張 平，黃彥文，高星斗，李 敏

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活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)大擺桿機(jī)械結(jié)構(gòu)與液壓系統(tǒng)聯(lián)合仿真研究

張 平，黃彥文，高星斗，李 敏

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

大擺桿是活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)重要的組成部分，當(dāng)擺桿快速擺開時(shí)，如果發(fā)生急停情況，將會(huì)對(duì)大擺桿液壓缸及其管路、大擺桿結(jié)構(gòu)及安裝的連接器產(chǎn)生較大的沖擊載荷?；贏DAMS和AMESim聯(lián)合仿真的方法對(duì)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)大擺桿的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真，主要分析急停工況下大擺桿上不同位置的角速度和角加速度，為大擺桿的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供指導(dǎo)。

活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)；擺桿；聯(lián)合仿真

0 引 言

大擺桿是活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的重要組成部分，在技術(shù)中心配合箭體安裝，承載加注管路、供氣管路和電纜等，在技術(shù)中心到發(fā)射中心的垂直運(yùn)輸途中保持連接器、供氣管路及電纜狀態(tài)不變，在發(fā)射中心臨射前帶動(dòng)脫落的連接器及管路擺開，為火箭起飛讓出安全通道。

大擺桿所承擔(dān)的工作是其他任何設(shè)備所不能代替的，特別是在臨近發(fā)射前的短暫時(shí)間內(nèi)，所有人員、車輛都已撤離發(fā)射場(chǎng)，只有擺桿矗立在發(fā)射場(chǎng)，支撐著有關(guān)的電纜及管道與火箭相連。因此，大擺桿對(duì)火箭發(fā)射的成敗有極其重要的影響，其工作必須保證絕對(duì)安全可靠。

當(dāng)大擺桿接近火箭時(shí)，不能與火箭相碰撞，當(dāng)要求其離開火箭時(shí)，必須保證準(zhǔn)時(shí)按要求的速度、距離離開，不能有任何差錯(cuò)，否則后果不堪設(shè)想[1]。為確保大擺桿性能滿足使用要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要開展一系列的計(jì)算、仿真和試驗(yàn)工作。

大擺桿系統(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，真正滿足工程需求[2,3]。

1 仿真工況及建模過(guò)程

1.1 仿真工況

大擺桿在工作中存在主動(dòng)急停和故障急停工況。主動(dòng)急停用于在技術(shù)中心某一角度擺開和擺回時(shí)、在發(fā)射中心慢速擺開和擺回時(shí)遇到異常情況需要將擺桿止動(dòng)；故障急停則是由于大擺桿系統(tǒng)液壓、電控、結(jié)構(gòu)部分出現(xiàn)故障而發(fā)生的急停情況。

當(dāng)擺桿快速擺開時(shí)，如果發(fā)生急停情況，將會(huì)對(duì)大擺桿液壓缸及其管路、大擺桿結(jié)構(gòu)及安裝的連接器產(chǎn)生較大的沖擊載荷。通過(guò)仿真，可獲取大擺桿系統(tǒng)在急停工況下的加速度，為大擺桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核提供輸入；可獲取不同液壓系統(tǒng)方案下的大擺桿動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果，為優(yōu)化液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)；同時(shí)，可對(duì)大擺桿樣機(jī)的各種試驗(yàn)工況結(jié)果進(jìn)行預(yù)示，優(yōu)化傳感器布置方案，節(jié)約試驗(yàn)成本。

本文對(duì)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)大擺桿的急停工況進(jìn)行仿真研究，包括大擺桿液壓系統(tǒng)中的電磁換向閥斷電和流量閥斷電兩種狀態(tài)。

1.2 建模過(guò)程

1.2.1 機(jī)械系統(tǒng)建模

在ADAMS軟件中建立大擺桿的機(jī)械系統(tǒng)模型，主要包括擺桿、主軸、齒輪、齒條、活塞桿和缸筒，如圖1所示。

圖1 機(jī)械系統(tǒng)模型

圖2 總體坐標(biāo)系示意

連接關(guān)系如下：擺桿與主軸固接，齒輪與主軸固接，主軸與大地用轉(zhuǎn)動(dòng)副約束，齒輪與齒條之間建立齒輪副，活塞桿與齒條固接，活塞桿與缸筒之間用滑動(dòng)副約束。

活塞桿與缸筒之間創(chuàng)建作用力，其值從AMESim液壓系統(tǒng)模型中獲??；創(chuàng)建狀態(tài)變量測(cè)量活塞桿與缸筒間的位移、速度和擺桿擺動(dòng)角度。

考慮擺桿的柔性，利用ANSYS軟件生成模態(tài)中性文件，導(dǎo)入ADAMS后的模型如圖3所示[4]。

圖3 大擺桿柔性體模型

1.2.2 液壓系統(tǒng)建模

在AEMSim中建立液壓系統(tǒng)模型。急停工況模型如圖4所示。電磁換向閥和流量閥斷電由信號(hào)源模塊輸出的信號(hào)實(shí)現(xiàn)[5,6]。

