【裝備理論與裝備技術(shù)】

氣液壓彈射動力學(xué)影響參數(shù)分析

張永亮a，范文欣a，田野b

(中北大學(xué)a.機械與自動化學(xué)院；b.機電學(xué)院, 太原035100)

摘要：為了研究氣液壓彈射系統(tǒng)動力學(xué)參數(shù)的影響，通過建立含有蓄能器、液壓缸、滑輪組和渦輪阻力器的動力學(xué)控制方程，并利用MATlab編寫了計算程序；在此基礎(chǔ)上，忽略管道接口和氣液壓閥的流動細(xì)節(jié)問題，對影響彈射系統(tǒng)效率的因素進(jìn)行仿真分析并對各參數(shù)進(jìn)行分析；結(jié)果表明：蓄能器充油壓力、蓄能器容積和液壓系統(tǒng)的阻尼特性是影響發(fā)射距離和發(fā)射起飛速度的關(guān)鍵參數(shù)，因此在一定范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)氣液壓能源系統(tǒng)參數(shù)和改善系統(tǒng)的性能，有助于提高彈射速度、加速度和效率，同時為工程研制提供了重要的理論參考。

關(guān)鍵詞：氣液壓；動力學(xué)；彈射；仿真計算

收稿日期：2014-09-15

作者簡介：張永亮(1989—)，男，碩士，主要從事振動與噪聲控制研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.016

中圖分類號：TJ-9

文章編號：1006-0707(2015)01-0056-04

本文引用格式：張永亮，范文欣，田野.氣液壓彈射動力學(xué)影響參數(shù)分析[J].四川兵工學(xué)報，2015(1):56-59.

Citationformat:ZHANGYong-liang,FANWen-xin,TIANYe.StudyonDynamicEjectionForceofNumericalParametersofPneumaticandHydraulicLaunching[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):56-59.

StudyonDynamicEjectionForceofNumericalParametersof

PneumaticandHydraulicLaunching

ZHANGYong-lianga, FAN Wen-xina, TIAN Yeb

(a.SchoolofMechanicalandPowerEngineering;b.SchoolofMechantronicsEngineering,

NorthUniversityofChina,Taiyuan035100,China)

Abstract:In order to study the effects of gas dynamic hydraulic catapult system parameters, the flow details pipe interface and a hydraulic valve were ignored, and the simulation analysis of the factors affecting the ejection system efficiency and the various parameters were analyzed on the basis of the establishment of energy storage device containing dynamics, hydraulic cylinder, a pulley block and a turbine damper control equation, and written computer program by using the MATlab. The results show that the damping characteristics of oil filled pressure accumulator, the accumulator volume and the hydraulic system are the key parameters affecting the launch distance and the launching speed, so the performance of solar term by adjusting hydraulic energy system parameters and improving the system in a certain range are benefit in improving the ejection velocity, acceleration and efficiency, which can provide an important reference for engineering development.

Keywords:pneumaticandhydraulic;dynamicmodels;ejection;simulation

氣液壓彈射作為一種基于新型能量轉(zhuǎn)換方式的彈射技術(shù)，具有彈射質(zhì)量范圍廣、過載均勻、操作簡單、可重復(fù)使用、無聲/光/熱效應(yīng)等優(yōu)點，在模擬訓(xùn)練靶標(biāo)發(fā)射、無人機/艦載機彈射、火箭導(dǎo)彈軟發(fā)射以及火箭導(dǎo)彈發(fā)射過程動態(tài)模擬等方面具有寬廣的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外學(xué)者已對該項技術(shù)進(jìn)行了大量研究，其中國外以美國和德國發(fā)展較為成熟[1,2]，國內(nèi)以李悅等[3-5]以無人機彈射為背景研究為主，并獲得了一定的成果。

