某火炮輸彈機構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 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

輸彈機構是火炮的核心部件之一，通過加強輸彈機構的設計與優化，提高其性能，對增強火炮作戰性能具有重要的意義。輸彈機構的輸彈動作主要靠液壓技術來實現，在輸彈動作中不可避免的存在液壓系統的突然開啟或突然制動現象，這就使得液壓傳動系統不可避免的存在液壓沖擊現象。當發生液壓沖擊現象時，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的性能和工作可靠性，而且會造成振動、噪聲、聯接件松動、液體泄漏的一系列影響系統正常工作的現象[1]，嚴重時會使系統中的管道、液壓元件和儀表等損壞，導致輸彈機構癱瘓。因此正確分析輸彈機構中的液壓沖擊問題，并盡可能的減小或者排除液壓沖擊，可以大幅提高輸彈機構液壓系統的工作穩定性，對提高火炮的作戰性能具有重要的意義。

1 系統工作原理

液壓式輸彈機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和輸彈兩個動作，分別由翻轉油缸和輸彈油缸執行。當系統不工作時，換向閥位于中位，液壓油經過換向閥直接流回油缸。當系統工作時，換向閥通電處于右位，液壓油到達輸彈油缸左側，進而驅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，然后彈丸由慣性進入炮膛。為了保證液壓系統工作安全，設置了安全閥。液壓系統工作時，當工作壓力小于安全閥設定值，液壓油可通過管路到達輸彈油缸，順利完成輸彈動作；當工作壓力大于安全閥設定值，安全閥將自動打開，轉換為工作狀態，液壓油通過安全閥直接流回油箱，防止液壓系統過載，避免造成裝置破壞[2]。

2 液壓沖擊仿真分析

2.1 AMESim在液壓系統中的應用

AMESim高級工程系統仿真建模環境(advanced modeling and simulation environment for systems engineering)[3]是法國LMS Imagine公司開發的多領域建模仿真軟件，涉及到液壓系統、機械系統、傳動系統等多個領域的仿真分析。AMESim友好的圖形化界面為廣大用戶方便的進行仿真分析帶來了便利。AMESim至今已發展到10.1版本，該軟件專門為液壓系統建立了一個標準模型庫，但由于液壓系統元件的多樣化，其標準已經無法包含所有元件的模型。為此，AMESim提供了用于創建無法在標準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/機械系統分析與設計領域的應用更加廣泛[4-6]。

2.2 液壓沖擊原理分析

液壓沖擊是一種因液壓系統中流體速度突然變化而使系統中液體壓力瞬時升高的現象，動態過程非常復雜，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構的液壓沖擊問題進行分析。

當換向閥換至中位時，管道口瞬時被封閉，靠近閥處的液體速度逐漸降為零，根據能量守恒定律，管內液體的瞬時動能全部轉換為壓力能，上游(遠離換向閥處)各層液體也因速度的突然變化將瞬時動能轉化為壓力能，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束后，壓力能達到最大值，此時就出現了液流撞擊聲，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。管道內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，如此繼續循環往復。但由于往復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換，在沖擊過程中將液體及運動部件的動能轉化為勢能。假設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的內徑，δ為管道壁厚度，ρ為液壓油密度。

液壓沖擊發生前，設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，液壓馬達轉動慣量為J，轉速為ω。假設液壓沖擊發生后流速突降為零，由動能所轉化的勢能可以用一個由以液壓壓力的變化量dp和受壓總容積變化量dV為直角邊所構成的三角形的面積代替。根據能量守恒定律有:

(5)

則可計算出沖擊壓力近似值：

(6)

(7)

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

設壓力沖擊波在管道中往復一次的時間為tc，則有:

(8)

當換向閥換向時間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，故不再進行仿真分析。

2.3 仿真模型的建立

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

圖1 輸彈機構液壓系統仿真模型

以液壓缸輸油口c為例，分析其液壓變化規律，液壓系統仿真時間設置為7s，仿真后可以得到輸彈機工作過程中油口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的壓力的變化規律，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行分析。

圖2 油口c的壓力變化曲線

3 不同參數對液壓系統沖擊的影響

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進行對比分析。利用軟件對液壓缸腔內的壓力進行仿真，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 管道內徑d對沖擊的影響

保證其余參數不變，單純改變管道內徑d，根據輸彈機構液壓系統管道內徑的實際需求，取一組值10.3mm、12.7mm、15.9mm，利用仿真模型對液壓缸腔內的壓力進行仿真，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徑增大，沖擊壓力逐漸減小。

圖4 油管內徑對油口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，其他參數不變。取管道長度分別0.6m、0.8m、1m進行對比分析，利用液壓仿真模型對液壓缸腔內的壓力進行仿真，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，可以是直接沖擊轉變為間接沖擊，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 結論

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

[1] 李寧,張玉峰,王建成.液壓系統沖擊的分析與控制[J].機床與液壓,2007,35(4):149-151.

[2] 邢道奇,張良欣,任愛娣.縱向補給裝置液壓沖擊仿真分析[J].機床與液壓,2011,39(3):16-18.

[3] 付永玲,齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統建模和仿真實例教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[4] 余佑官,龔國芳,胡國良.AMESim仿真技術及其在液壓系統中的應用[J].液壓與密動，2005，(3)：28-31.

[5] 鄔國秀.基于AMESim的閥控液壓缸液壓伺服系統仿真分析[J].計算機應用技術,2008,35:28-30.

[6] 馬長林,黃先祥,郝琳.基于AMESim的電液伺服系統仿真與優化研究[J].液壓氣動與密封,2006:32-34.

[7] 秦家升,趙繼云,王曉倩等.挖掘機液壓沖擊分析[J].機床與液壓,2008,36(9):273-275.