某火炮輸彈機(jī)構(gòu)中的液壓沖擊仿真分析

王新春，董振樂，馬大為，樂貴高

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

輸彈機(jī)構(gòu)是火炮的核心部件之一，通過加強輸彈機(jī)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化，提高其性能，對增強火炮作戰(zhàn)性能具有重要的意義。輸彈機(jī)構(gòu)的輸彈動作主要靠液壓技術(shù)來實現(xiàn)，在輸彈動作中不可避免的存在液壓系統(tǒng)的突然開啟或突然制動現(xiàn)象，這就使得液壓傳動系統(tǒng)不可避免的存在液壓沖擊現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生液壓沖擊現(xiàn)象時，液體中的瞬時峰值壓力往往是正常工作壓力的1～4倍，這種瞬時峰值壓力不僅會影響液壓系統(tǒng)的性能和工作可靠性，而且會造成振動、噪聲、聯(lián)接件松動、液體泄漏的一系列影響系統(tǒng)正常工作的現(xiàn)象[1]，嚴(yán)重時會使系統(tǒng)中的管道、液壓元件和儀表等損壞，導(dǎo)致輸彈機(jī)構(gòu)癱瘓。因此正確分析輸彈機(jī)構(gòu)中的液壓沖擊問題，并盡可能的減小或者排除液壓沖擊，可以大幅提高輸彈機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，對提高火炮的作戰(zhàn)性能具有重要的意義。

1 系統(tǒng)工作原理

液壓式輸彈機(jī)由液壓齒輪泵與充氣活塞式蓄能器共同提供液壓動力，通過三位四通電磁換向閥控制，輸彈過程共分為翻轉(zhuǎn)和輸彈兩個動作，分別由翻轉(zhuǎn)油缸和輸彈油缸執(zhí)行。當(dāng)系統(tǒng)不工作時，換向閥位于中位，液壓油經(jīng)過換向閥直接流回油缸。當(dāng)系統(tǒng)工作時，換向閥通電處于右位，液壓油到達(dá)輸彈油缸左側(cè)，進(jìn)而驅(qū)動齒條帶動兩級齒輪加速，帶動鏈條推彈丸獲得一定速度強制輸彈，然后彈丸由慣性進(jìn)入炮膛。為了保證液壓系統(tǒng)工作安全，設(shè)置了安全閥。液壓系統(tǒng)工作時，當(dāng)工作壓力小于安全閥設(shè)定值，液壓油可通過管路到達(dá)輸彈油缸，順利完成輸彈動作；當(dāng)工作壓力大于安全閥設(shè)定值，安全閥將自動打開，轉(zhuǎn)換為工作狀態(tài)，液壓油通過安全閥直接流回油箱，防止液壓系統(tǒng)過載，避免造成裝置破壞[2]。

2 液壓沖擊仿真分析

2.1 AMESim在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

AMESim高級工程系統(tǒng)仿真建模環(huán)境(advanced modeling and simulation environment for systems engineering)[3]是法國LMS Imagine公司開發(fā)的多領(lǐng)域建模仿真軟件，涉及到液壓系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等多個領(lǐng)域的仿真分析。AMESim友好的圖形化界面為廣大用戶方便的進(jìn)行仿真分析帶來了便利。AMESim至今已發(fā)展到10.1版本，該軟件專門為液壓系統(tǒng)建立了一個標(biāo)準(zhǔn)模型庫，但由于液壓系統(tǒng)元件的多樣化，其標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)無法包含所有元件的模型。為此，AMESim提供了用于創(chuàng)建無法在標(biāo)準(zhǔn)模型庫中找到的液壓元件的HCD(hydraulic component design)，該功能增強了AMESim的實用性，使其在液壓/機(jī)械系統(tǒng)分析與設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛[4-6]。

2.2 液壓沖擊原理分析

液壓沖擊是一種因液壓系統(tǒng)中流體速度突然變化而使系統(tǒng)中液體壓力瞬時升高的現(xiàn)象，動態(tài)過程非常復(fù)雜，影響因素較多，很難精確計算出沖擊壓力。本文主要利用能量守恒定律對輸彈機(jī)構(gòu)的液壓沖擊問題進(jìn)行分析。

當(dāng)換向閥換至中位時，管道口瞬時被封閉，靠近閥處的液體速度逐漸降為零，根據(jù)能量守恒定律，管內(nèi)液體的瞬時動能全部轉(zhuǎn)換為壓力能，上游(遠(yuǎn)離換向閥處)各層液體也因速度的突然變化將瞬時動能轉(zhuǎn)化為壓力能，隨著上游壓力能向前傳遞，壓力能越來越大，直到最上游的壓力能傳遞結(jié)束后，壓力能達(dá)到最大值，此時就出現(xiàn)了液流撞擊聲，在這一瞬間管道中的液體全部停止流動，而且處于壓縮狀態(tài)。管道內(nèi)液體壓力在上下游壓能差的作用下，從下游(靠近換向閥處)反射到上游，此時管道下游的液體壓力迅速下降，管后的液體壓力逐層上升，經(jīng)一定的時間后，管道后面的液體壓力又逐層向前傳播，如此繼續(xù)循環(huán)往復(fù)。但由于往復(fù)流動過程中的能量損失，將逐漸衰減直到消失。

液壓沖擊問題實際上就是能量的轉(zhuǎn)換，在沖擊過程中將液體及運動部件的動能轉(zhuǎn)化為勢能。假設(shè)在液體流動中沒有混入氣體且不存在運動部件的慣性作用。

有如下關(guān)系[1,2,7]：

(1)

(2)

(3)