本文基于氣液壓系統(tǒng)原理和發(fā)射相關(guān)理論，建立了發(fā)射物的運動及動力學(xué)模型，并利用Matlab編寫了仿真計算程序。通過將計算模型與文獻(xiàn)試驗結(jié)果對比來驗證模型的可靠性，并對影響發(fā)射效率的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，為氣液壓發(fā)射裝置的工程研制提供理論依據(jù)。

1氣液壓彈射模型

氣液壓彈射器主要由氣體蓄能器、液壓回路與控制系統(tǒng)、高速液壓缸/高速氣壓缸(用于小質(zhì)量對象彈射)、高效滑輪組、移動式臺架、滑行小車以及水渦輪等部件構(gòu)成，設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

1.1蓄能器

蓄能器形式多種，按結(jié)構(gòu)可分為氣液直接接觸式、活塞式、隔膜式、氣囊式。通常蓄能器在加液前，要預(yù)先用充氮機充入一定量的氮氣，之后加液來達(dá)到額定工作壓力儲存能量，其下端通過液壓管與液壓缸相連接，達(dá)到高壓放油的目的。由于放油過程是非常短暫的，可以當(dāng)絕熱過程處理；蓄能器的充油過程較長，可認(rèn)為是等溫過程。假設(shè)蓄能器氣囊內(nèi)的氣體為理想氣體，根據(jù)波義爾定律有：

1.2液壓缸驅(qū)動系統(tǒng)

液壓缸驅(qū)動系統(tǒng)為將蓄能器中氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為活塞桿動能的裝置，見圖2。整個系統(tǒng)進(jìn)行了簡化，假設(shè)復(fù)雜的接口簡化為節(jié)流器，液壓油不可壓縮且流動為層流，同時不考慮泄露問題并忽略大氣壓強的影響。

圖2　液壓驅(qū)動系統(tǒng)模型

由蓄能器與液壓缸之間的氣體傳遞連續(xù)性得：

Q*=QΓT

p1為蓄能器油壓，p2為液壓管路油壓，p3為液壓缸油壓；A0為蓄能器出油口的截面積，A1為液壓管道的截面積，A2為液壓缸有桿腔活塞有效面積；ma和ca為蓄能器內(nèi)油液的質(zhì)量和黏性阻尼系數(shù)，m0和c0為蓄能器出油口中油液質(zhì)量，m1和c1為液壓管道中油液質(zhì)量和黏性阻尼系數(shù)，ms和cs為液壓缸活塞及活塞桿質(zhì)量和黏性阻尼系數(shù)；x0為蓄能器出油口中油液的位移，x1為液壓管道中油液的位移，x為液壓缸活塞的位移；Fz為液壓缸活塞及活塞桿上的負(fù)載力；m*和c*為等效質(zhì)量和等效阻尼系數(shù)，Q*為數(shù)字矩陣，Γ為等效矩陣。

1.3增速滑輪組

由于液壓缸/氣缸的速度難以達(dá)到技術(shù)指標(biāo)的要求，必須通過一定增速倍率的轉(zhuǎn)換機構(gòu)來實現(xiàn)。通過利用動滑輪省力、作用距離增倍的原理和定滑輪改變受力方向的特性，可以實現(xiàn)滑輪組的增速目的。忽略鋼絲繩的質(zhì)量、變形、僵性阻力以及繩輪間的相對滑動，依據(jù)參考文獻(xiàn)[3]得動滑輪組的動力學(xué)方程為

其中：F 為鋼絲繩牽引力；x為動滑輪組、液壓缸活塞桿的運動位移；F1為滑輪組內(nèi)第i根鋼絲繩受力；mh為動滑輪組的質(zhì)量；n為滑輪組的倍率；uh為動滑輪組的運動摩擦因數(shù)；g為重力加速度。

