閥控反后坐裝置設(shè)計(jì)與仿真研究

徐新奇，韓曉明，李 強(qiáng)，梁興旺

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

傳統(tǒng)的火炮反后坐裝置是通過(guò)結(jié)構(gòu)來(lái)預(yù)定制退機(jī)后坐流液孔的變化規(guī)律獲得預(yù)期的液壓阻力和后坐阻力。但由于不同環(huán)境、條件等因素的影響，實(shí)際的后坐阻力一般達(dá)不到預(yù)期結(jié)果，出現(xiàn)比預(yù)期更高的后坐阻力峰值，當(dāng)射擊工況改變時(shí)后坐阻力曲線產(chǎn)生變化，這不僅對(duì)火炮炮架等架體的受力不利，而且也影響到了火炮射擊穩(wěn)定性和射擊精度[1-2]。本文根據(jù)火炮反后坐裝置的作用原理,設(shè)計(jì)了閥控反后坐裝置結(jié)構(gòu)，并采用AMESim軟件仿真[3-4]，研究和伺服閥開(kāi)口大小對(duì)火炮后坐阻力的影響，為火炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 閥控反后坐裝置

在傳統(tǒng)火炮結(jié)構(gòu)中，火炮后坐時(shí)，制退桿在炮膛合力的作用下擠壓工作腔的液體，使液體一部分沿節(jié)制桿與制退活塞之間的環(huán)形流液孔進(jìn)入非工作腔；一部分沿節(jié)制桿與制退桿內(nèi)腔的環(huán)形間隙進(jìn)入復(fù)進(jìn)工作腔[5]。但在火炮結(jié)構(gòu)不變的情況下，后坐阻力曲線發(fā)生偏差，無(wú)法調(diào)節(jié)和減小火炮后坐阻力。

針對(duì)以上問(wèn)題，在制退機(jī)工作腔末端并聯(lián)一個(gè)如圖1所示的閥控反后坐裝置結(jié)構(gòu)，通過(guò)伺服閥輔助調(diào)節(jié)制退工作腔的部分液體轉(zhuǎn)入非工作腔。復(fù)進(jìn)時(shí)，伺服閥關(guān)閉，復(fù)進(jìn)機(jī)構(gòu)自行回復(fù)。為仿真方便，不考慮復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)。閥控反后坐裝置中，通過(guò)調(diào)節(jié)伺服閥的開(kāi)口大小，調(diào)節(jié)液體的流量實(shí)現(xiàn)火炮反后坐裝置后坐阻力峰值可調(diào)，降低后坐阻力對(duì)設(shè)計(jì)精度的影響。

1.制退活塞；2.節(jié)制桿；3.制退桿；4.伺服閥

火炮后坐過(guò)程中，后坐反應(yīng)時(shí)間很短，因此想要通過(guò)伺服閥控制制退機(jī)得到預(yù)期后坐阻力，需選擇響應(yīng)速度較快的直動(dòng)式電液伺服閥[6]。伺服閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)伺服閥工作時(shí)，控制器中的控制信號(hào)輸入伺服閥，比例電磁鐵3通電產(chǎn)生推力帶動(dòng)閥芯2運(yùn)動(dòng)，使制退機(jī)中的液體從油口A、B進(jìn)出，調(diào)節(jié)制退機(jī)的液壓阻力大小。

1.閥體；2.閥芯；3.比例電磁鐵；4.位移傳感器；5.集成放大器；6.USB接口；7.總線接口；8.主插頭

火炮后坐時(shí)，制退桿在炮膛合力的作用下后坐運(yùn)動(dòng)，制退桿上的位移傳感器測(cè)得后坐位移信號(hào)反饋給控制器，控制器將信號(hào)處理后輸出控制信號(hào)進(jìn)入伺服閥，控制伺服閥的閥芯運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)閥開(kāi)口大小，以此調(diào)節(jié)制退機(jī)后坐阻力。控制原理如圖3所示。

圖3 閥控反后坐裝置控制原理

2 閥控反后坐裝置仿真分析

2.1 建立仿真模型

采用AMESim軟件對(duì)伺服閥建模[7-8]，伺服閥模型如圖4所示，由以下幾個(gè)部分組成。伺服閥工作時(shí)，比例電磁鐵4通電帶動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，伺服閥油口打開(kāi)，制退機(jī)中一部分液體有A油口進(jìn)入，B油口流出，進(jìn)入制退機(jī)非工作腔。

1.彈簧緩沖模塊；2.閥套模塊；3.閥芯質(zhì)量模塊；4.比例電磁鐵

按照節(jié)制桿式制退機(jī)結(jié)構(gòu)，每個(gè)部分在AMESim模型中一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行等效變換[9-10]，閥控反后坐裝置AMESim仿真模型如圖5所示。

