賈召敏，曹 兵，張云波，李文博

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094）

油氣懸架越野火箭炮的發(fā)射振動性能

賈召敏，曹 兵，張云波，李文博

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094）

針對某型火箭炮在發(fā)射過程中的沖擊對越野車垂直和俯仰的振動影響，基于數(shù)學(xué)模型和AMESim軟件分別搭建了前后兩車橋連通式油氣懸架和獨(dú)立式油氣懸架的仿真模型，研究了在發(fā)射過程中沖擊作用下對越野車的振動性能影響，并與獨(dú)立式油氣懸架的越野火箭炮的振動性能進(jìn)行對比，分析了這兩種油氣懸架剛度特性，研究表明:連通式油氣懸架能夠有效降低車身垂向振動加速度和俯仰角加速度，平衡車橋載荷，快速保持發(fā)射后越野車的穩(wěn)定，減小對越野車的破壞性。

連通式油氣懸架，獨(dú)立式油氣懸架，火箭炮，AMESim

0 引言

油氣懸架將液壓傳動控制和懸吊系統(tǒng)兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合，是發(fā)展現(xiàn)代特種車輛及大型車輛的關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍用車輛、工程機(jī)械、乘用車、油氣懸掛系統(tǒng)具有剛度漸變和非線性鉛垂線剛度特性，在崎嶇路面時，懸掛動行程加大，懸掛剛度增大，可增加懸掛的抗沖擊能力，降低懸掛被擊穿的概率，提高車輛的越野行駛車速，同時，通過油路的溝通，油氣懸掛可以提高車身的側(cè)傾角剛度，在良好的路面狀況時，懸掛動行程較小，懸掛剛度較小，可以減小上傳車身的垂直力，降低車身的垂直加速度，提高車輛的行駛平順性。

王欣［1］建立的同軸連通式油氣懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，基于Simulink分析了油氣彈簧參數(shù)對側(cè)傾角剛度和鉛垂線剛度的影響，林國問［2］基于5自由度1/4導(dǎo)彈發(fā)射車模型和AMESim軟件，對比分析了采用兩種懸架時在不同激勵下導(dǎo)彈發(fā)射車的垂向振動特性，莊德軍［3］建立了油氣彈簧非線性數(shù)學(xué)模型,對不同幅值和激振頻率下的油氣彈簧進(jìn)行仿真分析，縱觀已發(fā)表的文獻(xiàn)，對油氣懸架的研究主要集中在車輛平順性以及油氣懸架數(shù)學(xué)模型建立與仿真分析等方面。

連通式油氣懸架系統(tǒng)有別于獨(dú)立式油氣懸架系統(tǒng)，它是利用油管將兩車橋上的油氣懸架系統(tǒng)的油室或者氣室相連，可以使越野車各車橋在不平路面或者發(fā)射時使兩軸載荷分配上保持均衡，使兩車橋輪胎產(chǎn)生較大的位移，接地性能良好。

本文研究的某高機(jī)動越野火箭炮前后兩個車橋，其上的油氣懸架系統(tǒng)共兩組，同側(cè)兩車橋上的油氣懸架連通為一組，即左前與左后、右前與右后兩個組，鑒于整個系統(tǒng)建模復(fù)雜，本文利用專業(yè)的液壓軟件AMESim搭建了其中一組2橋連通式油氣懸架系統(tǒng)，并基于此基礎(chǔ)上構(gòu)建了1/2車動力學(xué)仿真模型，為了加以比較，文中還構(gòu)建了一組2橋獨(dú)立式油氣懸架系統(tǒng)。通過給車體施加不同的激勵，分別研究了兩種類型的越野火箭炮的垂向振動、俯仰振動。

1 越野火箭炮物理模型與數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

本文研究對象是某高機(jī)動越野多管火箭炮，主要由柔性車梁，連通式油氣懸架，回轉(zhuǎn)臺，底座，儲運(yùn)發(fā)射箱，定向器，多管火箭彈等組成，該多管火箭炮的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某高機(jī)動越野火箭炮的結(jié)構(gòu)示意圖

