自動供輸彈系統(tǒng)機電液一體化建模與仿真研究

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(1.軍械工程學院， 河北 石家莊　050003； 2. 軍械技術(shù)研究所， 河北 石家莊　050003)

引言

自動供輸彈系統(tǒng)是集機電液為一體的自動化程度較高的復雜系統(tǒng)，該系統(tǒng)在自行火炮中扮演著極為重要的角色，它能快速自動的實現(xiàn)彈藥的自動選擇和裝填，可以為戰(zhàn)場環(huán)境節(jié)約大量的人力物力和戰(zhàn)斗時間。該系統(tǒng)自裝備部隊以來，為進一步提高系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性，國內(nèi)外的專家學者對系統(tǒng)開展了大量的研究，取得了豐碩的成果，然而，在這些研究成果中，大部分是針對自動供輸彈系統(tǒng)中的某一個子系統(tǒng)進行的分析和研究，在對整個自動供輸彈系統(tǒng)機電液一體化仿真研究方面幾乎還是一片空白[1-4]。因此，對整機一體化系統(tǒng)進行仿真研究對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計和深入研究已經(jīng)成為一種迫切需求。

對自動供輸彈系統(tǒng)進行一體化仿真研究涉及到機械、控制、電子和液壓等多學科領(lǐng)域，傳統(tǒng)的物理樣機研究模式存在周期較長、成本較高且修改不易等困難，而利用虛擬樣機技術(shù)則能夠較好的克服這些困難[5-7]，本研究擬對自動供輸彈系統(tǒng)虛擬樣機技術(shù)進行研究，將自動供輸彈系統(tǒng)的機械、控制和液壓子系統(tǒng)分開來建模，利用三種軟件Pro/E、RecurDyn、MATLAB等建立了自動供輸彈系統(tǒng)相應子系統(tǒng)的參數(shù)化模塊模型，建立了基于多種平臺的虛擬樣機模型，并在此基礎上進行了系統(tǒng)的機電液一體化聯(lián)合仿真研究。

1　機電液一體化建模方法

自動供輸彈系統(tǒng)機械子系統(tǒng)仿真模型的建立需要依賴兩種軟件Pro/E和RecurDyn。首先，在Pro/E軟件中建立起帶有質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量的自動供輸彈系統(tǒng)各子機構(gòu)的三維模型，將模型裝配完成后經(jīng)簡化處理導入多體仿真軟件RecurDyn中，利用RecurDyn軟件中相應的約束庫和載荷庫建立起自動供輸彈系統(tǒng)的動力學仿真模型。

RecurDyn軟件的主要優(yōu)點是能夠進行機械系統(tǒng)的動力學仿真分析，而對于像供輸彈系統(tǒng)這樣較為復雜的機電液一體化系統(tǒng)，僅僅依靠RecurDyn軟件是遠遠不夠的，但是RecurDyn軟件提供了與很多優(yōu)秀的控制軟件的接口功能，利用這些功能可以對復雜的機電液一體化系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真測試。本研究利用MATLAB軟件的Simulink模塊建立了自動供輸彈系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)模型和控制策略模塊。由于供輸彈系統(tǒng)的液壓和控制子系統(tǒng)很難分開來建模，要想利用RecurDyn軟件的Hydraulic和Control工具箱對系統(tǒng)進行精確的控制比較困難，所以利用Simulink軟件包的模塊化建模方法，對系統(tǒng)的控制策略和液壓子系統(tǒng)及元件建立模塊化模型，然后利用RecurDyn軟件之間的接口實現(xiàn)機電液系統(tǒng)之間的互聯(lián)互調(diào)。

2　機械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)之間交互參數(shù)設置

對自動供輸彈系統(tǒng)虛擬樣機進行仿真研究需要將在不同軟件中協(xié)同工作生成的不同類型的數(shù)據(jù)和模型集成為有機關(guān)聯(lián)的整體，而模型之間的集成需要數(shù)據(jù)的傳輸和參數(shù)的關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)，而自動供輸彈系統(tǒng)工作過程中的主要動力是由液壓系統(tǒng)提供的，因此兩者之間有著極為密切的聯(lián)系。根據(jù)機械動力學原理，自動供輸彈系統(tǒng)的機械子系統(tǒng)受到液壓系統(tǒng)輸出力和外界負載的共同作用，在相關(guān)約束作用下，輸出各種運動學參數(shù)，如圖1所示。

