某型兵器发射塔架摆杆系统机液耦合动力学仿真研究

周杰，马吉胜，孙中兴，邓辉咏，侠文强

(军械工程学院，河北石家庄050003)

某型兵器发射塔架摆杆系统是发射靶场的重要组成部分，其功能是为待发射产品的测试电缆、导气管路、风管等提供支撑，在发射前一分钟摆开至漂移区外，确保兵器起飞安全，其运行情况将直接影响发射任务的成败［1－3］。

然而，当摆杆系统工作时，经常产生速度波动，给系统带来安全隐患，因此有必要对其工作时的动力学特性进行仿真研究。发射塔架摆杆系统是集机电液一体化的大型机械系统，对其进行动力学研究涉及机械、液压及电控等领域的耦合，在建立模型时必须充分考虑机械及液压系统之间的耦合效应，建立完整的闭环模型，从而提高分析精度，真正满足实时动态仿真的需求［4］。

作者利用三维建模软件Pro/E、动力学仿真软件ADAMS与液压系统仿真软件EASY5建立塔架摆杆系统的虚拟样机模型与液压系统模型，通过软件之间的无缝接口实现数据的实时、动态交换，建立更接近实际系统的仿真模型，其建模流程如图1所示。

图1 联合仿真建模流程图

1 塔架摆杆系统动力学模型

1.1 虚拟样机模型

由于塔架摆杆系统的体积非常庞大，所涉及的零部件较多，在动力学仿真软件ADAMS中完成零件的造型任务会很艰巨，作者采用Pro/E来完成全部实体建模和装配工作，然后再将模型导入ADAMS中进行动力学分析［5］。

塔架摆杆系统可以分为两大部分，即竖轴摆杆系统与液压传动系统。竖轴摆杆系统由两根竖轴以及与竖轴固定连接的水平摆杆构成，水平摆杆则是由各段钢管通过螺栓连接在一起的桁架结构，其主要可分为两部分:与竖轴相连的直线段以及与直线段相连的弯曲段。由于在实际试验中，仅一侧竖轴上连有水平摆杆，且在4个水平摆杆中仅有一个水平摆杆具有完整的半圆形弯曲段，另两个水平摆杆的弯曲段则仅为1/4圆弧，还有一个水平摆杆则没有弯曲段。为了能够与试验结果进行对比，所建模型严格与试验时的塔架结构相一致，得到其实体模型如图2所示。

图2 竖轴摆杆系统模型

液压传动系统由齿轮、齿条、液压缸等组成，液压力推动液压缸中的活塞杆，使与其连接的齿轮齿条驱动竖轴转动，实现竖轴摆杆系统的打开或收回，需要特别注意的是，根据试验，发现传动系统中连接杆与销之间并不是紧密连接的，而是存在2～3 mm的缝隙，在建立模型时也将考虑该缝隙的存在，并定义形成缝隙的两部件之间存在CONTACT碰撞约束［6］。其实体模型如图3所示。

图3 液压传动系统模型

1.2 液压系统模型

1.2.1 建立液压系统回路

塔架摆杆系统的液压系统实现的是驱动活塞杆推动齿条运动，能够实现摆杆的打开、收拢、保压、卸荷等动作。在EASY5环境中建立液压回路，主要包括设置液压环境参数，创建液压油、油箱、液压泵、各类控制阀、液压缸等。建立的液压系统回路如图4所示。

图4 塔架摆杆系统液压系统回路图

当2个换向阀均为左位机能工作时，压力油进入液压缸无杆腔，液压缸有杆腔中的液压油回到油箱，活塞推动齿条向外运动，实现塔架摆杆系统的打开;反之，当换向阀右位机能工作时，液压油直接进入液压缸有杆腔，使活塞拉动齿条向里运动，实现塔架摆杆系统的收拢。

1.2.2 参数设置

液压系统的参数设置主要是针对包括工作介质、动力元件、控制元件、执行元件和辅助元件等部分进行设置。

(1)工作介质

塔架摆杆系统工作时的环境较为恶劣，这里选用10号航空液压油作为工作介质［7］。液压油的参考压力、工作温度、体积模量、热膨胀系数和空气溶解系数等，按要求进行设置［8］。

(2)液压缸

液压缸的受力计算公式为:

式中:F为液压缸受力;p1为进油压力;p2为回油压力;A1为无杆腔面积;A2为有杆腔面积;D为缸筒内径;d为活塞杆直径。

由动力学预分析可得到各液压缸在初始状态时的受力，由上述公式计算得到先作用油腔的初始压强。在此参数下，系统初始状态受力平衡，处于静止状态。液压缸建模时涉及的参数较多，参考虚拟样机仿真分析并结合计算，对各液压缸主要参数进行设置。