1.4渦輪阻尼器

渦輪阻尼器主要由定子、轉(zhuǎn)子、工作介質(zhì)組成，轉(zhuǎn)子和流體工作介質(zhì)的相對運動產(chǎn)生阻尼力。假設(shè)介質(zhì)靜止來建立數(shù)學(xué)模型,忽略轉(zhuǎn)子葉片與定子葉片之間間隙的影響，計算水渦輪轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)子和定子的表面作用力和所產(chǎn)生的阻尼力矩

m0為滑車的質(zhì)量，r為纏繞在阻尼器轉(zhuǎn)盤上的剎車帶的有效半徑，xw為滑車與渦輪阻尼器作用后的位移，λ為仿真系數(shù)，可通過實驗或者仿真分析得出。

2彈射動力學(xué)模型

在準(zhǔn)備發(fā)射時，預(yù)先將高壓氮氣通過充氣裝置充入蓄能器氣囊腔，并將彈射物裝在被鎖住的滑車上，打開閘閥和截止閥，關(guān)閉減壓閥，液壓泵在單向液壓閥控制下向蓄能器液壓油容腔內(nèi)充入高壓液壓油，當(dāng)充油壓力達(dá)到預(yù)定值，關(guān)閉液壓泵，此時蓄能器液壓油容腔、液壓缸有桿腔以及管道內(nèi)均充滿高壓液壓油，鋼絲繩處于緊繃狀態(tài)，蓄能器氣囊腔內(nèi)高壓氣體被壓縮，使能量儲存于蓄能器中。打開彈射按鈕，滑車被釋放即執(zhí)行發(fā)射動作，蓄能器氣囊腔內(nèi)的高壓氣體急劇膨脹，迫使蓄能器油腔內(nèi)的高壓油迅速排出，驅(qū)動液壓缸活塞桿和動滑輪組，彈射物與滑車則在鋼絲繩牽引力的作用下沿導(dǎo)軌加速至彈離速度；受行程開關(guān)控制，截止閥關(guān)閉，減壓閥打開，實現(xiàn)迅速卸荷，以消除液壓動力。隨后滑車受渦輪阻力器的作用而制動停止。

對彈射物和滑車而言，整個發(fā)射過程受力如圖3所示。

圖3　彈射模型

滑車的動力學(xué)模型為

-mg(sinθ+ufcosθ)+P(cosφ+ufsinφ)

其中：m為彈射物及滑車的質(zhì)量；cx為空氣阻力系數(shù)；cy為升力系數(shù)；s為無人機的空氣動力參考面積；ρk為空氣密度；θ為導(dǎo)軌安裝角；φ為彈射物自身推力與其自身縱軸線的夾角；uf為滑車的運動摩擦因數(shù)；g為重力加速度；P為彈射物自身推力。

3發(fā)射過程數(shù)值分析

3.1模型驗證

為驗證氣液壓彈射系統(tǒng)模型建立的合理性，采用文獻(xiàn)[4]中的試驗結(jié)果進(jìn)行驗證。試驗所采用的條件見表1。

表1　試驗工況條件

對比了蓄能器工作0.6s內(nèi)的壓力變化曲線，見圖4。從圖中可得，理論仿真計算與試驗結(jié)果誤差在允許的范圍內(nèi)，驗證了氣液壓彈射系統(tǒng)簡化模型的合理性。

圖4　實驗數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果對比

3.2影響參數(shù)分析

為了研究不同參數(shù)對彈射系統(tǒng)發(fā)射性能的影響，采用單一變量的方法對各個影響因素在一定范圍內(nèi)變化的幾種典型工況進(jìn)行了分析。本文主要針對液壓缸系統(tǒng)的阻尼系數(shù)、蓄能器的壓力和蓄能器的容積變化對發(fā)射距離、速度、蓄能器壓力變化和彈射力的影響。為了具有一定的參考標(biāo)準(zhǔn)，僅對彈射系統(tǒng)0.7s內(nèi)的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。定義參考工況的設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2　參考工況計算條件

