姚琳，馬大為，何強，王澤林

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094)

0 前言

探究不同支撐發(fā)射方式對現(xiàn)代武器的研究具有重要的意義。文中采用聯(lián)合仿真的方法研究了某油氣懸架發(fā)射車在全輪支撐狀態(tài)下導(dǎo)彈起豎時的整車動力學(xué)特性。由于導(dǎo)彈起豎時需要較大的油缸行程，采用了在缸體初始長度相同的條件下具有更大行程的多級液壓缸［1］。多級液壓缸在換級過程中由于缸體碰撞會產(chǎn)生較大的換級沖擊，引起系統(tǒng)的振動［2］。此外，隨著起豎過程的進行，整車重心逐漸后移，后軸懸架壓縮量變大，前軸懸架壓縮量減小，車體產(chǎn)生了俯仰姿態(tài)角，俯仰姿態(tài)角過大會嚴重威脅發(fā)射安全性。文中建立了ADAMS發(fā)射車的虛擬樣機模型，AMESim油氣懸架系統(tǒng)模型和四級起豎液壓缸模型，在Simulink中設(shè)計了起豎模型的控制策略，并以Simulink為平臺，通過各軟件的聯(lián)合仿真接口實現(xiàn)了對某油氣懸架發(fā)射車在全輪支撐狀態(tài)下導(dǎo)彈起豎時的整車動力學(xué)特性的聯(lián)合仿真研究。

1 全輪支撐導(dǎo)彈發(fā)射車起豎仿真模型的建立

1.1 全輪支撐導(dǎo)彈發(fā)射車起豎結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型

公路機動式導(dǎo)彈由行軍狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼?zhàn)斗狀態(tài)，即導(dǎo)彈由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直狀態(tài)的過程是依賴發(fā)射車完成的。全輪支撐狀態(tài)下的導(dǎo)彈起豎系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 全輪支撐狀態(tài)下導(dǎo)彈起豎系統(tǒng)簡圖

根據(jù)導(dǎo)彈起豎系統(tǒng)圖，在ADAMS中建立了虛擬樣機動力學(xué)模型。模型中，四級油缸的依次伸出是通過速度驅(qū)動來實現(xiàn)的，油氣懸架通過相互作用力實現(xiàn)的，速度驅(qū)動和相互作用力的值通過定義狀態(tài)變量從AMESim中獲得;輪胎的彈性力和阻尼力以Spline函數(shù)的形式定義。

1.2 四級起豎系統(tǒng)建模

研究的發(fā)射車采用四級液壓起豎系統(tǒng)，四級液壓缸的伸縮順序為:伸出時，直徑最大的第一級首先伸出，直徑最小的第四級最后伸出;回縮時，直徑最小的第四級首先回縮，直徑最大的第一級最后縮回。多級液壓缸結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 多級起豎油缸結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)各級液壓缸的活塞直徑分別為 D1、D2、D3、D4，活塞桿直徑分別為d1、d2、d3、d4，正反腔壓力分別為p1、p2，f為第一級與第二級的接觸力，F(xiàn)為載荷。現(xiàn)對一、二兩級進行受力分析。由受力平衡關(guān)系，可得:

活塞的伸縮順序是由各活塞的面積關(guān)系決定的，且二級液壓缸絕對依次伸縮的條件為［4］:

可以得出多級液壓缸絕對依次伸出的條件為:

四級液壓缸模型參數(shù)如表1所示。能夠驗證，四級液壓缸模型參數(shù)滿足多級液壓缸絕對依次伸出的條件。

表1 四級液壓缸模型參數(shù) mm

根據(jù)多級起豎油缸的結(jié)構(gòu)示意圖，采用單級缸級聯(lián)的方法，在AMESim中搭建了如圖所示的四級液壓缸仿真模型，如圖3所示。這種模型可以對每一級油缸的運動特性進行仿真，模型中采用的線性彈簧和阻尼子模塊用來模擬油缸的換級碰撞;模型中采用的動態(tài)容積模塊用來模擬液壓缸的動態(tài)容積效應(yīng)。模型中溢流閥壓力為15 MPa，液壓泵流量為120 L/min。