(3)液压泵

液压泵的选取要考虑泵的输出压力及流量以及效率等因素。在液压泵压力方面，根据液压泵最大压力计算公式

式中:ph为最高进油工作压力;p1为液压缸最大工作压力;∑Δp为液压泵出口到执行元件入口之间所有沿程压力损失和局部压力损失之和［9］，根据试验数据，选择最大压力为6 MPa。在液压泵排量方面，根据试验数据及液压缸设计尺寸，综合考虑阀类元件的选型及流量损失，选定液压泵排量为160 L/min。考虑到液压回路的泄漏损失，设置泵的机械效率为90%［10］。

液压系统中的其他阀类属于控制、辅助元件，用来控制液压系统中流体的压力、流量及流动方向，从而使之满足执行元件的动作要求。根据之前设定的参数及试验得到的数据，其他阀类元件的主要参数如表1所示。

表1 液压回路主要参数

2 仿真结果与分析

设定各元件参数后，进入ADAMS仿真界面，设置仿真时间为15 s，仿真步长为0.01 s，求解器用CONSTANT_BDF，积分方法用 S12，误差为0.001。仿真完成后，在ADAMS中查看仿真结果，包括塔架摆杆系统中液压力输出值以及机械传动部分齿条的运动速度，并将仿真结果与试验结果进行对比分析。

2.1 活塞受力分析

图5与图6分别为进行机液联合仿真后液压缸活塞受力在工作过程中随时间变化的曲线以及试验测得的活塞受力曲线。

图5 液压缸活塞受力仿真曲线

图6 液压缸活塞受力试验曲线

由以上两图可以看出，液压系统输出力在仿真开始便迅速增大到80 kN，随后又迅速减小到－20 kN，之后便一直保持在25 kN到0 N之间振荡，可以看到仿真结果与试验值较为相近，只是在仿真开始时的局部区间内有较剧烈的振荡，这是由于之前提到的在塔架摆杆系统的传动部分上，即活塞杆与齿条的连接处存在缝隙，在运动开始过程中由于阀门的突然打开，会使机械系统产生碰撞、冲击，并反馈到液压系统，当运行平稳后，也就不再有速度的连续瞬间突变，而变得较为平滑。以上结果说明了阀门启闭时会产生力的大幅度振荡，而在运行稳定后间隙的存在又会造成小幅度的力的振荡。

2.2 齿条速度分析

齿条是塔架摆杆系统中驱动齿轮及竖轴的重要部件，研究其速度变化也就能看出整个塔架摆杆系统的速度特性。图7为仿真与试验得到的齿条速度曲线对比图。

图7 仿真与试验得到的齿条速度曲线对比

图中实线为试验测得的齿条速度曲线，虚线为仿真得到的齿条速度曲线，可以看到仿真值与试验值吻合得较好;齿条速度在仿真开始后很快上升到25 mm/s并呈幅度逐渐减小的波动，这与液压力的变化趋势相吻合，说明机械摆杆系统的惯性对整个系统的速度影响比较小。

3 结论

(1)在Pro/E中建立实体模型并导入ADAMS中，在Easy5中建立液压系统模型，利用各个软件的接口实现机－液耦合动力学仿真，这种建模方法对于类似的仿真分析具有参考意义。

(2)在阀门启闭时所造成的油液冲击及由传动系统中的间隙所造成的机械与液压系统的耦合作用对液压系统中的液压力、机械系统的动力学特性影响较大。可以考虑用延长阀门启闭时间、消除传动系统间隙的方法来消除塔架摆杆系统输出的力与速度波动。

【1】丁士明，曹金霞．国外航天发射场安全性问题研究［R］．总装备部科技信息研究中心，2005(8):13－30．

【2】魏继友．航天发射塔设计［M］．北京:国防工业出版社，2007．

【3】徐克俊，金星，郑永煌．航天发射场可靠性安全性与分析技术［M］．北京:国防工业出版社，2006．

【4】康凤举．现代仿真技术与应用［M］．北京:国防工业出版社，2001．

【5】郭卫东．虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2005．

【6】郑建荣．ADAMS:虚拟样机技术入门与提高［M］．北京:机械工业出版社，2002．

【7】黎文济．航空液压油应用［M］．北京:中国石化出版社，1995:68．

【8】雷天觉．液压工程手册［M］．北京:机械工业出版社，1990．

【9】张利平．液压传动系统及设计［M］．北京:化学工业出版社，2005．

【10】伍建雄，焦志伟，伍先安．基于ADAMS的二板式注塑机合模装置机械液压耦合仿真［J］．机床与液压，2011，39(19):111－112．