(湖北江山重工有限責(zé)任公司，湖北 襄陽 441057)

引言

火箭發(fā)射液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要是為了驅(qū)動發(fā)射架在高低范圍內(nèi)的調(diào)炮操作。在高低起落過程中，由高低機驅(qū)動發(fā)射架進行高低俯仰運動，賦予發(fā)射系統(tǒng)一定的射角。在俯仰動作過程中，發(fā)射架等效到高低機上的負載力矩大小時刻變化，且變化范圍大，變化速度快。在高低調(diào)節(jié)到任一發(fā)射位后，為保證發(fā)射的目標精度，進行火箭發(fā)射，在高沖擊力作用下，高低機需在該狀態(tài)下保證發(fā)射架穩(wěn)定，不得出現(xiàn)發(fā)射架變位等情況。液壓驅(qū)動系統(tǒng)的高低俯仰動作，主要是液壓缸作為高低機電液系統(tǒng)驅(qū)動控制高低機的動作，實現(xiàn)發(fā)射架高低俯仰和鎖定功能。在該過程中，要求液壓系統(tǒng)應(yīng)具有一定的速度剛度，不受負載變化影響。在控制器給定某一射角設(shè)定后，通過解算并控制液壓系統(tǒng)比例閥元件，保證在高低調(diào)炮的快速響應(yīng)性和穩(wěn)定性[1-2]。

近年來, 不少學(xué)者對閥控缸變負載工況下的速度控制和火箭發(fā)射液壓系統(tǒng)的仿真分析方面進行了研究。鄒興龍等[3]基于起重機變幅工況,對電比例平衡閥開啟電流、PWM顫振頻率、壓力、流量等特性進行試驗研究，提出了一種電比例變幅平衡閥的電氣補償優(yōu)化控制方法。尹劍波等[4]利用AMESim軟件對某型火箭炮高低機進行建模仿真，展示了電液伺服系統(tǒng)的工作過程。劉艷等[5]通過狀態(tài)方程組形式建立了電液比例閥控非對稱缸驅(qū)動發(fā)射裝置高低機系統(tǒng)的非線性模型，并進行了優(yōu)化仿真，有效地改善高低機系統(tǒng)的動態(tài)特性。徐艷翠等[6]為提升折臂式隨車起重機變幅液壓系統(tǒng)性能，提出了變幅液壓系統(tǒng)及零部件的優(yōu)化方案，通過實驗對比，變幅液壓系統(tǒng)性能得到明顯提升。

1 案例

某發(fā)射裝置發(fā)射架通過旋轉(zhuǎn)軸與回轉(zhuǎn)機構(gòu)相連，兩支液壓缸(以下簡稱高低機)對稱分布在發(fā)射架的兩側(cè)，高低機為液壓缸支撐方式，上下鉸接點分別連接回轉(zhuǎn)部分和發(fā)射架，發(fā)射架在高低機的驅(qū)動下繞軸旋轉(zhuǎn)賦予發(fā)射裝置一定的高低射角。該發(fā)射裝置高低機受力力臂小，要求高低機推力足夠大，發(fā)射裝置高低射角范圍大，且高低機存在兩種負載力方向的工況。高低液壓回路采用比例換向閥和液壓鎖配合工作，采用定量泵提供動力，通過溢流閥限制系統(tǒng)工作壓力。在液壓系統(tǒng)調(diào)試過程中，高低調(diào)炮過程出現(xiàn)低頻抖動，現(xiàn)象集中于發(fā)射架下落階段。高低機上下調(diào)炮到位鎖定正常，發(fā)射鎖定變位也在合理范圍。

分析高低油路原理，2個液控單向閥交叉控制作為液壓油缸的鎖定元件。鎖定原理利用單向閥的反向截流特性，鎖定可靠。比例換向閥作為高低油路流量和方向控制元件，間接控制高低機的調(diào)炮速度[7]。

根據(jù)系統(tǒng)原理和參數(shù)，利用AMESim軟件搭建了液壓系統(tǒng)的仿真模型,進行系統(tǒng)仿真分析,動態(tài)仿真液壓泵運行情況如圖1所示。整個仿真過程為60 s，模擬了高低驅(qū)動和發(fā)射工作流程：即上調(diào)炮、鎖緊、發(fā)射和下調(diào)炮過程。高低機在發(fā)射架調(diào)炮到某角度時，系統(tǒng)模擬了多發(fā)火箭彈的連續(xù)射擊。

從仿真曲線圖上，可以看出定量泵在上升過程運動平順，無明顯顫振和壓力突變等情況，但在下降過程中存在較大的壓力震蕩。

高低機運行情況如圖2所示。

從仿真結(jié)果可以看出在對比例換向閥以及其他控制閥組輸入控制信號，高低液壓缸在上升過程運行平順，調(diào)節(jié)到位后模擬了火箭彈的發(fā)射，發(fā)射前后發(fā)射架角度變化很小，液壓鎖定可靠。在下降過程高低機存在劇烈震動，高低機壓力和流量均不穩(wěn)，液壓缸存在抖動現(xiàn)象，無法正常工作。仿真過程表征的現(xiàn)象與實際一致，仿真模型搭建合理。

