周杰，馬吉?jiǎng)伲瑢O中興，鄧輝詠，俠文強(qiáng)

(軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003)

某型兵器發(fā)射塔架擺桿系統(tǒng)是發(fā)射靶場(chǎng)的重要組成部分，其功能是為待發(fā)射產(chǎn)品的測(cè)試電纜、導(dǎo)氣管路、風(fēng)管等提供支撐，在發(fā)射前一分鐘擺開至漂移區(qū)外，確保兵器起飛安全，其運(yùn)行情況將直接影響發(fā)射任務(wù)的成?。?－3］。

然而，當(dāng)擺桿系統(tǒng)工作時(shí)，經(jīng)常產(chǎn)生速度波動(dòng)，給系統(tǒng)帶來(lái)安全隱患，因此有必要對(duì)其工作時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真研究。發(fā)射塔架擺桿系統(tǒng)是集機(jī)電液一體化的大型機(jī)械系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究涉及機(jī)械、液壓及電控等領(lǐng)域的耦合，在建立模型時(shí)必須充分考慮機(jī)械及液壓系統(tǒng)之間的耦合效應(yīng)，建立完整的閉環(huán)模型，從而提高分析精度，真正滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真的需求［4］。

作者利用三維建模軟件Pro/E、動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS與液壓系統(tǒng)仿真軟件EASY5建立塔架擺桿系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型與液壓系統(tǒng)模型，通過(guò)軟件之間的無(wú)縫接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)交換，建立更接近實(shí)際系統(tǒng)的仿真模型，其建模流程如圖1所示。

圖1 聯(lián)合仿真建模流程圖

1 塔架擺桿系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

1.1 虛擬樣機(jī)模型

由于塔架擺桿系統(tǒng)的體積非常龐大，所涉及的零部件較多，在動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中完成零件的造型任務(wù)會(huì)很艱巨，作者采用Pro/E來(lái)完成全部實(shí)體建模和裝配工作，然后再將模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析［5］。

塔架擺桿系統(tǒng)可以分為兩大部分，即豎軸擺桿系統(tǒng)與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。豎軸擺桿系統(tǒng)由兩根豎軸以及與豎軸固定連接的水平擺桿構(gòu)成，水平擺桿則是由各段鋼管通過(guò)螺栓連接在一起的桁架結(jié)構(gòu)，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(shí)際試驗(yàn)中，僅一側(cè)豎軸上連有水平擺桿，且在4個(gè)水平擺桿中僅有一個(gè)水平擺桿具有完整的半圓形彎曲段，另兩個(gè)水平擺桿的彎曲段則僅為1/4圓弧，還有一個(gè)水平擺桿則沒(méi)有彎曲段。為了能夠與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，所建模型嚴(yán)格與試驗(yàn)時(shí)的塔架結(jié)構(gòu)相一致，得到其實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 豎軸擺桿系統(tǒng)模型

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)由齒輪、齒條、液壓缸等組成，液壓力推動(dòng)液壓缸中的活塞桿，使與其連接的齒輪齒條驅(qū)動(dòng)豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)豎軸擺桿系統(tǒng)的打開或收回，需要特別注意的是，根據(jù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)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(shí)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(shí)體模型如圖3所示。

圖3 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)模型

1.2 液壓系統(tǒng)模型

1.2.1 建立液壓系統(tǒng)回路

塔架擺桿系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是驅(qū)動(dòng)活塞桿推動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)擺桿的打開、收攏、保壓、卸荷等動(dòng)作。在EASY5環(huán)境中建立液壓回路，主要包括設(shè)置液壓環(huán)境參數(shù)，創(chuàng)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(tǒng)回路如圖4所示。

圖4 塔架擺桿系統(tǒng)液壓系統(tǒng)回路圖

當(dāng)2個(gè)換向閥均為左位機(jī)能工作時(shí)，壓力油進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔，液壓缸有桿腔中的液壓油回到油箱，活塞推動(dòng)齒條向外運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)塔架擺桿系統(tǒng)的打開;反之，當(dāng)換向閥右位機(jī)能工作時(shí)，液壓油直接進(jìn)入液壓缸有桿腔，使活塞拉動(dòng)齒條向里運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)塔架擺桿系統(tǒng)的收攏。

1.2.2 參數(shù)設(shè)置

液壓系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置主要是針對(duì)包括工作介質(zhì)、動(dòng)力元件、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件等部分進(jìn)行設(shè)置。

(1)工作介質(zhì)

塔架擺桿系統(tǒng)工作時(shí)的環(huán)境較為惡劣，這里選用10號(hào)航空液壓油作為工作介質(zhì)［7］。液壓油的參考?jí)毫?、工作溫度、體積模量、熱膨脹系數(shù)和空氣溶解系數(shù)等，按要求進(jìn)行設(shè)置［8］。

