某型兵器發射塔架擺桿系統機液耦合動力學仿真研究

周杰，馬吉勝，孫中興，鄧輝詠，俠文強

(軍械工程學院，河北石家莊050003)

某型兵器發射塔架擺桿系統是發射靶場的重要組成部分，其功能是為待發射產品的測試電纜、導氣管路、風管等提供支撐，在發射前一分鐘擺開至漂移區外，確保兵器起飛安全，其運行情況將直接影響發射任務的成敗［1－3］。

然而，當擺桿系統工作時，經常產生速度波動，給系統帶來安全隱患，因此有必要對其工作時的動力學特性進行仿真研究。發射塔架擺桿系統是集機電液一體化的大型機械系統，對其進行動力學研究涉及機械、液壓及電控等領域的耦合，在建立模型時必須充分考慮機械及液壓系統之間的耦合效應，建立完整的閉環模型，從而提高分析精度，真正滿足實時動態仿真的需求［4］。

作者利用三維建模軟件Pro/E、動力學仿真軟件ADAMS與液壓系統仿真軟件EASY5建立塔架擺桿系統的虛擬樣機模型與液壓系統模型，通過軟件之間的無縫接口實現數據的實時、動態交換，建立更接近實際系統的仿真模型，其建模流程如圖1所示。

圖1 聯合仿真建模流程圖

1 塔架擺桿系統動力學模型

1.1 虛擬樣機模型

由于塔架擺桿系統的體積非常龐大，所涉及的零部件較多，在動力學仿真軟件ADAMS中完成零件的造型任務會很艱巨，作者采用Pro/E來完成全部實體建模和裝配工作，然后再將模型導入ADAMS中進行動力學分析［5］。

塔架擺桿系統可以分為兩大部分，即豎軸擺桿系統與液壓傳動系統。豎軸擺桿系統由兩根豎軸以及與豎軸固定連接的水平擺桿構成，水平擺桿則是由各段鋼管通過螺栓連接在一起的桁架結構，其主要可分為兩部分:與豎軸相連的直線段以及與直線段相連的彎曲段。由于在實際試驗中，僅一側豎軸上連有水平擺桿，且在4個水平擺桿中僅有一個水平擺桿具有完整的半圓形彎曲段，另兩個水平擺桿的彎曲段則僅為1/4圓弧，還有一個水平擺桿則沒有彎曲段。為了能夠與試驗結果進行對比，所建模型嚴格與試驗時的塔架結構相一致，得到其實體模型如圖2所示。

圖2 豎軸擺桿系統模型

液壓傳動系統由齒輪、齒條、液壓缸等組成，液壓力推動液壓缸中的活塞桿，使與其連接的齒輪齒條驅動豎軸轉動，實現豎軸擺桿系統的打開或收回，需要特別注意的是，根據試驗，發現傳動系統中連接桿與銷之間并不是緊密連接的，而是存在2～3 mm的縫隙，在建立模型時也將考慮該縫隙的存在，并定義形成縫隙的兩部件之間存在CONTACT碰撞約束［6］。其實體模型如圖3所示。

圖3 液壓傳動系統模型

1.2 液壓系統模型

1.2.1 建立液壓系統回路

塔架擺桿系統的液壓系統實現的是驅動活塞桿推動齒條運動，能夠實現擺桿的打開、收攏、保壓、卸荷等動作。在EASY5環境中建立液壓回路，主要包括設置液壓環境參數，創建液壓油、油箱、液壓泵、各類控制閥、液壓缸等。建立的液壓系統回路如圖4所示。

圖4 塔架擺桿系統液壓系統回路圖

當2個換向閥均為左位機能工作時，壓力油進入液壓缸無桿腔，液壓缸有桿腔中的液壓油回到油箱，活塞推動齒條向外運動，實現塔架擺桿系統的打開;反之，當換向閥右位機能工作時，液壓油直接進入液壓缸有桿腔，使活塞拉動齒條向里運動，實現塔架擺桿系統的收攏。

1.2.2 參數設置

液壓系統的參數設置主要是針對包括工作介質、動力元件、控制元件、執行元件和輔助元件等部分進行設置。

(1)工作介質

塔架擺桿系統工作時的環境較為惡劣，這里選用10號航空液壓油作為工作介質［7］。液壓油的參考壓力、工作溫度、體積模量、熱膨脹系數和空氣溶解系數等，按要求進行設置［8］。

(2)液壓缸

液壓缸的受力計算公式為:

式中:F為液壓缸受力;p1為進油壓力;p2為回油壓力;A1為無桿腔面積;A2為有桿腔面積;D為缸筒內徑;d為活塞桿直徑。

由動力學預分析可得到各液壓缸在初始狀態時的受力，由上述公式計算得到先作用油腔的初始壓強。在此參數下，系統初始狀態受力平衡，處于靜止狀態。液壓缸建模時涉及的參數較多，參考虛擬樣機仿真分析并結合計算，對各液壓缸主要參數進行設置。

