張學(xué)飛,徐亞棟,羊 柳

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

裝填系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)械、電氣和液壓一體的復(fù)雜系統(tǒng),作為火炮的一個(gè)重要子系統(tǒng),其性能直接影響了火炮工作的可靠性和工作效率[1]。傳統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究主要是分別以不同的平臺(tái)對(duì)機(jī)械和液壓系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)研究,但是,在火炮裝填系統(tǒng)中,機(jī)械和液壓控制系統(tǒng)是強(qiáng)耦合的閉環(huán)系統(tǒng),單獨(dú)進(jìn)行各子系統(tǒng)的研究很難準(zhǔn)確地描述實(shí)際工作狀態(tài)[2]。

為更好地反映裝填系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)和運(yùn)行特性,本文采用ADAMS和AMESim聯(lián)合仿真的方式,并以ADAMS為主控制軟件,建立了某火炮彈協(xié)調(diào)器的聯(lián)合仿真模型,并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析。選取了幾種典型的故障形式(液壓泵內(nèi)泄漏、減壓閥堵塞、液壓缸內(nèi)泄漏),在修改仿真模型中相應(yīng)故障參數(shù)的基礎(chǔ)上,分析了不同參數(shù)對(duì)協(xié)調(diào)過程的影響程度。

1 火炮彈協(xié)調(diào)器的工作原理

彈協(xié)調(diào)器的結(jié)構(gòu)主要包括:協(xié)調(diào)油缸、協(xié)調(diào)臂、角度編碼器、擺動(dòng)油缸、擺動(dòng)連桿、行程開關(guān)等,裝填系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彈協(xié)調(diào)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

彈協(xié)調(diào)器的工作原理:裝填系統(tǒng)工作的初始位置為協(xié)調(diào)臂與水平方向成40°的位置,當(dāng)協(xié)調(diào)回路伺服閥接收到信號(hào)后,伺服閥開啟,閥芯正向移動(dòng),協(xié)調(diào)臂在協(xié)調(diào)油缸的驅(qū)動(dòng)下繞耳軸旋轉(zhuǎn),同時(shí),位于耳軸處的角度編碼器將協(xié)調(diào)臂轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)反饋到控制回路中,經(jīng)過PID控制器的作用,最終將協(xié)調(diào)臂控制在預(yù)定角度。當(dāng)協(xié)調(diào)動(dòng)作完成后,擺動(dòng)回路伺服閥接收到信號(hào),在擺動(dòng)油缸的驅(qū)動(dòng)下,輸彈機(jī)通過擺動(dòng)連桿擺動(dòng)至與炮膛軸線對(duì)齊的位置,動(dòng)作到位后,觸發(fā)行程開關(guān),擺動(dòng)回路伺服閥關(guān)閉。

2 聯(lián)合仿真模型的建立

2.1 動(dòng)力學(xué)模型的建立

在三維建模平臺(tái)下建立裝填系統(tǒng)的三維模型并根據(jù)其相對(duì)位置和裝配關(guān)系進(jìn)行裝配,然后將模型轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)圖形模式(x_t格式),將模型導(dǎo)入到ADAMS中,以保證模型的準(zhǔn)確性[3-4]。

本文主要研究裝填系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和擺動(dòng)動(dòng)作,將沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件視為一個(gè)部件考慮,根據(jù)各相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,建立相應(yīng)的約束副。為保證仿真模型的精確度,本文在三維建模平臺(tái)中對(duì)各部件進(jìn)行質(zhì)量屬性的分析,將其質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量輸入至動(dòng)力學(xué)分析平臺(tái)中。

為保證模型的正確性,在協(xié)調(diào)油缸和擺動(dòng)油缸上添加作用力,定義協(xié)調(diào)油缸驅(qū)動(dòng)力函數(shù)為step(time,0.1,4 000,0.2,5 000),對(duì)模型進(jìn)行仿真,觀察協(xié)調(diào)臂和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角。協(xié)調(diào)臂的轉(zhuǎn)角θ隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。

