張建宇，袁 航，程 棟，魏建峰，隋九齡

(1. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450015)

0 引 言

氣缸作為彈射裝置有單桿氣缸、多級(jí)氣缸、柔性氣缸[1]、內(nèi)外氣缸[2]、無(wú)桿氣缸[3]等，氣缸的動(dòng)力多為高壓氣瓶，并配置相關(guān)的管路、閥件的組成彈射裝置，用于彈射無(wú)人機(jī)、導(dǎo)彈等武器裝備。

繩索式氣缸作為彈射裝置，采用燃?xì)庾鳛榛钊\(yùn)行的驅(qū)動(dòng)力，相比傳統(tǒng)氣缸，減少了輔助氣源及相應(yīng)的管路閥件等輔助設(shè)備，同時(shí)改變了彈射負(fù)載的布置方向，通過(guò)柔性繩索與滑輪的配合，將氣缸與負(fù)載由串行布置改為并排布置，有效縮短發(fā)射裝置的軸向空間，提高了發(fā)射平臺(tái)的靈活、機(jī)動(dòng)的作戰(zhàn)能力。

目前，國(guó)內(nèi)在彈射領(lǐng)域已經(jīng)對(duì)繩索式氣缸在設(shè)計(jì)及試驗(yàn)等方面進(jìn)行了研究。李盛等[4]對(duì)雙纜索式氣缸進(jìn)行開(kāi)發(fā)與研究，通過(guò)選用高強(qiáng)度纜索，將單纜索改成雙纜索，可以保證氣缸在更高的氣壓下工作，大大提升了氣缸的輸出作用力，以達(dá)到高速?gòu)椛涞哪康摹＠畹赂萚5]對(duì)基于繩索式氣缸工作原理，建立了無(wú)人機(jī)彈射過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)影響起飛關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算和分析，最終通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，對(duì)彈射裝置的研制設(shè)計(jì)提供了支撐。閆晴霄等[6]針對(duì)鋼絲繩氣缸式彈射裝置建立發(fā)射內(nèi)彈道計(jì)算模型，并對(duì)陸上發(fā)射及水下發(fā)射2種狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算分析，獲得了陸上及水下的發(fā)射內(nèi)彈道數(shù)。綜合上述研究，本文針對(duì)繩索式氣缸結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)彈射特性的影響開(kāi)展進(jìn)一步分析。首先在AMESim環(huán)境下建立繩索式氣缸的仿真模型，再結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，最后分析了氣缸的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)彈射特性的影響規(guī)律。為繩索式氣缸在彈射領(lǐng)域的的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

繩索式氣缸主要由缸筒、活塞、滑輪組、繩索、推力滑塊、緩沖塊等結(jié)構(gòu)組成，若用于水下彈射，在氣缸的尾端安裝儲(chǔ)氣瓶，以減小彈射過(guò)程的背壓；若用于陸上彈射，氣缸尾端儲(chǔ)氣瓶可拆卸，在彈射過(guò)程中可將無(wú)繩腔的氣體及時(shí)排除，提高氣缸動(dòng)力的利用率。繩索式氣缸的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 繩索式氣缸結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of rope cylinder

1.2 工作原理

其主要工作原理如下：高壓燃?xì)鈴臍飧椎倪M(jìn)氣口進(jìn)入，活塞在燃?xì)鈮毫Φ淖饔孟乱砸欢ǖ乃俣认蚯斑\(yùn)行，同時(shí)通過(guò)繩索沿著滑輪組牽引推力滑塊前活塞的反方向運(yùn)行，彈射負(fù)載在推力滑塊的推動(dòng)下，以一定的速度向前運(yùn)行，直至推力滑塊被緩沖塊阻擋住，彈射負(fù)載以一定速度離開(kāi)裝置，氣缸完成工作。

2 仿真模型

利用AMESim軟件建立繩索式氣缸仿真模型，仿真模型如圖2所示。根據(jù)實(shí)際樣機(jī)尺寸對(duì)其配置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真模型的參數(shù)如表1所示。在建模過(guò)程中進(jìn)行以下幾點(diǎn)簡(jiǎn)化：

1）將燃?xì)獾脑敿?xì)組分簡(jiǎn)化為空氣，并將空氣視為理想氣體；

圖2 繩索式氣缸仿真模型Fig. 2 Simulation model of rope cylinder

表1 仿真模型參數(shù)Tab. 1 Parameter of simulation model

2）忽略氣體在氣缸缸筒內(nèi)流動(dòng)過(guò)程的變化及熱量損失；

3）忽略氣體溫度對(duì)缸內(nèi)壓力的影響。

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，采用試驗(yàn)測(cè)量值的氣壓作為氣缸仿真的輸入。圖3為試驗(yàn)值與仿真值彈射速度對(duì)比曲線，其速度趨勢(shì)一致性較好，經(jīng)計(jì)算最大偏差為5.7%，因此該模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)裝置的彈射特性。