(3)液壓泵

液壓泵的選取要考慮泵的輸出壓力及流量以及效率等因素。在液壓泵壓力方面，根據液壓泵最大壓力計算公式

式中:ph為最高進油工作壓力;p1為液壓缸最大工作壓力;∑Δp為液壓泵出口到執行元件入口之間所有沿程壓力損失和局部壓力損失之和［9］，根據試驗數據，選擇最大壓力為6 MPa。在液壓泵排量方面，根據試驗數據及液壓缸設計尺寸，綜合考慮閥類元件的選型及流量損失，選定液壓泵排量為160 L/min。考慮到液壓回路的泄漏損失，設置泵的機械效率為90%［10］。

液壓系統中的其他閥類屬于控制、輔助元件，用來控制液壓系統中流體的壓力、流量及流動方向，從而使之滿足執行元件的動作要求。根據之前設定的參數及試驗得到的數據，其他閥類元件的主要參數如表1所示。

表1 液壓回路主要參數

2 仿真結果與分析

設定各元件參數后，進入ADAMS仿真界面，設置仿真時間為15 s，仿真步長為0.01 s，求解器用CONSTANT_BDF，積分方法用 S12，誤差為0.001。仿真完成后，在ADAMS中查看仿真結果，包括塔架擺桿系統中液壓力輸出值以及機械傳動部分齒條的運動速度，并將仿真結果與試驗結果進行對比分析。

2.1 活塞受力分析

圖5與圖6分別為進行機液聯合仿真后液壓缸活塞受力在工作過程中隨時間變化的曲線以及試驗測得的活塞受力曲線。

圖5 液壓缸活塞受力仿真曲線

圖6 液壓缸活塞受力試驗曲線

由以上兩圖可以看出，液壓系統輸出力在仿真開始便迅速增大到80 kN，隨后又迅速減小到－20 kN，之后便一直保持在25 kN到0 N之間振蕩，可以看到仿真結果與試驗值較為相近，只是在仿真開始時的局部區間內有較劇烈的振蕩，這是由于之前提到的在塔架擺桿系統的傳動部分上，即活塞桿與齒條的連接處存在縫隙，在運動開始過程中由于閥門的突然打開，會使機械系統產生碰撞、沖擊，并反饋到液壓系統，當運行平穩后，也就不再有速度的連續瞬間突變，而變得較為平滑。以上結果說明了閥門啟閉時會產生力的大幅度振蕩，而在運行穩定后間隙的存在又會造成小幅度的力的振蕩。

2.2 齒條速度分析

齒條是塔架擺桿系統中驅動齒輪及豎軸的重要部件，研究其速度變化也就能看出整個塔架擺桿系統的速度特性。圖7為仿真與試驗得到的齒條速度曲線對比圖。

圖7 仿真與試驗得到的齒條速度曲線對比

圖中實線為試驗測得的齒條速度曲線，虛線為仿真得到的齒條速度曲線，可以看到仿真值與試驗值吻合得較好;齒條速度在仿真開始后很快上升到25 mm/s并呈幅度逐漸減小的波動，這與液壓力的變化趨勢相吻合，說明機械擺桿系統的慣性對整個系統的速度影響比較小。

3 結論

(1)在Pro/E中建立實體模型并導入ADAMS中，在Easy5中建立液壓系統模型，利用各個軟件的接口實現機－液耦合動力學仿真，這種建模方法對于類似的仿真分析具有參考意義。

(2)在閥門啟閉時所造成的油液沖擊及由傳動系統中的間隙所造成的機械與液壓系統的耦合作用對液壓系統中的液壓力、機械系統的動力學特性影響較大。可以考慮用延長閥門啟閉時間、消除傳動系統間隙的方法來消除塔架擺桿系統輸出的力與速度波動。

【1】丁士明，曹金霞．國外航天發射場安全性問題研究［R］．總裝備部科技信息研究中心，2005(8):13－30．

【2】魏繼友．航天發射塔設計［M］．北京:國防工業出版社，2007．

【3】徐克俊，金星，鄭永煌．航天發射場可靠性安全性與分析技術［M］．北京:國防工業出版社，2006．

【4】康鳳舉．現代仿真技術與應用［M］．北京:國防工業出版社，2001．

【5】郭衛東．虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2005．

【6】鄭建榮．ADAMS:虛擬樣機技術入門與提高［M］．北京:機械工業出版社，2002．

【7】黎文濟．航空液壓油應用［M］．北京:中國石化出版社，1995:68．

【8】雷天覺．液壓工程手冊［M］．北京:機械工業出版社，1990．

【9】張利平．液壓傳動系統及設計［M］．北京:化學工業出版社，2005．

【10】伍建雄，焦志偉，伍先安．基于ADAMS的二板式注塑機合模裝置機械液壓耦合仿真［J］．機床與液壓，2011，39(19):111－112．