圖2 在驅(qū)動(dòng)力函數(shù)下協(xié)調(diào)臂轉(zhuǎn)角θ隨時(shí)間變化曲線

由圖2可以看出,建立的動(dòng)力學(xué)模型滿足系統(tǒng)工作要求,可進(jìn)行進(jìn)一步的仿真。

1—油箱;2—泵;3—電機(jī);4—單向閥;5—油濾;6—減壓閥;7—電磁換向閥;8—比例環(huán)節(jié);9—PID控制器;10—減法器;11—信號(hào)發(fā)生器;12—協(xié)調(diào)平衡閥;13—協(xié)調(diào)油缸;14—傳感器;15—軟件接口模塊;16—擺動(dòng)油缸;17—擺動(dòng)雙向平衡閥;18—電磁換向閥;19—溢流閥。

2.2 液壓系統(tǒng)模型的建立

裝填系統(tǒng)的液壓分系統(tǒng)主要由油箱、液壓泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、單向閥、溢流閥、伺服閥、液壓鎖、油缸等組成,控制分系統(tǒng)主要由PID控制器及上位機(jī)等組成[5]。在AMESim系統(tǒng)建模和仿真平臺(tái)下,運(yùn)用液壓庫(kù)、信號(hào)庫(kù)等模塊建立仿真模型,如圖3所示。

在子模型模式下,合理選擇元件類型,然后在參數(shù)模式下,對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,主要參數(shù)如表1所示。

表1 液壓元件參數(shù)值定義

2.3 聯(lián)合仿真模型的建立

通過軟件接口技術(shù)將ADAMS模型和AMESim模型進(jìn)行聯(lián)合,實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和同步交流,聯(lián)合仿真過程如圖4所示。

圖4 聯(lián)合仿真流程圖

在AMESim中創(chuàng)建接口模塊,將協(xié)調(diào)油缸和擺動(dòng)油缸的力(xt_force,bd_force)作為輸出,傳遞至ADAMS中,同時(shí)將協(xié)調(diào)油缸桿的伸出位移、協(xié)調(diào)臂的轉(zhuǎn)角和擺動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角作為輸入,由ADMAS傳入至AMESim中。在ADMAS中建立3個(gè)狀態(tài)變量,即協(xié)調(diào)油缸桿的伸出位移xt_gan_s,協(xié)調(diào)臂的轉(zhuǎn)角xt_angle和擺動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角bd_angle,然后利用ARYVAL函數(shù)將AMESim中傳遞的力的信號(hào)賦予油缸。通過在ADAMS中定義輸出數(shù)組、輸入數(shù)組、狀態(tài)數(shù)組和創(chuàng)建GSE狀態(tài)方程,完成聯(lián)合仿真模型的建立。

3 聯(lián)合仿真與結(jié)果分析

將ADAMS動(dòng)力學(xué)模型和AMESim模型文件放在相同的工作路徑下,使用AMESim生成的dll文件作為ADAMS中求解器的外部執(zhí)行文件,并使用C++作為求解器來創(chuàng)建聯(lián)合仿真腳本。設(shè)置仿真時(shí)間為4 s,仿真步長(zhǎng)為1 ms。

3.1 協(xié)調(diào)過程仿真分析

根據(jù)裝填系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求,彈協(xié)調(diào)器的接彈位置為協(xié)調(diào)臂與水平方向成40°的位置。為使協(xié)調(diào)臂能夠穩(wěn)定地停留在目標(biāo)射角,該彈協(xié)調(diào)器采用PID控制,輸入信號(hào)為階躍信號(hào)。分別取身管不同射角進(jìn)行仿真,輸入信號(hào)為20°時(shí),協(xié)調(diào)臂的轉(zhuǎn)角θ隨時(shí)間變化曲線如圖5所示,協(xié)調(diào)油缸A腔、B腔的壓力變化如圖6所示。

圖5 輸入信號(hào)20°時(shí)協(xié)調(diào)臂轉(zhuǎn)角θ隨時(shí)間變化曲線

圖6 協(xié)調(diào)油缸A腔、B腔壓力隨時(shí)間變化曲線

從圖5中可以看出,在PID控制下,協(xié)調(diào)臂的轉(zhuǎn)角在0.9 s左右到達(dá)目標(biāo)角度值20°,并保持穩(wěn)定,未出現(xiàn)超調(diào),滿足了協(xié)調(diào)精度的要求。從圖6壓力曲線可以看出,在伺服閥開啟瞬間,A腔壓力迅速增大,A腔壓力大于B腔壓力,然后A腔壓力逐漸下降,在活塞桿的推動(dòng)下,協(xié)調(diào)臂運(yùn)動(dòng)到預(yù)定角度。

