ số liệu thông số pháo gồm:
+ Các thông số hình học ĐLH của pháo (Bảng 4.1 và Bảng 4.2); + Các tham số kết cấu máy hãm lùi (Bảng 4.4 và Bảng 4.5);
+ Mô-men cân bằng của lò xo cân bằng khối tầm (tiểu mục 4.2.3.3).
- Quy luật chuyển động bám: Trong thực tế, vị trí góc pháo được phần
mềm xạ kích tính toán liên tục trong thời gian thực dựa trên quỹ đạo chuyển động của mục tiêu. Trong luận án này, để mô phỏng cho trường hợp tổng quát, quỹ đạo bám được giả thiết theo quy luật hình SIN:
1 0 2 0 0 sin( t) sin( t) h t q a q a (3.1)
Trong đó: a là biến điều khiển (a0 - mục tiêu cố định; a1- mục tiêu di động); 0là góc tầm tại thời điểm bắn; 0t và 0h tương ứng là vận tốc bám theo góc tầm và góc hướng tại thời điểm t0.
- Thời gian khảo sát (T): Thời gian khảo sát được tính toán dựa vào số
lượng phát bắn (bắn phát một, điểm xạ ngắn hoặc điểm xạ dài), thời điểm phát hỏa lần đầu (T0) và thời gian giữa hai phát bắn liên tiếp (Tckb).
- Số bước tính (n): Việc lựa chọn số bước tính rất quan trọng trong tính toán số, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả tính. Số bước tính càng lớn, kết quả tính càng chính xác nhưng thời gian tính toán lâu. Để lựa chọn bước tính phù hợp, thực hiện tăng dần số bước tính sao cho kết quả của hai lần liên tiếp được xem là hội tụ (kết quả của hai bước tính liên tiếp khác nhau không quá 1/1000). Trong luận án này, khoảng bước tính được lựa chọn là t=1/5000 (s). 3.2.2. Phần mềm tính toán động lực học ngược
Với sơ đồ thuật toán đã được xây dựng, có thể sử dụng nhiều ứng dụng lập trình khác nhau để xây dựng chương trình tính toán. Trong luận án này, phần mềm tính toán ĐLH ngược cơ hệ pháo được xây dựng trên ứng dụng Matlab. Hình 3.4 trình bày một số giao diện của phần mềm tính toán động lực học ngược cơ hệ PPK 37mm-2N cải tiến.
3.2.3. Kết quả tính toán động lực học ngược cơ hệ PPK 37mm-2N cải tiến Hình 3.5 và Hình 3.6 trình bày đồ thị áp suất khí thuốc trong lòng nòng và Hình 3.5 và Hình 3.6 trình bày đồ thị áp suất khí thuốc trong lòng nòng và đồ thị quy luật chuyển động của khối lùi khi bắn mục tiêu cố định ở góc tầm 00.
Hình 3.5. Đồ thị áp suất khí thuốc theo thời gian
Hình 3.6. Chuyển động của khối lùi khi bắn mục tiêu cố định ở góc tầm 00
Nhận xét :
- Áp suất lớn nhất trong nòng là Plnmax2,84.105 (KG/dm2). Thời gian đạn chuyển động trong lòng nòng 0,004(s), tại đó áp suất tương ứng với thời điểm đạn bay ra khỏi nòng đạt Pdn6,57.104 (KG/dm2). Kết quả tính toán quy luật áp suất khí thuốc trong lòng nòng tương đối sát với kết quả tính toán trong các tài liệu [1], [13], [15], [16], [51]. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t [s] 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14
0.16 HANH TRINH LUI CUA KHOI LUI
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t [s] -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2
- Hành trình lùi lớn nhất của khối lùi Xmax160(mm). Vận tốc lùi lớn nhất của khối lùi đạt max
3 lui
q 6,19(m/s), vận tốc đẩy lên lớn nhất đạt max 3 DL
q 2,06(m/s) sát với các kết quả tính toán trong các tài liệu [9], [10].
- Tổng thời gian của một chu kỳ chuyển động của khối lùi TCKL 0,21(s). Phù hợp với khoảng thời gian tính toán trong đồ thị tuần hoàn máy tự động PPK 37mm-2N trong các tài liệu [1] và [13].
Các kết quả tính toán lực khí thuốc tác dụng lên khối lùi và quy luật chuyển động khối lùi đảm bảo độ tin cậy, do đó có thể sử dụng được trong giải bài toán ĐLH cơ hệ PPK 37mm-2N cải tiến.