(2)液壓缸

液壓缸的受力計(jì)算公式為:

式中:F為液壓缸受力;p1為進(jìn)油壓力;p2為回油壓力;A1為無(wú)桿腔面積;A2為有桿腔面積;D為缸筒內(nèi)徑;d為活塞桿直徑。

由動(dòng)力學(xué)預(yù)分析可得到各液壓缸在初始狀態(tài)時(shí)的受力，由上述公式計(jì)算得到先作用油腔的初始?jí)簭?qiáng)。在此參數(shù)下，系統(tǒng)初始狀態(tài)受力平衡，處于靜止?fàn)顟B(tài)。液壓缸建模時(shí)涉及的參數(shù)較多，參考虛擬樣機(jī)仿真分析并結(jié)合計(jì)算，對(duì)各液壓缸主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)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(jù)液壓泵最大壓力計(jì)算公式

式中:ph為最高進(jìn)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(zhí)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(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇最大壓力為6 MPa。在液壓泵排量方面，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及液壓缸設(shè)計(jì)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?？紤]到液壓回路的泄漏損失，設(shè)置泵的機(jī)械效率為90%［10］。

液壓系統(tǒng)中的其他閥類屬于控制、輔助元件，用來(lái)控制液壓系統(tǒng)中流體的壓力、流量及流動(dòng)方向，從而使之滿足執(zhí)行元件的動(dòng)作要求。根據(jù)之前設(shè)定的參數(shù)及試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，其他閥類元件的主要參數(shù)如表1所示。

表1 液壓回路主要參數(shù)

2 仿真結(jié)果與分析

設(shè)定各元件參數(shù)后，進(jìn)入ADAMS仿真界面，設(shè)置仿真時(shí)間為15 s，仿真步長(zhǎng)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(jié)果，包括塔架擺桿系統(tǒng)中液壓力輸出值以及機(jī)械傳動(dòng)部分齒條的運(yùn)動(dòng)速度，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 活塞受力分析

圖5與圖6分別為進(jìn)行機(jī)液聯(lián)合仿真后液壓缸活塞受力在工作過(guò)程中隨時(shí)間變化的曲線以及試驗(yàn)測(cè)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(yàn)曲線

由以上兩圖可以看出，液壓系統(tǒng)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(jié)果與試驗(yàn)值較為相近，只是在仿真開始時(shí)的局部區(qū)間內(nèi)有較劇烈的振蕩，這是由于之前提到的在塔架擺桿系統(tǒng)的傳動(dòng)部分上，即活塞桿與齒條的連接處存在縫隙，在運(yùn)動(dòng)開始過(guò)程中由于閥門的突然打開，會(huì)使機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生碰撞、沖擊，并反饋到液壓系統(tǒng)，當(dāng)運(yùn)行平穩(wěn)后，也就不再有速度的連續(xù)瞬間突變，而變得較為平滑。以上結(jié)果說(shuō)明了閥門啟閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生力的大幅度振蕩，而在運(yùn)行穩(wěn)定后間隙的存在又會(huì)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(tǒng)中驅(qū)動(dòng)齒輪及豎軸的重要部件，研究其速度變化也就能看出整個(gè)塔架擺桿系統(tǒng)的速度特性。圖7為仿真與試驗(yàn)得到的齒條速度曲線對(duì)比圖。

圖7 仿真與試驗(yàn)得到的齒條速度曲線對(duì)比

圖中實(shí)線為試驗(yàn)測(cè)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(yàn)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(dòng)，這與液壓力的變化趨勢(shì)相吻合，說(shuō)明機(jī)械擺桿系統(tǒng)的慣性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的速度影響比較小。

3 結(jié)論

(1)在Pro/E中建立實(shí)體模型并導(dǎo)入ADAMS中，在Easy5中建立液壓系統(tǒng)模型，利用各個(gè)軟件的接口實(shí)現(xiàn)機(jī)－液耦合動(dòng)力學(xué)仿真，這種建模方法對(duì)于類似的仿真分析具有參考意義。

(2)在閥門啟閉時(shí)所造成的油液沖擊及由傳動(dòng)系統(tǒng)中的間隙所造成的機(jī)械與液壓系統(tǒng)的耦合作用對(duì)液壓系統(tǒng)中的液壓力、機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性影響較大?？梢钥紤]用延長(zhǎng)閥門啟閉時(shí)間、消除傳動(dòng)系統(tǒng)間隙的方法來(lái)消除塔架擺桿系統(tǒng)輸出的力與速度波動(dòng)。

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【7】黎文濟(jì)．航空液壓油應(yīng)用［M］．北京:中國(guó)石化出版社，1995:68．

【8】雷天覺(jué)．液壓工程手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990．

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