由以上各式，可得沖擊波速度

(4)

式中：Ke為液體有效體積彈性模量，KL為純液體體積彈性模量，Kc為容器體積彈性模量，E為液壓管管道材料的彈性模量，d為管道AC或BD的內(nèi)徑，δ為管道壁厚度，ρ為液壓油密度。

液壓沖擊發(fā)生前，設(shè)流動液體在管道中的流速為v0，液壓油體積為V，液壓管道長度為l，液壓泵流量Q，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動慣量為J，轉(zhuǎn)速為ω。假設(shè)液壓沖擊發(fā)生后流速突降為零，由動能所轉(zhuǎn)化的勢能可以用一個由以液壓壓力的變化量dp和受壓總?cè)莘e變化量dV為直角邊所構(gòu)成的三角形的面積代替。根據(jù)能量守恒定律有:

(5)

則可計算出沖擊壓力近似值：

(6)

(7)

由上式可以看出當(dāng)Q，J，ω一定時，dp與管道內(nèi)徑d，管道l成反比；與管壁厚δ成正比，在實際應(yīng)用中管壁厚度δ不會發(fā)生太大的變化，因此對液壓沖擊的影響較小。

設(shè)壓力沖擊波在管道中往復(fù)一次的時間為tc，則有:

(8)

當(dāng)換向閥換向時間ttc，此時的壓力峰值相對較小，稱為間接沖擊，其壓力增加值可按下式近似計算:

(9)

通過分析上式可知，在間接沖擊過程中在保持Q，J，ω一定的情況下，dp與管道內(nèi)徑d，管道長l，換向閥換向時間t成反比；與管壁厚δ成正比。而管壁厚δ對液壓沖擊的影響較小，故不再進(jìn)行仿真分析。

2.3 仿真模型的建立

為研究三個不同參數(shù)(管道內(nèi)徑d，管道l，換向閥換向時間t)對液壓沖擊的影響，根據(jù)AMSEim建模仿真的步驟：sketch-submodel-parameter-simulation[3]。通過輸彈機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的工作原理建立液壓系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。

圖1 輸彈機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)仿真模型

以液壓缸輸油口c為例，分析其液壓變化規(guī)律，液壓系統(tǒng)仿真時間設(shè)置為7s，仿真后可以得到輸彈機(jī)工作過程中油口c的壓力變化曲線如圖2所示。通過壓力變化曲線可以分析出液壓缸內(nèi)的壓力的變化規(guī)律，在換向閥換向中位時液壓沖擊較大，最大值為62.6 MPa。這說明在換向閥換向中位時液壓缸內(nèi)的壓力會突然升高，即存在液壓沖擊。因此，需要對換向閥回到中位時的液壓沖擊進(jìn)行分析。

圖2 油口c的壓力變化曲線

3 不同參數(shù)對液壓系統(tǒng)沖擊的影響

3.1 換向閥換向時間t對沖擊的影響

在保證其他參數(shù)不變的情況下，單純改變換向閥換向時間t，取換向時刻為0.1s、0.2s、0.3s進(jìn)行對比分析。利用軟件對液壓缸腔內(nèi)的壓力進(jìn)行仿真，可以得出換向閥換向時的壓力峰值(如圖3所示)，通過仿真曲線可知，0.1s、0.2s、0.3s時的峰值壓強分別為66MPa、64MPa和55MPa，對比可得隨著換向時間t的增加，沖擊壓力逐漸降低。

圖3 換向時間對油口c壓力的影響

3.2 管道內(nèi)徑d對沖擊的影響

保證其余參數(shù)不變，單純改變管道內(nèi)徑d，根據(jù)輸彈機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)管道內(nèi)徑的實際需求，取一組值10.3mm、12.7mm、15.9mm，利用仿真模型對液壓缸腔內(nèi)的壓力進(jìn)行仿真，可以得出換向閥換向時的壓力峰值(如圖4所示)，分析曲線可知隨著油管內(nèi)徑增大，沖擊壓力逐漸減小。

圖4 油管內(nèi)徑對油口c壓力的影響

3.3 管道長度l對沖擊的影響

單純改變管道長度l，其他參數(shù)不變。取管道長度分別0.6m、0.8m、1m進(jìn)行對比分析，利用液壓仿真模型對液壓缸腔內(nèi)的壓力進(jìn)行仿真，可以得出換向閥換向時的壓力峰值(如圖5所示)，分析曲線可得，隨著管道長度的增加，沖擊壓力逐漸減小。但需要指出的是，減小管道的長度，可以是直接沖擊轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接沖擊，故一旦管道長度的減小使間接沖擊成為可能，沖擊力是會減小的。

圖5 管道長度對油口c壓力的影響

4 結(jié)論

通過以上分析可知，輸彈機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)中液壓沖擊的大小主要與液壓閥換向時間、管道內(nèi)徑和管道長度有關(guān)。因此，在允許的范圍內(nèi)，可以通過延長換向時間、減小管道內(nèi)徑、減小管道長度等措施來減小輸彈機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)中的液壓沖擊，提高輸彈機(jī)構(gòu)的可靠性，延長使用壽命。本文通過單獨改變某一影響參數(shù)分析了不同參數(shù)對輸彈機(jī)構(gòu)液壓沖擊的影響，而沒用考慮各參數(shù)之間的相互關(guān)系。因此，下一步將致力于仿真分析不同參數(shù)之間的匹配關(guān)系，通過分析不同參數(shù)之間的關(guān)系選擇合適的參數(shù)使輸彈機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)中的液壓沖擊達(dá)到最小值，以保證輸彈機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)長期有效運轉(zhuǎn)。

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