Từ hình 3.7 đến hình 3.10 trình bày kết quả tính toán ĐLH ngược cơ hệ pháo khi bắn mục tiêu cố định ở các góc tầm khác nhau và khi bắn mục tiêu di động có vận tốc bám tại thời điểm bắn khác nhau.
a. Bắn mục tiêu cố định
Hình 3.7. Mô-men truyền động khi bắn một thân pháo mục tiêu cố định ở góc tầm khác nhau
Hình 3.8. Bắn đồng thời hai thân pháo mục tiêu cố định ở góc tầm khác nhau
* Nhận xét :
- Khi bắn một thân pháo: Mô-men truyền động tầm và hướng giảm khi tăng góc tầm bắn.
- Khi bắn đồng thời hai thân pháo: Mô-men truyền động tầm thay nhỏ khi tăng góc tầm bắn. Mô-men truyền động hướng bằng 0 ở mọi góc tầm bắn.
- Sự thay đổi của mô-men tầm phụ thuộc chủ yếu vào quy luật chuyển động của thân pháo. Trong các trường hợp bắn, mô-men tầm luôn có xu hướng giảm đi khi có tác động của lực phát bắn. Mô-men truyền động tầm có giá trị lớn nhất tại vị trí khối lùi có hành trình lùi X=0.
- Sự thay đổi của mô-men hướng phụ thuộc nhiều vào sự tác động của lực phát bắn. Mô-men truyền động hướng lớn nhất max
h
u ±12,8(Nm) khi bắn một thân pháo ở góc tầm 0 = 00 .
b. Bắn mục tiêu di động
Hình 3.9. Bắn đồng thời hai thân pháo mục tiêu có vận tốc bám khác nhau
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t [s] -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 U 2T P t [N m ]
UT BAN HAI THAN PHAO
dq1(0)=dq2(0)=0,087rad/s dq1(0)=dq2(0)=0,175rad/s dq1(0)=dq2(0)=0,35rad/s dq1(0)=dq2(0)=0,7rad/s 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t [s] -8 -6 -4 -2 0 2 4 U 2T P h [N m ]
Hình 3.10. Bắn một thân pháo mục tiêu có vận tốc bám khác nhau
* Nhận xét:
- Khi bắn đồng thời hai thân pháo : Mô-men truyền động tầm và mô-men truyền động hướng tăng khi vận tốc bám tại thời điểm bắn tăng.
- Khi bắn một thân pháo : Mô-men truyền động tầm tăng khi vận tốc bám tại thời điểm bắn tăng. Mô-men truyền động hướng tăng lên khi vận tốc góc của mục tiêu ngược chiều mô-men lực bắn và giảm đi khi vận tốc góc của mục tiêu cùng chiều mô-men lực bắn.
3.3. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến chuyển động của khối lùi hai thân pháo. hai thân pháo.
3.3.1. Mục đích
Như đã phân tích ở các phần trước, PPK 37mm-2N là loại pháo bắn liên thanh, máy tự động của hai thân pháo hoạt động độc lập. Do đó, có thể xảy ra hiện tượng lệch pha thời điểm phát hỏa của hai thân pháo.
PPK 37mm-2N cải tiến được trang bị hệ thống bắn đồng bộ (Hình 3.11) [1], [18]. Hệ bắn đồng bộ của cơ cấu cò có thể điều chỉnh để đảm bảo thời gian phát hỏa lần đầu của hai thân pháo là đồng thời. Do đó, về mặt lý thuyết nếu hai thân pháo có các tham số ĐLH và kết cấu của máy tự động là như nhau thì chuyển động lùi của khối lùi hai thân pháo là như nhau nên không xảy ra hiện tượng lệch pha thời điểm phát hỏa. Tuy nhiên thực tế khai thác cho thấy, sau quá trình sử dụng một số tham số có thể bị thay đổi dẫn đến làm thay đổi chuyển động lùi của khối lùi hai thân pháo, dẫn đến hiện tượng lệch pha thời điểm phát hỏa của hai thân pháo. Việc khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến đển động của khối lùi sẽ cho cái nhìn tổng quát hơn về các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này.