油氣懸架主要由蓄能器和液壓缸組成。氣室中有油氣隔膜，將氣室分開，一側(cè)設(shè)有充氣閥，充入高壓工業(yè)氮?dú)?；另一?cè)與液壓缸的內(nèi)腔相通，充滿減振液。液壓缸主要由阻尼閥、活塞及缸筒等組成，兩端分別與車橋和車架相連接，當(dāng)載荷增加時，液壓缸活塞上移，使內(nèi)腔容積減小，迫使減振液進(jìn)人氣室一側(cè)，推動油氣隔膜向另一側(cè)移動，壓縮其中的氣體，使壓力升高。此壓力的反作用力又通過減振液傳給活塞，使之與懸架承受的載荷相平衡，越野車運(yùn)行中，當(dāng)車架與車橋產(chǎn)生相對運(yùn)動時，活塞在液壓缸筒內(nèi)上下滑動，推動減振液在液壓缸與氣室之間經(jīng)過阻尼閥流動使振動迅速衰減，從而起減振器的作用，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單氣室油氣彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)油氣懸架的工作原理可知，在外界激勵作用下，油氣懸架的輸出作用力主要由氣體彈性力Fs、油液阻尼力FR和摩擦力Ff3部分組成，在工程應(yīng)用上，由于摩擦力Ff占比重小，可忽略運(yùn)動時產(chǎn)生的摩擦力Ff，則輸出作用力：,朱孫科［4］得到的油氣懸架的氣體彈性力Fs、油液阻尼力FR分別為：

式中：為蓄能器平衡位置時氣體壓強(qiáng)；為蓄能器平衡位置時氣體體積；為液腔I腔的截面面積；為液腔II腔的截面面積。

式中：sign為符號函數(shù)，定義油氣懸架伸張行程為正方向，當(dāng)油氣懸架處于壓縮行程時，速度x＜0,sin（x）=-1，當(dāng)油氣懸架處于伸張行程時，速度 x＞0，sin（x）=1；ρ為油液密度；A液II為液腔II腔的截面面積；Cd1為阻尼孔的流量系數(shù)；A01為阻尼孔的截面積；Cd2為單向閥的流量系數(shù)；A02為單向閥的有效過流面積；除阻尼力FR和相對速度外，式中其他參數(shù)均為定值。

根據(jù)簡化的平面模型，推導(dǎo)出1/2越野車振動微分方程為：

上式中m為1/2越野車懸掛質(zhì)量；J為1/2越野車轉(zhuǎn)動慣量；lj（j=1，2）分別為兩個車橋到質(zhì)心的距離；mj（j=1，2）分別為兩個簧下質(zhì)量；kj（j=1，2）為兩個輪胎的等效非線性彈性系數(shù)；Cj（j=1，2）為兩個輪胎的等效非線性阻尼系數(shù)；X為懸掛質(zhì)量位移；Xj（j=1，2）為簧下質(zhì)量垂向位移；Cii（i=1，2）為油氣懸架剛度系數(shù)；q為油氣懸架阻尼系數(shù)；θ為路面輸入；為車身俯仰角［5］。

圖3 1/2連通式油氣懸架模型

圖4 1/2獨(dú)立式油氣懸架模型

2 仿真模型建立

當(dāng)懸架結(jié)構(gòu)和外界負(fù)載確定時，油氣彈簧剛度取決于每個氣室氣柱高度之和，相比獨(dú)立式油氣懸架系統(tǒng)，連通式油氣懸架系統(tǒng)其兩車橋上的油室是相連通，隨著車體的振動，在一定時間內(nèi)油缸中的油液壓力是基本相等的，但由于液壓管路較長，壓力的相位會有一定的滯后時間，此時，每個油氣彈簧的剛度均相等且取決于總的氣柱高度，如果總的氣柱高度不發(fā)生變，單個油氣彈簧的剛度也不發(fā)生變;當(dāng)氣柱高度發(fā)生變化時，每個油氣彈簧的剛度會相應(yīng)的變化但相等，連通式油氣懸架系統(tǒng)表現(xiàn)為串聯(lián)的性質(zhì)，由于仿真時間較短，可以認(rèn)為系統(tǒng)是在靜止?fàn)顟B(tài)下受到到階躍信號的激勵，同時，文中研究的是兩個車橋上的油氣彈簧相互連通，因此，系統(tǒng)的整體剛度相較于獨(dú)立式有所下降，對改善系統(tǒng)的垂向振動和俯仰振動性能有明顯的作用［6］。

在多管火箭炮發(fā)射過程中，其后坐力會對車身產(chǎn)生突加載荷，文中研究了突加載荷的激勵下越野車的垂向振動和俯仰振動響應(yīng)，在0 s~0.5 s時，車身保持穩(wěn)定，在0.5 s時施加幅值為2X103N的階躍載荷來模擬突加載荷，以模擬多管火箭炮發(fā)射式時瞬時產(chǎn)生的后坐力,考慮到路面不平和輪胎的彈性變形，用正弦信號來模擬其對連通式油氣懸架的影響，幅值為50mm，頻率為2Hz,其中前橋的輸入激勵比后橋相位上超前180°，仿真時間為5 s，步長為0.001s,重要的仿真模型參數(shù)如表1所示［7］，其中蓄能器的初始充氣壓力需要特別注意，在仿真的時候要調(diào)整到使車身保持平衡狀態(tài)，阻尼孔直徑的大小直接關(guān)系到系統(tǒng)對階躍相應(yīng)的衰減速度。