圖1 液壓泵運行仿真結(jié)果

圖2 高低機運行情況仿真結(jié)果

2 原理分析

通過高低機上升腔和下降腔的壓力分析可知，在發(fā)射架下落過程(即高低機縮回過程)，高低機工作腔壓力震蕩的前段，下降腔壓力迅速下降，接近于0，上升腔壓力由穩(wěn)態(tài)的漸變開始陡增，進而開始震蕩。

對液壓鎖的原理分析可知，液壓鎖是由2個液控單向閥組成，其原理符號和結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 液壓鎖原理

假設(shè)①～④處的壓力分別為p1,p2,p3,p4，兩邊彈簧預(yù)緊力均為Fs,則當油液方向為①-②時，①處的壓力p1作為右側(cè)液控單向閥的控制壓力，在控制壓力作用下，右邊液控單向閥③-④導(dǎo)通。

將液壓鎖與油缸連接在一起時，如圖4所示。

圖4 液壓鎖與液壓缸組合

結(jié)合圖3中液壓鎖的結(jié)構(gòu)，當液壓缸需要下落時，需滿足：

p1·A1-p4·A4-Fs>0

(1)

則式(1)可簡化為：

(2)

液壓缸兩腔的壓力特性為：

pA·AA-pB·AB-FL=0

(3)

變形為：

(4)

式中，AA—— 液壓缸A腔有效作用面積

AB—— 液壓缸B腔有效作用面積

則由式(2)和式(4)可繪制出液壓鎖和液壓缸工作狀態(tài)圖，如圖5所示。

圖5 液壓鎖和液壓缸工作狀態(tài)圖

根據(jù)以上分析可知，陰影部分為該液壓鎖通道④-③ 開啟區(qū)域，G點為油缸的開啟點，油缸開啟的條件必須滿足KC>KA，但是即使達到這個條件，若KC與KA相差不大時，可能已經(jīng)達到系統(tǒng)壓力仍然不能開啟液壓鎖。

根據(jù)式(3)可知，因為還會受到B腔壓力pB的影響，液壓缸A腔壓力pA應(yīng)大于負載壓力pL。若負載壓力pL過大，液壓缸在下落過程中，液壓鎖在控制壓力p1的作用下，④-③向液壓鎖導(dǎo)通。此時在負載壓力和液壓缸B腔壓力的作用下，液壓缸下落。液壓鎖為開關(guān)閥，彈簧剛度比較小，在控制壓力作用下為全開狀態(tài)，節(jié)流液阻比較小。因此在負載壓力過大時，可能會導(dǎo)致液壓缸B腔壓力下降到小于液壓鎖彈簧預(yù)緊壓力，不能滿足液壓鎖的開啟條件，液壓鎖突然關(guān)閉，液壓缸下落速度突然為0。此時液壓缸A腔壓力pA會陡增，液壓缸B腔壓力也被動陡增。此時控制壓力增大，如果達到液壓鎖開啟壓力，④-③向液壓鎖繼續(xù)導(dǎo)通，往復(fù)循環(huán)造成液壓缸工作腔壓力突變震蕩，液壓缸抖動。

分析高低機下降過程中，隨著發(fā)射架的角度逐漸變小，發(fā)射架重力矩逐漸增大，比例換向閥的節(jié)流背壓不能適應(yīng)負載重力矩的變化，造成B腔壓力過低，造成液壓鎖的持續(xù)的開閉現(xiàn)象，高低機抖動。

3 改進設(shè)計

解決該問題的方法有兩種，一種是在液壓缸下降回路增加液阻元件，如節(jié)流閥；另一種是改變液壓鎖的彈簧剛度，使在控制壓力作用下連續(xù)開啟，且開啟壓力可調(diào)。

第一種方案，增加節(jié)流閥液阻元件可以使pA保持在pG以上時，可以避免液壓鎖反復(fù)開閉的現(xiàn)象。但是如果在發(fā)射架停留在較小的發(fā)射角度時，應(yīng)對高低機進行負載保持，液壓鎖的控制壓力卸荷，液壓鎖反向截止。此時節(jié)流閥前后的壓力均等于液壓缸A腔壓力pA，若再次啟動使高低機縮回，發(fā)射架下落。在控制壓力作用下，液壓鎖④-③向?qū)ǎ?jié)流閥后的壓力突然降為0，造成壓力突變，系統(tǒng)不穩(wěn)。