圖3 試驗(yàn)與仿真計(jì)算對(duì)比Fig. 3 Comparison between experiment and simulation

3 彈射特性分析

在氣缸進(jìn)氣口壓力及彈射負(fù)載相同的情況下，氣缸對(duì)負(fù)載的彈射特性（速度和加速度）主要受氣缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，針對(duì)繩索式氣缸的缸徑、初始容積、儲(chǔ)氣瓶容積、密封間隙4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的變化對(duì)彈射特性的影響規(guī)律展開(kāi)了分析。

3.1 缸徑

由圖4可知，隨缸徑的增加，負(fù)載運(yùn)行相同行程所需要的時(shí)間減少，彈射最大速度及加速度增大，但當(dāng)缸徑增加至85 mm時(shí)，彈射速度出現(xiàn)拐點(diǎn)，同時(shí)儲(chǔ)氣瓶的背壓明顯增大。這是因?yàn)殡S缸徑的增加，無(wú)繩腔的氣體體積變化率大，導(dǎo)致氣缸的背壓腔壓力在活塞運(yùn)行接近至末端時(shí)壓力急速上升，從而導(dǎo)致活塞加速度和速度減小。

3.2 初始容積

由圖5可知，隨初始容積的減小，彈射負(fù)載速度最大值及加速度最大值提前。這是因?yàn)檫M(jìn)氣口輸入固定的壓力時(shí)，初始容積小，氣缸有繩腔的建壓速度快，同時(shí)由于容積小，壓力降低程度小，導(dǎo)致活塞的推力大，加速度大。但初始容積過(guò)小會(huì)導(dǎo)致燃?xì)獾膭?dòng)力系統(tǒng)背壓較高，在氣缸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮。

圖4 缸徑對(duì)彈射特性影響Fig. 4 Influence of cylinder diameter on ejection characteristics

3.3 儲(chǔ)氣瓶容積

由圖6可知，儲(chǔ)氣瓶的容積高于20 L之后，隨容積的增加，負(fù)載的速度和加速度有所增加，但幅度不大，達(dá)到相同的行程所用的時(shí)間接近。而當(dāng)儲(chǔ)氣瓶容積15 L時(shí)，負(fù)載的速度在接近目標(biāo)行程時(shí)有明顯的拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)的位置，儲(chǔ)氣瓶的壓力明顯上升。這是因?yàn)閮?chǔ)氣瓶容積的高于20 L之后，無(wú)繩腔的氣體體積變化率小，而在15 L時(shí)，無(wú)繩腔的氣體體積變化率大，導(dǎo)致氣缸的背壓腔壓力在活塞運(yùn)行接近至末端時(shí)壓力急速上升，從而導(dǎo)致活塞加速度和速度減小。所以在氣缸設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮儲(chǔ)氣瓶的容積效應(yīng)。

圖5 初始容積對(duì)彈射特性影響Fig. 5 Influence of initial volume on ejection characteristics

3.4 密封間隙

由于氣缸彈射速度較快，為減小彈射過(guò)程中密封圈產(chǎn)生的摩擦力，在活塞處的密封采用間隙密封。由圖7可知，當(dāng)密封間隙小于0.05 mm時(shí)，隨活塞密封間隙的減小，負(fù)載的速度有所增加，但幅度不大，達(dá)到相同的行程所用的時(shí)間接近。當(dāng)密封間隙為0.1 mm時(shí)，活塞過(guò)的漏氣流量明顯增加，儲(chǔ)氣瓶的壓力在負(fù)載接近目標(biāo)行程時(shí)明顯增加，負(fù)載的速度在接近目標(biāo)行程時(shí)相比小間隙低。這是因?yàn)槊芊忾g隙大，驅(qū)動(dòng)活塞前進(jìn)氣口壓力通過(guò)間隙泄漏至無(wú)繩腔，從而降低了有繩腔的氣體壓力，同時(shí)增加了氣缸的背壓，導(dǎo)致活塞速度減小。所以在氣缸設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮活塞密封的間隙與缸筒的匹配性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)建立了繩索氣缸仿真模型，并通過(guò)試驗(yàn)值對(duì)仿真模型進(jìn)行標(biāo)定，最大偏差為5.7%。最終通過(guò)仿真模型研究了繩索式氣缸的缸徑、初始容積、儲(chǔ)氣瓶容積、密封間隙4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的變化對(duì)負(fù)載彈射特性的影響規(guī)律，為氣缸的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

圖6 儲(chǔ)氣瓶容積對(duì)彈射特性影響Fig. 6 Influence of cylinder volume on ejection characteristics

圖7 密封間隙對(duì)彈射特性影響Fig. 7 Influence of seal clearance on ejection characteristics