圖7 擺入過程擺動(dòng)臂角位移θ變化曲線

3.2 擺入過程仿真分析

擺入時(shí)擺動(dòng)臂的角位移θ如圖7所示,擺動(dòng)油缸A腔、B腔壓力如圖8所示。

從圖7中可以看到,由于伺服閥輸入信號(hào)為梯形信號(hào),約2.3 s開始,擺動(dòng)臂加速擺動(dòng),在接近擺動(dòng)油缸終點(diǎn)時(shí),在輸入信號(hào)的作用下,電磁閥開口減小,擺動(dòng)臂做減速運(yùn)動(dòng),最終在3.0 s左右時(shí),到達(dá)油缸行程終點(diǎn)并保持其位置狀態(tài)。對(duì)應(yīng)的擺動(dòng)油缸各腔壓力如圖8所示。

圖8 擺入過程擺動(dòng)油缸A腔、B腔壓力隨時(shí)間變化曲線

4 協(xié)調(diào)過程典型故障仿真分析

裝填系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電液集成系統(tǒng),隱藏有多種故障類型,而且多種因素的耦合還會(huì)形成很多故障現(xiàn)象[6-8]。根據(jù)常見故障統(tǒng)計(jì)和故障機(jī)理分析,本文選取液壓泵內(nèi)泄漏、減壓閥堵塞、液壓缸內(nèi)泄漏3種典型故障,對(duì)協(xié)調(diào)過程進(jìn)行故障分析。

4.1 液壓泵內(nèi)泄漏

當(dāng)液壓泵工作狀態(tài)穩(wěn)定后,泵的實(shí)際流量為

(1)

由式(1)可知,液壓泵的主要故障包括由磨損引起的內(nèi)泄漏增加、出口流量減少以及泵容積效率降低等,本文選擇內(nèi)泄漏故障進(jìn)行研究。通過在仿真模型中的液壓泵旁并聯(lián)一個(gè)節(jié)流孔模塊來實(shí)現(xiàn)液壓泵內(nèi)泄漏故障的模擬,如圖9所示。通過改變節(jié)流孔的孔徑大小來仿真模擬液壓泵不同程度的泄漏。

在AMESim系統(tǒng)建模和仿真平臺(tái)下改變節(jié)流孔的孔徑參數(shù)來模擬液壓泵的泄漏程度,選取不同節(jié)流孔孔徑d0,系統(tǒng)響應(yīng)曲線與正常曲線對(duì)比如圖10所示,圖中,ω為協(xié)調(diào)角速度。

圖9 液壓泵故障模型

圖10 液壓泵不同泄漏程度下協(xié)調(diào)角速度ω隨時(shí)間變化曲線

從圖10中可以看出,液壓泵內(nèi)泄漏程度增大,導(dǎo)致系統(tǒng)流量減小,油缸的峰值速度降低,系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變慢。反映在協(xié)調(diào)角速度ω變化曲線上,角速度峰值明顯降低且存在一定的波動(dòng)。

4.2 減壓閥堵塞

減壓閥的主要故障是由油液中混入雜質(zhì)等引起閥堵塞,運(yùn)動(dòng)不到位或彈簧故障引起的閥芯不能正常移動(dòng)等現(xiàn)象。本文選擇減壓閥堵塞故障進(jìn)行研究。通過在仿真模型中的減壓閥出口與換向閥之間串接一個(gè)節(jié)流孔模塊來實(shí)現(xiàn),如圖11所示。通過改變節(jié)流孔的孔徑大小來仿真模擬減壓閥不同程度的堵塞。節(jié)流孔的孔徑越小就意味著減壓閥的堵塞程度越大。

圖11 減壓閥堵塞故障模型

在AMESim系統(tǒng)建模和仿真平臺(tái)下改變節(jié)流孔的孔徑參數(shù)d0來模擬減壓閥的堵塞程度。不同節(jié)流孔孔徑時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)曲線與正常曲線對(duì)比如圖12所示。

圖12 減壓閥不同堵塞程度下協(xié)調(diào)角速度ω隨時(shí)間變化曲線

從圖12中可以看出,在不同的堵塞程度下,協(xié)調(diào)角速度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)大致相同,但隨著減壓閥堵塞程度的增大,協(xié)調(diào)角速度的峰值減小,導(dǎo)致協(xié)調(diào)臂到位時(shí)間變慢。當(dāng)堵塞超過一定程度時(shí),協(xié)調(diào)臂將無(wú)法到達(dá)指定角度,導(dǎo)致協(xié)調(diào)失敗。