第二種方案，通過改變液壓鎖的開關(guān)鎖狀態(tài)，使閥芯移動以及液阻為可控連續(xù)變化，適應(yīng)負載變化工況，避免壓力突變。

通過結(jié)構(gòu)和原理分析可以將液壓鎖的液控單向閥替換成反向型平衡閥[8-9]，如圖6所示，反向型平衡閥有3個油口p1,p2,p3，分別接負載端、回油端、控制端。閥內(nèi)設(shè)置兩級閥芯，為主閥芯和先導(dǎo)閥芯，主閥芯用于封閉負載腔和回油腔，先導(dǎo)閥芯先行開啟，節(jié)流穩(wěn)定壓力，為主閥芯開啟創(chuàng)造條件。負載保持狀態(tài)，負載端壓力與主閥芯開啟壓力方向相反，負載壓力越大，主閥芯越能緊緊貼合在閥座上，其反向截流越可靠。平衡閥正向開啟壓力受單向彈簧決定，開啟壓力小。平衡閥還具有較大的開啟比，即其控制壓力p3到控制活塞的有效作用面積遠遠大于負載壓力p1到主閥芯的有效作用面積，主閥芯的開啟反向?qū)ɑ局皇芸刂茐毫3影響。但反向平衡閥本身不具有過載溢流功能，閥芯的開啟不受背壓和負載壓力影響，只接受控制端壓力進行導(dǎo)通，需單獨配置安全溢流閥防止系統(tǒng)過載。

1、2.阻尼 3.控制活塞 4.控制彈簧 5.閥座 6.先導(dǎo)閥芯7.主閥芯 8.背壓阻尼 9.單向彈簧 10.背壓腔圖6 反向平衡閥結(jié)構(gòu)原理圖

反向型平衡閥在原理上與液控單向閥類似。區(qū)別在于平衡閥在控制壓力作用下，其開啟曲線是一個連續(xù)的過程。平衡閥的雙閥芯結(jié)構(gòu)和控制彈簧的雙彈簧結(jié)構(gòu)以及背壓腔阻尼都是為了閥芯開啟過程更平穩(wěn)，避免壓力突變?？刂瓶谧枘峤M合用于設(shè)定閥芯的開啟壓力和關(guān)閉時間；背壓阻尼是為了防止背壓腔的流量泄漏過快，使背壓腔壓力增高，保證當負載壓力變大到一定值后，節(jié)流口開始減小，進而來抵消負載壓力變大的影響。

通過工作原理分析，第二種方案提高了系統(tǒng)速度剛度，使系統(tǒng)在面對負載變化時，能保證工作速度穩(wěn)定[10]。該方案更能適應(yīng)大力矩，變負載的場合。

由于發(fā)射架模型為變負載工作，且在整個高低調(diào)炮過程液壓缸受力方向會發(fā)生變化，需要雙向的負載保持和下落控制。借鑒雙液控單向閥組成的液壓鎖原理，采用雙反向平衡閥交叉控制方案。

平衡閥由無泄漏主閥、旁路溢流閥以及控制阻尼組成，旁路溢流閥可單獨調(diào)定溢流壓力。雙反向平衡閥交叉控制是將一平衡閥的進油口與另一平衡閥的控制口相連，同時另一平衡閥的進油口與該平衡閥的控制口相連，并通過阻尼的匹配，實現(xiàn)對主閥開啟壓力控制及響應(yīng)時間控制[11-12]。

4 仿真分析

針對改進后的方案重新構(gòu)建模型進行仿真分析，平衡閥部分仿真模型[13]如圖7所示。

液壓系統(tǒng)其他參數(shù)設(shè)定不變，進行仿真分析。

如圖8所示，通過仿真分析可知，改進后液壓泵輸出的壓力平穩(wěn)，無較大壓力波動；高低機在升起和定位鎖定以及下落過程中均未出現(xiàn)爬行振動等現(xiàn)象；高低機工作腔壓力趨于連續(xù)穩(wěn)定，流量工作連續(xù)穩(wěn)定，無明顯沖擊現(xiàn)象產(chǎn)生； 整個俯仰調(diào)炮響應(yīng)速度快，滿足工作要求；在模擬發(fā)射前后發(fā)射架角度變位較小，鎖定可靠，發(fā)射架在下落過程中高低機抖動現(xiàn)象消失，問題得到解決。

圖7 雙平衡閥仿真模型

圖8 改進后的模型仿真結(jié)果

5 試驗驗證

將改進后的方案，進行了試驗驗證。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知，在30次試驗過程中，均未出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，實際調(diào)炮到位均滿足要求。且經(jīng)過測量高低機兩工作腔壓力變化無明顯壓力沖擊現(xiàn)象，調(diào)炮到位后的鎖定可靠。

表1 試驗數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

從仿真和原理分析了火箭發(fā)射中液壓驅(qū)動系統(tǒng)中調(diào)節(jié)抖動的原因，并提出了基于雙反向平衡閥交叉互聯(lián)控制的閥控式液壓系統(tǒng)在大推力小力臂條件下液壓鎖的一種模式，經(jīng)過改進設(shè)計，原理分析，仿真分析和試驗驗證，該平衡鎖定方式有效，解決了俯仰調(diào)節(jié)過程的抖動問題，該模式是發(fā)射裝置高低平衡鎖定應(yīng)用中非常有效的一種方式，適合受力力臂小，負載變化大且出現(xiàn)正反兩個方向的場合。