Hình 3.11. Hệ thống bắn đồng bộ của PPK 37mm-2N cải tiến
Trong thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quy luật chuyển động lùi hai thân pháo như: chế độ bắn, dầu trong máy hãm lùi, thông số các khâu trong máy tự động... Dựa trên PTVP chuyển động của khối lùi hai thân pháo đã được xây dựng, luận án khảo sát quy luật chuyển động của khối lùi khi bắn có sự thay đổi của các tham số: Góc tầm tại thời điểm bắn; quy luật chuyển động bám; lực của lò xo đẩy lên; các thông số về kích thước làm việc của máy hãm lùi;
3.3.2. Phương pháp khảo sát
Kết quả giải bài toán xác định quy luật chuyển động của khối lùi pháo cho phép khảo sát ảnh hưởng của các thông số đến quy luật chuyển động của khối lùi hai thân pháo.
Về nguyên lý, các yếu tố trong máy tự động đều có sự phụ thuộc lẫn nhau trong quá trình làm viêc. Tuy nhiên, để khảo sát ảnh hưởng của từng thông số, ta giả thiết giữ nguyên các thông số khác, chỉ thay đổi thông số cần khảo sát. Cụ thể, khi khảo sát ta giả thiết:
- Khối lượng, hiệu suất, tỷ số truyền của các khâu trong máy tự động là như nhau; Các cơ cấu trong máy tự động không thay đổi nguyên lý làm việc khi thay đổi các thông số khảo sát. Nếu các tham số kích thước bị thay đổi khi khảo sát thì các kích thước thay đổi phải đồng dạng với kích thước ban đầu.
- Trong trường hợp không khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố có liên quan đến chuyển động ngắm thì coi mục tiêu khi bắn là cố định.
3.3.3. Ảnh hưởng góc tầm bắn đến chuyển động của khối lùi
Hình 3.12 trình bày kết quả mô phỏng chuyển động của khối lùi khi bắn ở các góc tầm khác nhau.
Hình 3.12. Chuyển động của khối lùi khi bắn ở các góc tầm khác nhau
Nhận xét :
- Hành trình lùi lớn nhất của khối lùi (Xmax) tăng khi tăng góc tầm bắn. Xmax160164mm khi 0=00450.
Xmax nằm trong giới hạn lùi cho phép của PPK 37mm-2N (150170mm); - Thời gian của một chu kỳ chuyển động khối lùi (TCKL) tăng lên khi tăng góc tầm bắn. TCKL tăng sẽ làm giảm tốc độ bắn.
* Kết luận: Khi tăng góc tầm bắn, hành trình lùi lớn nhất của khối lùi tăng đồng thời làm giảm tốc độ bắn của hai thân pháo.
Mặc dù khi tăng góc tầm bắn sẽ làm tăng hành trình lùi và thời gian của một chu kỳ chuyển động của khối lùi nhưng sự thay đổi này là như nhau trên cả hai thân pháo. Do đó, không gây ra hiện tượng lệch pha thời điểm phát hỏa của hai thân pháo.
3.3.4. Ảnh hưởng chuyển động bám đến chuyển động của khối lùi
Hình 3.13 trình bày kết quả mô phỏng chuyển động của khối lùi khi bắn mục tiêu di động có các vận tốc bám khác nhau ở góc tầm 0 = 00.
Hình 3.13. Chuyển động của khối lùi khi bắn mục tiêu có các vận tốc bám khác nhau ở cùng một góc tầm
* Nhận xét:
Ở cùng một góc tầm bắn, hành trình lùi và vận tốc lùi của khối lùi có sự suy giảm khi tăng tốc độ bám. Tuy nhiên, sự suy giảm này là rất nhỏ (<0,005).
* Kết luận : Khi bắn ở cùng một góc tầm, ảnh hưởng của chuyển động tầm và
hướng pháo đến quy luật chuyển động của khối lùi là rất nhỏ, có thể bỏ qua. 3.3.5. Ảnh hưởng độ cứng lò xo đẩy lên đến chuyển động của khối lùi
Theo nguyên lý làm việc, khi khối lùi lùi, lò xo đẩy lên bị nén lại tạo ra lực cản đối với khối lùi. Hết hành trình lùi, lò xo dãn ra có xu hướng đẩy thân pháo về vị trí ban đầu. Lò xo đẩy lên được lắp đặt trên pháo luôn ở trạng thái nén. Theo thời gian sử dụng, độ cứng của lò xo sẽ giảm. Thực tế cho thấy, độ cứng của lò xo giảm làm giảm chiều dài tự nhiên của nó. Lò xo đẩy lên được
coi là đủ điều kiện làm việc khi chiều dài tự nhiên của nó nằm trong khoảng từ 530 580 mm [37].