4.3 液壓缸內(nèi)泄漏

在對(duì)火炮液壓系統(tǒng)進(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí),大面積的外泄漏通過常規(guī)方式一般很容易檢測(cè),而內(nèi)泄漏不易發(fā)現(xiàn)且難以檢測(cè)[9]。液壓缸內(nèi)泄漏主要發(fā)生在活塞與活塞桿之間的靜密封部分以及活塞與缸壁之間的動(dòng)密封部分中。由于活塞與活塞桿之間的密封是固定密封,因此,只要設(shè)計(jì)合理并經(jīng)過適當(dāng)處理,就完全可以防止泄漏;而活塞與缸壁在使用中會(huì)因?yàn)槟p而內(nèi)泄漏嚴(yán)重[10]。因此,可以忽略液壓缸的活塞與活塞桿之間靜密封部分的內(nèi)泄漏,而主要考慮活塞與缸壁間隙處的內(nèi)泄漏。

由于液壓缸與活塞之間的間隙為環(huán)狀間隙,根據(jù)同心環(huán)狀間隙的流量公式,可計(jì)算液壓缸的內(nèi)泄漏量,即

(2)

式中:q為液壓缸的泄漏量,單位為m3/min;d為液壓缸的直徑,單位為mm;h為間隙高度,單位為mm;μ為油液的動(dòng)力黏度,單位為Ν·s/m2;l為間隙長(zhǎng)度,單位為mm;Δp為A腔與B腔之間的壓力差,單位為MPa。

調(diào)用AMESim中液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)(HCD)中相應(yīng)模塊構(gòu)建液壓缸,通過Bap2模塊建立液壓缸的2個(gè)容積腔,在2個(gè)腔體之間添加Baf1模塊,通過改變Baf1中的環(huán)形間隙參數(shù),可模擬液壓缸的內(nèi)泄漏故障,Bhc1模塊用來實(shí)現(xiàn)對(duì)容積變化的模擬仿真,MAS010RT表示活塞和活塞桿的總質(zhì)量。設(shè)置泄漏模塊模擬液壓缸的內(nèi)泄漏,故障模型如圖13所示。

圖13 液壓缸故障模型

設(shè)置液壓缸活塞與缸壁間正常間隙為0.04 mm,通過改變間隙高度h來模擬不同程度的內(nèi)泄漏,間隙高度越大,內(nèi)泄漏程度越大。不同泄漏程度的系統(tǒng)響應(yīng)曲線與正常曲線的對(duì)比如圖14、圖15所示。

圖14 液壓缸不同泄漏程度時(shí)協(xié)調(diào)角速度ω隨時(shí)間變化曲線

圖15 液壓缸不同泄漏程度時(shí)A腔壓力隨時(shí)間變化曲線

從圖14中可以看出,在一定的內(nèi)泄漏程度下,協(xié)調(diào)角速度與正常曲線相比只有輕微減小。但圖15中,在大流量下,A腔壓力pA隨時(shí)間的變化大致相同;但在小流量時(shí),即協(xié)調(diào)到位前的減速段時(shí),油缸的內(nèi)泄漏導(dǎo)致A腔油液向B腔泄漏,B腔壓力升高,同時(shí)在反饋調(diào)節(jié)的作用下,A腔的壓力也有所增大。當(dāng)繼續(xù)增大內(nèi)泄漏程度時(shí),系統(tǒng)將無(wú)法正常工作,無(wú)法滿足協(xié)調(diào)指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文建立了火炮彈協(xié)調(diào)器機(jī)械系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型,得出以下結(jié)論:

①對(duì)協(xié)調(diào)和擺動(dòng)動(dòng)作進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果表明,相關(guān)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求;

②對(duì)液壓泵內(nèi)泄漏、減壓閥堵塞、液壓缸內(nèi)泄漏3類故障進(jìn)行了仿真研究,研究結(jié)果表明,各種故障對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不同形式的影響,為后續(xù)故障診斷提供了理論基礎(chǔ),有利于進(jìn)一步提高火炮彈協(xié)調(diào)器液壓系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。