圖1　自動供輸彈機械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)之間的交互關(guān)系

圖1中A、B代表的是機構(gòu)直線運動的速度和位移，v、e代表機構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動時邊界點處的切向線速度和角位移，液壓缸輸出壓力為F=A1p1-A2p2-f，其中A1為液壓缸無桿腔活塞的面積，A2為液壓缸有桿腔活塞面積，p1為液壓缸無桿腔壓力，p2為液壓缸有桿腔壓力，f表示活塞桿運動過程的壓力損失。

馬達輸出轉(zhuǎn)矩為T=VΔp/2π，式中V為馬達排量，Δp為馬達輸入口和輸出口之間的壓力差。

如此可以使自動供輸彈系統(tǒng)中的機械部件產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動和直線運動。

從圖1中也可以看出，機械系統(tǒng)也反作用于外界負載和液壓系統(tǒng)。供輸彈系統(tǒng)的機械子系統(tǒng)模型對負載的影響主要是彈丸或藥筒在整個供輸彈過程中位置的變化引起的。供輸彈機構(gòu)在供彈和輸彈過程中各機構(gòu)輸出的位移、速度、角速度和角位移等參數(shù)對液壓系統(tǒng)模型的影響主要集中在馬達流量和液壓缸壓力上。

圖2　液壓缸原理圖

在虛擬樣機環(huán)境中將自動供輸彈系統(tǒng)的機械和液壓系統(tǒng)有機的整合實質(zhì)上就是上述狀態(tài)參數(shù)之間的相互傳遞，使得兩個系統(tǒng)之間實現(xiàn)有機的關(guān)聯(lián)，自動供輸彈系統(tǒng)模型中力和力矩的大小引用液壓系統(tǒng)模型中的液壓力及力矩輸出，而在液壓系統(tǒng)模型的各元器件流量和壓力方程中也引用機械系統(tǒng)中各點的速度和位移函數(shù)。

3　MATLAB仿真模型的建立

RecurDyn軟件中包含的Controls模塊能夠提供與MATLAB之間的標準接口，在接口對話框中可以方便的設置輸入輸出變量，每一個輸入輸出變量都可以在RecurDyn中定義成相應的狀態(tài)變量，使供輸彈機械系統(tǒng)的運動方程與液壓系統(tǒng)的驅(qū)動作用關(guān)聯(lián)起來，而供輸彈機械系統(tǒng)中與液壓驅(qū)動緊密相連的部件主要有協(xié)調(diào)器和輸彈機兩大部分，根據(jù)液壓-控制驅(qū)動原理，可以對協(xié)調(diào)器及輸彈機剛體動力學進行如下分析。

根據(jù)協(xié)調(diào)器工作原理，協(xié)調(diào)器屬于單自由度系統(tǒng)，其動力學方程可以表示為：

Q=2Tdi1η1η2η3-TR+TG

(1)

式中，Td表示電機的驅(qū)動力矩；i1、i2、i3分別表示總的傳動比，齒輪2、3到蝸輪的傳動比和渦輪蝸桿的傳動比；η1、η2、η3分別表示傳動效率；I01、I23、I45、I6分別表示電動機和齒輪1，齒輪2和齒輪3，齒輪4和蝸桿，以及蝸輪、彈丸和支臂的轉(zhuǎn)動慣量；TR為平衡機對支臂轉(zhuǎn)軸的作用力矩；TG為重力矩。

根據(jù)剛體動力學原理，容易得出輸彈機系統(tǒng)各構(gòu)件轉(zhuǎn)動慣量Je及等效力矩Me的表達式分別為：

(2)

(3)

式中：vsj為第j個構(gòu)件的質(zhì)心速度；Jj為第j個構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣量；ωj為第j個構(gòu)件的角速度；ω為等效構(gòu)件的角速度；n為活動構(gòu)件總數(shù)；Je為等效轉(zhuǎn)動慣量；φ為轉(zhuǎn)角；Me為等效力矩，Me=Md-Mr；Md為驅(qū)動力矩，Mr為阻力矩。

