外能源轉管自動機液壓驅動研究與應用

王躍進，楊衛(wèi)超，屈武斌，郭子鵬

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

隨著武器裝備的發(fā)展，高射速小口徑自動炮在末端防御、空中近距格斗、空對地壓制打擊等方面發(fā)揮著不可替代的作用，世界各國都在積極發(fā)展和提高小口徑自動炮的射速及其自動化程度。自動炮的核心是自動機，采用轉管原理(加特林原理)的自動機能有效提高火炮射速，相比傳統(tǒng)的單管自動機射速有了顯著提高，主要軍事強國都在競相發(fā)展轉管自動機技術。轉管自動機主要有內能源、外能源和內外能源耦合3種驅動方式。為穩(wěn)定射速，提高密集度，達到射速可調的目的，通常采用外能源驅動[1-3]。外能源轉管自動機傳統(tǒng)方法一般采用電機驅動，通常應用于對耗電功率和體積要求不高的艦載武器系統(tǒng)，其優(yōu)點是采用閉環(huán)控制，系統(tǒng)響應快，控制精度高，但缺點是系統(tǒng)剛性較差，控制復雜，尤其耗電功率大，使得相關電站及電氣控制系統(tǒng)的研制難度增加，研制成本高，而難以應用于對功耗、體積要求高的車載、機載等平臺。

針對上述問題，筆者提出了外能源轉管自動機液壓驅動與穩(wěn)速的解決方案，設計研發(fā)了恒功率脈沖動力源與基于電液比例節(jié)流控制相結合的閥控馬達開式驅動系統(tǒng)[4-6]，有效解決了外能源轉管自動機驅動耗電功率受限而難以應用于車載、機載等平臺的技術問題。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

外能源轉管自動機液壓驅動系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成，其中液壓系統(tǒng)由電機、變量泵、液壓油箱總成、高壓蓄能器、電液比例控制閥組(由兩位兩通座閥、電液比例節(jié)流閥、壓力補償器、壓力開關集成)、補油緩沖閥組(由補油閥、背壓閥、緩沖閥集成)、液壓馬達、壓力表以及管路接頭等組成。變量泵由電機直接驅動，液壓馬達與轉管自動機的減速箱直接連接，液壓馬達的轉速直接反映了自動機的射速。電控系統(tǒng)主要由比例控制器、操作指令箱、控制軟件以及相關電纜等組成，實現對外能源轉管自動機的控制。外能源轉管自動機液壓驅動系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1.2 工作原理

外能源轉管自動機液壓驅動系統(tǒng)采用高壓蓄能器與恒功率變量泵相結合驅動液壓馬達帶動身管組轉動和電液比例節(jié)流控制穩(wěn)速的技術方案。

射擊前，首先空載啟動油源電機驅動變量泵向高壓蓄能器充液建壓，在充液過程中，隨著系統(tǒng)壓力升高，當恒功率變量泵的輸出功率達到設定的功率拐點后，恒功率變量泵斜盤自動擺小，變量泵按恒功率曲線運行，變量泵輸出流量隨系統(tǒng)壓力的升高而不斷減小，期間保持變量泵(電機)的功率恒定不變。在高壓蓄能器達到所需壓力后，系統(tǒng)壓力開關接通，高壓壓力指示燈點亮，同時變量泵的壓力切斷功能起作用，變量泵的斜盤瞬時擺至最小，將變量泵轉至恒壓泵運轉，維持液壓系統(tǒng)泄漏而保持泵出口壓力恒定，從而達到降低空載耗電功率、減小能耗的目的。

射擊時，電控系統(tǒng)按照事先擬合好的指令曲線打開并按比例無級調整電液比例節(jié)流閥的開度，瞬間高壓大流量油液驅動液壓馬達帶動自動機身管組瞬時加速至額定轉速并穩(wěn)定射擊。射擊過程中，依靠壓力補償器穩(wěn)定電液比例節(jié)流閥的前后壓差而保證電液比例節(jié)流閥的輸出流量穩(wěn)定，使自動機的射速不受其負載變化的影響，從而達到穩(wěn)定射速的目的。當改變電液比例節(jié)流閥的驅動電流，即可實現對外能源轉管自動機射速的調整。

2 閥控馬達的數學模型

閥控馬達的方程式[4]，往往存在許多非線性因素，為了得到通用的數學模型，必須進行線性化處理。閥線性化后的流量方程組可表示為：

進入馬達的流量

Q1=KqXV-2KcP1，

(1)

馬達排出的流量

Q2=KqXV+2KcP2，

(2)

線性化流量方程

QL=(Q1+Q2)/2=KqXV-KcPL，

(3)

式中：QL為負載流量，L/s；負載壓力PL=P1-P2，MPa，P1為馬達高壓側壓力，P2為馬達低壓側壓力；Kq為閥的流量增益；Kc為閥的流量壓力系數。

考慮到外泄漏，上面所述閥的負載流量是表示通往馬達兩管道流量的平均值。

液壓馬達的流量方程：

(4)

利用Vt=2V0代入式(4)，并取拉普拉斯變換得：

(5)

式中：Vt為在壓力P1和P2作用下油的總體積，m3；Ctm為馬達的泄露系數。

馬達的拉普拉斯變換力矩方程：

DmPL=Jtmθms2+Bmθms+Gθm+TL.