表1 仿真模型參數(shù)

由于兩軸連通式油氣懸架系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，利用解析方法求解很難解決，目前處理這方面的方法基本上都是采用定性分析或者計算機(jī)仿真，文中通過液壓軟件AMESim搭建了包含兩軸連通式油氣懸架系統(tǒng)的多管火箭炮越野車連通式油氣懸架的仿真模型，為了對比分析，同時也搭建了多管火箭炮越野車獨(dú)立式油氣懸架仿真模型［8］，文中搭建仿真模型的同時，考慮了油管長度對壓力損失的影響，橡膠管彈性模量和管路長度在表1中詳細(xì)的列出，以盡可能建立符合實(shí)際工況下的油氣懸架系統(tǒng)，搭建的連通式油氣懸架仿真模型如圖5所示，獨(dú)立式油氣懸架仿真模型如圖6所示。

圖5 連通式油氣懸架仿真模型

圖6 獨(dú)立式油氣懸架仿真模型

通過對兩種模型的仿真分析，可以分別得到連通式油氣懸架與獨(dú)立式油氣懸架情況下車身的垂向位移變化曲線和加速度變化曲線，如圖7、圖8所示；車身的俯仰角度變化曲線和角加速度變化曲線，如圖9、圖10所示。

圖7 車身垂向位移變化曲線

圖8 車身垂向加速度變化曲線

圖9 車身俯仰角度變化曲線

圖10 車身俯仰角加速度變化曲線

3 結(jié)論

文中分別建立了兩橋連通式油氣懸架系統(tǒng)和兩橋獨(dú)立式油氣懸架系統(tǒng)的越野車仿真模型，在發(fā)射沖擊的作用下，研究了連通式油氣懸架系統(tǒng)對車輛的垂向和俯仰的振動性能影響，并與獨(dú)立式油氣懸架系統(tǒng)對車輛的振動性能影響進(jìn)行了比較，主要得出以下結(jié)論。

通過對比車身的垂向位移曲線和俯仰角度曲線，可以明顯看到連通式油氣懸架相比獨(dú)立式油氣懸架更能有效減少車身振動，快速使車身保持穩(wěn)定，平衡車橋載荷，這對火箭炮多管連續(xù)發(fā)射有重要的意義，可以有效提高火箭炮的射擊密集度。

連通式油氣懸架系統(tǒng)相比獨(dú)立式，其垂向加速度和俯仰角加速度幅值較小，可以有效減小對車輛的破壞，提高車輛的使用壽命。

連通式油氣懸架系統(tǒng)的剛度特性和獨(dú)立式油氣懸架系統(tǒng)的剛度特性是不同的，且前者的剛度小于后者的剛度。

通過仿真分析和理論公式的對比，本文通過AMESim軟件搭建系統(tǒng)模型并進(jìn)行系統(tǒng)性能研究，表明其對復(fù)雜液壓系統(tǒng)研究是一種行之有效的方法。

［1］王欣，方新，高順德.連通式油氣懸掛系統(tǒng)剛度特性分析［J］.機(jī)床與液壓，2012，40（9）：55-57.

［2］林國問，馬大為，朱忠領(lǐng).基于多軸連通式油氣懸架的導(dǎo)彈發(fā)射車振動性能研究［J］.振動與沖擊，2013，32（12）：144-148.

［3］莊德軍，柳江，喻凡，等.汽車油氣彈簧非線性數(shù)學(xué)模型及特性［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2005，39（9）：1441-1444.

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Vibration of a Rocket Artillery w ith Hyd-ropneumatic Vehicle Suspension

JIA Zhao-min，CAOBing，ZHANGYun-bo，LIWen-bo
（School ofMechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Considering influence of impact of rocket artillery during the launch to the off-road vehicle vertical and pitching vibration’s vibration characteristic，the simulation models of an interconnected HPSof two bridge from front and back and an independent HPSwere built based on the mathematic model and AMESim software，studied the impact and vibration effects on the off-road vehicle in the emission process，and compared with that with an independent HPS，analyzed the stiffness characteristics of the two type of hydro pneumatic suspension，research shows that:the interconnected hydro-pneumatic suspension can effectively reduce the vertical vibration acceleration and pitch angular acceleration，balance different axle load，keep stable for off-road vehicle quickly after emission，reduce the destruction on the off-road vehicle.

interconnected hydro-pneumatic suspension，independenthydro-pneumatic suspension，rocketartillery，AMESim

TJ713

A

1002-0640（2015）11-0163-04

2014-09-05

2014-11-12

賈召敏（1986- ），男，陜西寶雞人，碩士研究生。研究方向：機(jī)電一體化。