1.液壓屬性標(biāo)志；2.炮膛合力；3.力發(fā)生器；4.制退桿部分質(zhì)量；5.位移傳感器；6.制退桿工作腔；7.節(jié)制桿工作腔；8.節(jié)制桿直徑-位移曲線；9.飽和信號(hào)；10.活塞流液孔面積函數(shù)；11.可變流液孔；12.控制器；13.延時(shí)裝置

圖5 閥控反后坐裝置仿真模型

2.2 仿真結(jié)果分析

1) 伺服閥開(kāi)度對(duì)后坐阻力的影響

閥控反后坐裝置中，伺服閥作為系統(tǒng)的輔助調(diào)節(jié)裝置。火炮后坐時(shí)，控制器接受位移傳感器傳來(lái)的位移信號(hào)，輸出電壓信號(hào)控制伺服閥開(kāi)口流量。制退機(jī)工作腔部分液體通過(guò)伺服閥流入非工作腔，以此減小制退機(jī)的液壓阻力。

為驗(yàn)證伺服閥能否達(dá)到預(yù)期效果，分別取伺服閥開(kāi)口為0%、20%、40%、60%、80%、100%，并進(jìn)行仿真，如圖6所示。

由圖6可知，開(kāi)始時(shí)伺服閥開(kāi)口越大，后坐阻力峰值越小，曲線達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)的位移越小。但位移達(dá)到一定值后，后坐阻力開(kāi)始增大，再次出現(xiàn)峰值，且遠(yuǎn)超過(guò)平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的后坐阻力值。說(shuō)明伺服閥開(kāi)度并非越大越好，也并非越小越好，適當(dāng)調(diào)節(jié)伺服閥開(kāi)度大小可以減小火炮后坐阻力。

針對(duì)上述伺服閥開(kāi)口固定時(shí)無(wú)法獲得理想的后坐阻力，在此采用可隨后坐位移變化的伺服閥開(kāi)度大小。由于選取的伺服閥結(jié)構(gòu)中，流量與電壓呈線性關(guān)系，其理想控制信號(hào)值如圖7所示。

圖6 不同開(kāi)口時(shí)后坐阻力曲線

圖7 控制信號(hào)曲線

輸入理想控制信號(hào)開(kāi)始對(duì)制退機(jī)進(jìn)行仿真，并將其結(jié)果與無(wú)閥時(shí)對(duì)比，如圖8所示。

由圖8可知，有伺服閥控制制退機(jī)調(diào)節(jié)工作時(shí)，后坐阻力峰值明顯比無(wú)伺服閥時(shí)減小約40 000 N，且后坐阻力達(dá)到峰值后在一段較長(zhǎng)的位移過(guò)程中比較平穩(wěn)，接近理想后坐阻力。對(duì)比仿真結(jié)果說(shuō)明在火炮后坐過(guò)程中，可以通過(guò)伺服閥結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)伺服閥開(kāi)口大小，有效控制火炮反后坐裝置的后坐阻力。

圖8 有、無(wú)閥時(shí)后坐阻力曲線

2) 延遲時(shí)間對(duì)后坐阻力的影響

在實(shí)際控制中，火炮后坐時(shí)間很短，且變化極大，而伺服閥本身控制時(shí)有一定的延遲時(shí)間，往往無(wú)法實(shí)時(shí)精確控制，容易造成火炮毀傷。為此考慮控制閥延遲時(shí)間對(duì)后坐阻力的影響，在采用理想控制曲線的基礎(chǔ)上，取延遲時(shí)間為5 ms、10 ms進(jìn)行仿真分析，如圖9所示。

圖9 不同延時(shí)的后坐阻力曲線

對(duì)比圖9中的不同曲線可知，延遲時(shí)間越長(zhǎng)，后坐阻力峰值越大，伺服閥控制效果越小，越難得到理想的后坐阻力。

3 結(jié)論

1) 基本不用自設(shè)數(shù)學(xué)公式，能減少數(shù)學(xué)建模誤差；

2) 在節(jié)制桿反后坐裝置中并聯(lián)加入伺服閥，高靈敏度、高頻響調(diào)節(jié)伺服閥開(kāi)口大小達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)制退機(jī)工作腔的流量，減小火炮后坐阻力，達(dá)到火炮變后坐控制；

3) 控制閥的延遲時(shí)間會(huì)導(dǎo)致伺服閥無(wú)法最大程度減小后坐阻力、控制后坐阻力。