(6)

將式(3)、(5)和(6)合并可求得馬達轉角θm的方程式：

(7)

假定無彈簧負載,則G=0，Bm?1，則式(7)化簡為：

(8)

對于以閥位移XV為輸入的傳遞函數：

(9)

動態(tài)柔度：

(10)

綜上所述，式(8)、(9)和(10)全面描述了閥控馬達的動態(tài)與靜態(tài)特性。

3 外能源轉管自動機液壓驅動系統(tǒng)設計

3.1 液壓系統(tǒng)設計

根據轉管自動機的使用特點，結合載體平臺的要求，設計采用高壓蓄能器充液蓄能后與恒功率變量泵相結合,提供瞬時脈沖高壓大流量油液直接驅動液壓馬達帶動身管組加速啟動和電液比例節(jié)流控制穩(wěn)速的技術方案。其中高壓蓄能器與恒功率變量泵構成瞬時脈沖動力源，射擊前以較低耗電功率蓄能，射擊時高液壓功率驅動，解決了外能源轉管自動機射擊時的大功率需求與小功率耗電的矛盾；采用緩沖閥解決自動機異常停射時的壓力沖擊；采用補油閥、背壓閥相結合解決自動機射擊結束后馬達慣性旋轉的補油問題，以防止氣穴現象，同時背壓閥還用于調整液壓馬達的回油背壓，消除或緩解自動機射擊時交變沖擊載荷帶來的射速波動；采用壓力補償器解決自動機帶彈射擊與空載試驗的射速一致性，使自動機的射速不受其負載變化的影響。各閥組采用集成化設計與分散布置的方式傳遞動力。高壓蓄能器的壓力油在非工作狀態(tài)下由電液比例節(jié)流閥與兩位兩通座閥保持，長期存放時可由兩位兩通座閥與安全閥實現泄壓。液壓系統(tǒng)原理示意如圖2所示。

3.2 主要組件選型與設計

某外能源轉管自動機被驅動的運動構件轉動慣量大、轉速高、射擊時阻力矩大，穩(wěn)定射擊所需驅動功率大。綜合權衡載體平臺電站總功率與系統(tǒng)反應時間，在降低自動機耗電功率的同時又不影響系統(tǒng)反應時間。按照上述設計，射擊時的能源主要依靠蓄能器提供，通過分析計算，某外能源轉管自動機液壓驅動系統(tǒng)選用額定功率10 kW的電機驅動恒功率變量泵匹配性較好。根據自動機的轉動慣量、加速特性以及額定射速，要求自動機的驅動扭矩大于800 N·m，轉速大于600 r/min，因此，自動機所需驅動功率大于50 kW.選定系統(tǒng)工作壓力范圍為15～20 MPa，根據液壓馬達與自動機的減速比，計算液壓馬達的排量:

(11)

式中：ΔP為液壓馬達進出口壓差；T為自動機驅動扭矩，N·m；Vg為液壓馬達排量,mL；η為減速機效率，取η=0.95；i為液壓馬達與自動機的減速比；ηm為液壓馬達的機械效率，取ηm=0.95.

依據上述計算所得液壓馬達排量，計算額定工況下馬達所需流量Q：

(12)

式中：n為馬達轉速，r/min；ηv為液壓馬達容積效率，ηv=0.95.

蓄能器用于瞬時輸出流量，蓄能器容積VA的大小由蓄能器初始注氣壓力pA、工作中要求輸出的油液體積Vw(按最長射擊時間計算)、系統(tǒng)最高工作壓力p1和最低工作壓力p2決定。

蓄能器的容積VA的計算公式為：

(13)

式中：pA≈(0.8～0.9)p2；n為絕熱多變指數，取n=1.25.

4 試驗驗證

某外能源轉管自動機液壓驅動系統(tǒng)經過設計與試制加工，與自動機聯(lián)調聯(lián)試后，首先在實驗室進行了自動機空載驅動試驗，試驗測試曲線如圖3所示；隨后又進行了靶場射擊試驗，連續(xù)射擊30發(fā)，試驗測試曲線如圖4所示。

試驗結果表明，某外能源轉管自動機液壓驅動系統(tǒng)耗電功率≤10 kW，在空載和帶載兩種狀態(tài)下射速穩(wěn)定，系統(tǒng)加速快，剛性大、體積小、受自動機射擊時的交變沖擊載荷影響小，滿足載體平臺的各項指標要求。

5 結束語

外能源轉管自動機的驅動功率是其武器平臺的重要參數指標，隨著射速的提高，自動機消耗功率也不斷加大，而車載、機載平臺提供的電源功率有限，制約著外能源轉管自動機在車載、機載等平臺的搭載應用。通過外能源轉管自動機液壓驅動系統(tǒng)的研究和試驗，結果表明，外能源轉管自動機采用液壓驅動的方式，能有效降低耗電功率，可柔性傳遞動力，驅動系統(tǒng)剛性大，射速穩(wěn)定可調，有效解決了外能源轉管自動機應用于車載、機載等平臺功率受限的問題，提高了外能源轉管自動機適裝性，為外能源轉管自動機驅動開辟了新的技術途徑，具有一定的參考價值。