圖3 四級液壓缸仿真模型

1.3 油氣懸架系統(tǒng)仿真模型建立

目前車輛上常采用的油氣懸架系統(tǒng)有獨立式和連通式兩種。獨立式油氣懸架前后兩缸互不連通，可獨立實現(xiàn)車身高度的自由調(diào)整;連通式油氣懸架通過油管使各油室相連通，利用油液傳遞壓力，不僅具有獨立式的優(yōu)點，而且當(dāng)車身前后載荷差距較大時，可以較好地分配各軸載荷，使整車保持平衡狀態(tài)［5-6］。

圖4 2軸連通式油氣懸架物理模型

忽略系統(tǒng)的摩擦力，則活塞桿組件的輸出力Ff和Fr可以表示為:

式中:A1為A腔、壓力;pC為C腔中的瞬時壓力;pE為E腔瞬時壓力;pG為G腔瞬時壓力;D為懸架缸C腔 (G腔)內(nèi)徑;d為活塞桿直徑。

油液運動過程中會產(chǎn)生沿程壓力損失和局部壓力損失，則C腔室壓力和蓄能器6之間損失壓力關(guān)系為:

式中:ρ為油液密度;lh1為前懸架缸C腔到蓄能器6油管沿程阻力系數(shù)。

根據(jù)短孔節(jié)流理論流量和壓力關(guān)系，則B腔和A腔之間的壓力關(guān)系可以表示為:

式中:Cd1為阻尼孔的流量系數(shù);A01為阻尼孔截面積;Cd2為單向閥的流量系數(shù);A02為單向閥的有效過流面積。

根據(jù)物理模型，在AMESim中搭建了連通式油氣懸架系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。獨立式懸架系統(tǒng)只需在連通式的基礎(chǔ)上刪除前后的連通油管即可。油氣懸架參數(shù)見表2。

圖5 連通式油氣懸架系統(tǒng)

表2 油氣懸架參數(shù)

1.4 起豎系統(tǒng)控制策略

多級液壓缸在啟動、換級、停止的過程中都會產(chǎn)生較大的沖擊，引起系統(tǒng)的振動，對發(fā)射安全性造成威脅。因此，在系統(tǒng)啟動、換級、停止的過程中應(yīng)對進入多級液壓缸的流量進行調(diào)節(jié)，以盡量減小沖擊。在Simulink中搭建了如圖6所示的流量控制策略，通過調(diào)節(jié)電磁閥的輸入電流來調(diào)節(jié)電磁閥的開度，進而調(diào)節(jié)流量。為了首先計算靜平衡狀態(tài)，在控制策略中加入了延時模塊。

圖6 電磁閥輸入電流

2 聯(lián)合仿真模型的建立

在專用液壓仿真平臺AMESim中建立了導(dǎo)彈發(fā)射車的四級液壓起豎系統(tǒng)模型和油氣懸架系統(tǒng)模型，并通過聯(lián)合仿真接口以S函數(shù)形式嵌入到Simulink中。在虛擬樣機模型中將前、后軸的油缸位移，油氣懸架油缸輸出力，四級起豎缸的速度驅(qū)動，導(dǎo)彈起豎角定義為狀態(tài)變量，通過聯(lián)合仿真接口以子模塊形式添加到Simulink中，在Simulink中建立了流量控制策略，并以Simulink為平臺實現(xiàn)了聯(lián)合仿真研究，如圖7所示。

圖7 聯(lián)合仿真平臺

3 仿真結(jié)果分析

設(shè)定仿真時間為120 s，數(shù)據(jù)交換間隔為0.01 s。三位四通電磁閥的通電電流如圖8所示?？梢钥闯?，在起豎的起始階段，流入液壓缸的流量逐漸變大;在液壓缸換級時，三位四通閥的通電電流先減小后增大，所以進入起豎系統(tǒng)的流量在換級前先降低，換級后再增大;起豎接近完成時，流量逐漸減小為0。這樣可以有效地降低換級沖擊。