圖4 急停工況模型

1.2.3 聯(lián)合仿真模型

急停工況的聯(lián)合仿真模型如圖5所示[7,8]。

圖5 急停工況聯(lián)合仿真模型

2 仿真參數(shù)設(shè)定

機(jī)械系統(tǒng)主要仿真參數(shù)為大擺桿桿系、管路、電纜、連接器和連接器支架等機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量特性參數(shù)，按實(shí)際狀態(tài)輸入軟件中；液壓系統(tǒng)參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)的流量參數(shù)輸入到軟件中，一般為流量隨時(shí)間變化的曲線。

通過(guò)AMESim軟件中信號(hào)庫(kù)里的相關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)電磁換向閥斷電和比例流量閥斷電2種急停工況的模擬。

3 仿真結(jié)果

對(duì)急停工況下的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，重點(diǎn)關(guān)注大擺桿不同位置（如圖6中A、B、C、D點(diǎn)位置）的角速度和角加速度。

圖6 大擺桿關(guān)注位置點(diǎn)

3.1 電磁換向閥斷電

電磁換向閥斷電時(shí)，角速度和角加速度仿真結(jié)果（以D點(diǎn)為例）分別如圖7、圖8所示。在=15 s時(shí)，電磁換向閥斷電。

圖7 角速度曲線

圖8 角加速度曲線

3.2 流量閥斷電

流量閥斷電時(shí)，角速度和角加速度仿真結(jié)果（以D點(diǎn)為例）分別如圖9、圖10所示。在=15 s時(shí)，流量閥斷電。

圖9 角速度曲線

圖10 角加速度曲線

4 結(jié) 論

活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)大擺桿結(jié)構(gòu)與液壓系統(tǒng)聯(lián)合仿真涉及機(jī)械系統(tǒng)模型簡(jiǎn)化、液壓系統(tǒng)建模，以及機(jī)械、液壓系統(tǒng)仿真參數(shù)的合理選取。

柔性體模型中C、D兩點(diǎn)因靠近擺桿末端，急停工況時(shí)角加速度值較大，B點(diǎn)接近擺桿質(zhì)心位置，仿真結(jié)果與采用純剛體模型仿真結(jié)果接近。在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí)，可采用柔性體模型B點(diǎn)仿真結(jié)果。

在條件允許的前提下可針對(duì)大擺桿試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，在試驗(yàn)系統(tǒng)中布置相應(yīng)的傳感器，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷完善仿真模型。

[1] 路廣勛, 李建增, 王東鋒. 航天發(fā)射塔擺桿健康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系的研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2014, 22(2): 155-157.

[2] 周杰, 馬吉?jiǎng)? 等. 某型兵器發(fā)射塔架擺桿系統(tǒng)機(jī)液耦合動(dòng)力學(xué)仿真研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2014(7):148-150, 154.

[3] 孫中興, 唐力偉, 周杰, 等. 某塔架擺桿系統(tǒng)水平桿動(dòng)力學(xué)建模與分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2015(3): 90-94

[4] 康寧民, 王煥功, 等. 有限元分析在電纜擺桿動(dòng)載荷分析中的應(yīng)用[J]. 制造業(yè)信息化, 2014(7): 139-140

[5] 龐末紅, 楊倫奎, 陳成峰. 基于AMESim的電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性仿真研究[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2015(5): 83-88

[6] 陳亮, 梁國(guó)柱. 基于AMESim的電磁閥工作過(guò)程動(dòng)態(tài)特性建模與仿真[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2014(3): 49-54

[7] 姜立標(biāo), 程鋮, 等. 基于ADAMS和AMESim機(jī)液聯(lián)合仿真的電動(dòng)輪礦用車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2015(2): 171-174

[8] 韓壽松, 晁智強(qiáng), 等. 基于ADAMS和AMESim的液壓六自由度平臺(tái)聯(lián)合仿真研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2013(5): 157-159.

Research of Mechanical Structure and Hydraulic System Co-simulation of Cable Moving Truss on Mobile Launching Platform

Zhang Ping, Huang Yan-wen, Gao Xing-dou, Li Min

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

Cable moving truss was an important part of mobile launch platform. If the truss stops suddenly in rapid moving process, there will be great shock load on cylinders, pipelines, structures and connectors. Moving process of mobile launch platform cable moving truss was simulated based on the method of ADAMS and AMESim co-simulation. Under emergency stop conditions, angular velocity and acceleration in different positions of cable moving truss was analyzed. This study supported the design and test of cable moving truss.

Mobile launch platform; Cable moving truss; Co-simulation

1004-7182(2016)03-0033-03

10.7654/j.issn.1004-7182.20160308

V553.1

A

2015-08-24；

2015-12-04

張 平（1982-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)射總體技術(shù)