而液壓驅(qū)動系統(tǒng)油缸壓力:

(4)

式中，p0和S分別表示為蓄能器初壓和油缸活塞面積；V0為氣體初始容積。

液壓缸的流量q和活塞位移y之間的關(guān)系為：

(5)

式中，Vt表示從滑閥出口到液壓缸活塞的兩腔總體積；βe表示油液有效體積彈性模數(shù)；Ke表示滑閥的流量壓力系數(shù)；m為負載質(zhì)量；A為油壓缸工作面積。

在MATLAB中打開生成的M文件，在其中設置和添加液壓控制系統(tǒng)模型，如圖3所示，U為輸入變量，Y為輸出變量，t為時間變量。

圖3　接口參數(shù)設置

自動供輸彈系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)模型按照實際系統(tǒng)功能可以分成幾個模塊，其中各種控制系統(tǒng)是作為一些與液壓系統(tǒng)互相關(guān)聯(lián)的模塊嵌套其中，在M文件中添加已經(jīng)建立好的液壓控制系統(tǒng)模塊后如圖4所示。圖中的聯(lián)合仿真模型主要由4大模塊組成，包括協(xié)調(diào)回路模塊、輸彈回路模塊、擺彈回路模塊和液壓馬達回路模塊。各回路模塊的工作原理基本相同，以液壓馬達回路模塊為例來進行說明，將液壓馬達回路的閥芯位移作為輸入，經(jīng)由液壓馬達回路控制系統(tǒng)模塊后，得出液壓缸輸出力和輸出力矩，其中輸出力矩由顯示器1顯示，輸出力通過與RecurDyn接口模塊聯(lián)接進行仿真后得出液壓馬達的轉(zhuǎn)速，而馬達的轉(zhuǎn)速通過反饋調(diào)節(jié)的方式反作用于回路模塊， 于是形成一個閉合的聯(lián)合仿真控制回路。

4　機電液一體化模型驗證

為了確定一體化模型具有較高的精度，本研究采用實驗值與仿真值對比校核的方法對聯(lián)合仿真模型進行驗證。所采用的實驗條件和工況為：整個供輸彈系統(tǒng)在水平地面上處于靜止狀態(tài)，火炮射角為30°，供彈機上只安放一發(fā)彈丸用于試驗，彈丸為標準彈重，在彈筒內(nèi)處于水平靜止狀態(tài)。對系統(tǒng)進行實驗測試得出相關(guān)測試結(jié)果。在同等條件下對一體化聯(lián)合仿真模型進行仿真分析，將所得的供彈機供彈階段、協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)和擺彈階段及輸彈機輸彈階段彈丸的位移及速度仿真結(jié)果與實驗測試數(shù)據(jù)進行對比所得曲線如表1-3所示，從自動供輸彈系統(tǒng)三個關(guān)鍵階段的仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比來看，兩者比較吻合，證明所建立的機電液一體化虛擬樣機模型具有較高的可信度，可用于進行更深入的仿真研究。

圖4　聯(lián)合仿真模型

項目彈丸速度最大值/m·s-1彈丸速度最小值/m·s-1彈丸速度平均值/m·s-1實測值0.2270.1220.187仿真值0.2250.1250.182

表2　協(xié)調(diào)階段彈丸速度實測值與仿真值對比

表3　輸彈階段彈丸速度實測值與仿真值對比

5　結(jié)論

本研究利用RecurDyn軟件和MATLAB軟件建立了自動供輸彈系統(tǒng)的機電液一體化聯(lián)合仿真模型，并利用實驗數(shù)據(jù)驗證了仿真模型的正確性，通過對比發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合仿真模型仿真結(jié)果較以往的單個機械子系統(tǒng)虛擬樣機模型仿真結(jié)果具有更高的精度。聯(lián)合仿真模型的建立方法為后期大型復雜的機電液一體化系統(tǒng)仿真研究提供了一定的方法支撐，所建立的聯(lián)合仿真模型為供輸彈系統(tǒng)的優(yōu)化設計及勤務保障提供了一定參考。

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