圖8 電磁閥的通電電流

圖9 所示為四級液壓缸的伸出過程。從圖中可以看出，各級液壓缸的伸出次序為直徑最大的第一級缸首先伸出，直徑最小的第四級液壓缸最后伸出，其伸出順序符合實際情況。說明在AMESim中建立的多級起豎模型是正確的。

圖9 四級起豎液壓缸行程

圖10 所示為導(dǎo)彈起豎時，液壓缸在起豎臂前支點處施加的垂直于起豎臂的法向力。從圖中可以看出，隨著起豎過程的進行，液壓缸在起豎臂前支點處施加的垂直于起豎臂的法向力總體上是減小的，而且，大約在100 s的時候，法向力由正值變?yōu)樨撝?。說明在此時油缸對起豎臂的作用力由推力變?yōu)榱死?。從圖10中還可以看出，在啟動、換級和停止時，法向力有較大變化，進而會引起發(fā)射系統(tǒng)的振動。

圖10 液壓缸施加的垂直于起豎臂的法向力

圖11 、12所示為導(dǎo)彈起豎時，獨立式與連通式油氣懸架的位移變化曲線。

圖11 獨立式油氣懸架的位移變化曲線

圖12 連通式油氣懸架的位移變化曲線

從圖11、12中可以看出，在仿真的前4 s內(nèi)，整車由于重力作用而下降，前、后軸油氣懸架都被壓縮，但由于導(dǎo)彈在水平狀態(tài)時，整車的中心較為靠前，導(dǎo)致前軸的壓縮量要比后軸的大一些;隨著起豎過程的進行，整車重心逐漸后移，前軸的懸架位移逐漸降低，而后軸的懸架位移逐漸增大。從圖11中可以明顯的看出在起豎前，獨立式油氣懸架的前軸油缸位移明顯要大于后軸油缸位移，導(dǎo)彈起豎完成后，后軸的油缸位移明顯大于前軸油缸位移。在這種情況下，車體會出現(xiàn)較大的俯仰姿態(tài)角，這會嚴重影響發(fā)射安全性，設(shè)置導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)失敗。從圖12中可以看出，起豎前后前、后兩軸的懸架位移差距不大，車體俯仰姿態(tài)角很小，車體基本保持水平狀態(tài)。這是因為連通式油氣懸架通過油管使各油室相連通，利用油液傳遞壓力，可以較好地分配各軸載荷。

5 結(jié)論

采用聯(lián)合仿真的方法研究了某油氣懸架發(fā)射車在全輪支撐狀態(tài)下導(dǎo)彈起豎時的整車動力學(xué)特性。利用ADAMS建立了全輪支撐狀態(tài)下油氣懸架導(dǎo)彈發(fā)射車的導(dǎo)彈起豎虛擬樣機模型，在AMESim中分別搭建了四級液壓起豎系統(tǒng)模型和獨立式、連通式油氣懸架系統(tǒng)模型，Simulink中搭建了用于減輕起豎時沖擊的電磁閥開度控制策略，通過聯(lián)合仿真接口實現(xiàn)了ADAMS/Simulink/AMESim的聯(lián)合仿真分析，探究了全輪支撐狀態(tài)下油氣懸架導(dǎo)彈發(fā)射車導(dǎo)彈起豎時的整車動力學(xué)響應(yīng)，得到如下結(jié)論:

(1)起豎系統(tǒng)在啟動、換級、停止時起豎系統(tǒng)施加給起豎臂的法向力存在較大的波動，即會使發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生較大的振動。

(2)起豎系統(tǒng)施加給起豎臂的法向力在導(dǎo)彈起豎到一定角度時由正值變?yōu)樨撝?，說明此時起豎油缸的作用力由推力變?yōu)榱死Α?/p>

(3)隨著導(dǎo)彈起豎角的變大，整車重心逐步向后移動，后軸懸架的油缸位移逐漸增大，而前軸懸架的油缸位移逐漸減小。但連通式油氣懸架系統(tǒng)能夠更好的調(diào)節(jié)各軸的載荷，使得前后兩軸的油缸位移相差較小，整車基本處于水平狀態(tài)。

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