3.2.1液壓系統(tǒng)阻尼系數(shù)對彈射的影響

圖5為不同阻尼系數(shù)下的彈射參數(shù)的變化曲線，可得隨著液壓系統(tǒng)阻尼系數(shù)的增大，在0.7s的工作范圍內(nèi)，彈射物的彈射位移隨之減小，相應(yīng)的彈射速度降低。同時，蓄能器的壓強降低變緩，彈射力下降加快。阻尼系數(shù)C*從0 kN·m/s增加到6 kN·m/s的過程中，速度從5.4 m/s增加到11 m/s，幅值大致增加了2倍；蓄能器的終點壓強從11.7 MPa下降到9.6 MPa,降幅約為17.9%；液壓系統(tǒng)的彈射力在阻尼系數(shù)為0kN·m/s工況下很快將為0kN,這種情況在工程中僅作為一種理想狀態(tài)。對于阻尼系數(shù)為6kN·m/s的工況，從開始工作到0.7s時，彈射力彈射力下降了42.8%。因此，為了保證彈射物在蓄能器壓力一定且容積不大的情況下達(dá)到預(yù)定的速度，須降低液壓系統(tǒng)的黏性系數(shù)。

圖5　不同阻尼系數(shù)下的彈射參數(shù)

3.2.2蓄能器額定壓力對彈射的影響

圖6為不同額定充氣壓力下彈射參數(shù)的變化曲線，可得隨著充氣壓力的增大，彈射物的彈射位移和速度均隨之增大，充氣壓力從16MPa到22MPa，彈射位移增加了22%，彈射速度增加了10%左右且速度在0.7s時基本趨于穩(wěn)定。在0.7s時蓄能器的壓力從各自對應(yīng)的額定值降到相同的最低值，這是由于蓄能器的容積、工作壓力和彈射物的質(zhì)量共同工作用的結(jié)果，同時也反映了本算例中給定的參考容積和額定壓強在本分析中可通過適當(dāng)?shù)脑龃蠖沟眯钅芷鲏毫ψ兓€右移；液壓系統(tǒng)的彈射力隨著蓄能器額定壓力的增大而彈力增大，隨著彈射物的運動彈力逐漸下降，且額定壓力越大系統(tǒng)彈力下降速率越大。

圖6　不同額定充氣壓力下的彈射參數(shù)

3.2.3蓄能器容積對彈射的影響

圖7為不同蓄能器容積下彈射參數(shù)的變化曲線，可得隨著蓄能器容積的增大，彈射位移和彈射速度在工作開始一段時間內(nèi)基本保持相等，隨后二者均隨充氣容積的增大而增大。同理，隨著彈射的進(jìn)行，彈射速度的變化率勻速下降并趨于穩(wěn)定。蓄能器的容積從20L增大到63L，在0.7s時位移和速度分別增加了25%和47%。蓄能器的工作壓力變化受其容積的影響較大，從充氣容積20L時的5.5MPa增大到63L時的9.3MPa，前者的壓降為65.6%，后者為41.8%。彈力變化曲線隨著蓄能器充氣容積的增大而下降曲率變緩，從圖7中得，在充氣體積為40L和63L的工況下，在0.7s時二者的彈力均不為0，說明通過控制蓄能器的充氣體積對彈射物的彈射和制動緩沖具有重要影響。

圖7　不同蓄能器容積下的彈射參數(shù)

4結(jié)論

基于氣液壓系統(tǒng)和運動學(xué)原理，利用蓄能器模型、液壓系統(tǒng)簡化模型、增速滑輪組模型和渦輪阻尼器模型建立了彈射物的發(fā)射過程動力學(xué)模型，并利用相關(guān)文獻(xiàn)的實驗數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗證。 數(shù)值分析結(jié)果表明蓄能器充油壓力、蓄能器容積和液壓系統(tǒng)的阻尼特性是影響發(fā)射距離和發(fā)射起飛速度的關(guān)鍵參數(shù)，因此在一定范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)氣液壓能源系統(tǒng)參數(shù)和改善系統(tǒng)的性能，有助于提高彈射速度、加速度和效率。 本文的研究結(jié)果對氣液壓發(fā)射裝置的工程研制提供重要的參考價值。

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(責(zé)任編輯周江川)