基于協(xié)同仿真的推彈機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真研究

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

引言

輸彈系統(tǒng)的主要作用是將輸彈線上的彈丸快速可靠地輸送到炮膛中。某自行火炮上的輸彈機(jī)構(gòu)為開式的電控液壓驅(qū)動(dòng)鏈條，是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的機(jī)電液耦合的系統(tǒng)，目前單個(gè)領(lǐng)域的仿真不能準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)實(shí)際的動(dòng)力學(xué)特性[1]。本研究利用多體力學(xué)仿真軟件RecurDyn、液壓系統(tǒng)仿真軟件AMESim和通用仿真軟件MATLAB/Simulink進(jìn)行多領(lǐng)域系統(tǒng)的協(xié)同仿真，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了輸彈過程動(dòng)力特性的分析。

1　機(jī)械模型的建立

1.1　基本機(jī)構(gòu)和原理[2]

該推彈機(jī)構(gòu)是由齒輪箱體、鏈盒、鏈條、測(cè)速裝置等組成的，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。推彈機(jī)由電氣系統(tǒng)控制，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，鏈輪帶動(dòng)鏈條將彈丸快速入膛，彈丸的卡膛速度在3 m/s以上時(shí)就能保證卡膛閉氣。在推彈過程中，鏈條伸出2.2 m左右時(shí)，末位行程開關(guān)起作用，鏈條迅速回收到位，液壓馬達(dá)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1　往復(fù)推送式推彈鏈

1.2　機(jī)械系統(tǒng)模型的建立

在SolidWorks中建立好推彈機(jī)構(gòu)的三維模型后，將其用.X_T格式導(dǎo)入RecurDyn中，然后根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行約束和接觸的添加。

如圖2所示為輸彈機(jī)構(gòu)的拓?fù)鋱D，根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系為部件添加如下約束：H1、H2、H8為固定鉸；H3為旋轉(zhuǎn)鉸；H4、H5、H6、H7為非完整約束，模型中通過定義碰撞鉸來進(jìn)行非完整約束的定義。最終建立好的推彈機(jī)機(jī)械模型如圖3所示。

圖2　推彈機(jī)構(gòu)拓?fù)鋱D

圖3　輸彈機(jī)構(gòu)機(jī)械模型

2　液壓及控制系統(tǒng)模型的建立

2.1　推彈過程的液壓傳動(dòng)原理

如圖4為輸彈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，在輸彈過程中，直流電機(jī)帶動(dòng)雙聯(lián)泵為輸彈機(jī)構(gòu)提供液壓動(dòng)力，控制機(jī)構(gòu)由控制壓力、流量和流動(dòng)方向的液壓閥組組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為帶動(dòng)輸彈鏈輪運(yùn)轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)。

圖4　輸彈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[2]

2.2　液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[3]

1) 液壓馬達(dá)的輸入、輸出計(jì)算

液壓馬達(dá)輸入量為液體的流量q(m3/s)和工作壓力p(N/m2)，其輸出量為角速度ω(rad/s)和軸上轉(zhuǎn)矩T(N·m)，忽略能量轉(zhuǎn)換過程中的損失，則液壓馬達(dá)的輸入、輸出理論功率相等，即wTt=qtp=2πnTt=nVp，故馬達(dá)輸出的理論轉(zhuǎn)矩Tt為：

Tt=pV/(2π)

(1)

實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩為：

Tm=Ttηm

(2)

若不考慮泵、管路和液壓馬達(dá)的泄漏，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為：

(3)

式中：VP為泵的排量，VM為液壓馬達(dá)的排量，nP為泵的轉(zhuǎn)速。

2) 電磁換向閥數(shù)學(xué)模型

電磁換向閥是輸彈機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)中關(guān)鍵的控制元件，利用其閥體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來控制閥口的通斷從而控制液壓回路的方向。

電磁換向閥通電時(shí)閥芯運(yùn)動(dòng)方程為：

(4)

式中：Fe為加給閥芯的外力即電磁力；m、x為閥芯質(zhì)量和位移；BV、Bf為瞬態(tài)液動(dòng)力系數(shù)和黏性阻尼系數(shù)；KS、KV為對(duì)中彈簧剛度和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力系數(shù)；Rm為庫侖摩擦力。

電磁閥換向過程中的流量方程可以表示為：

(5)

式中：q為流經(jīng)電磁閥的流量；Cd、A為閥口流量系數(shù)及閥口面積；ρ為液體密度；p1、p2為電磁閥進(jìn)出口液體壓力；C為電磁閥綜合流量系數(shù)。

2.3　輸彈機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)建模

根據(jù)輸彈機(jī)構(gòu)液壓傳動(dòng)原理及其數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用AMESim仿真軟件建立的輸彈機(jī)構(gòu)液壓模型如圖5所示。

圖5　輸彈機(jī)構(gòu)液壓仿真模型

其中：直流電機(jī)的額定電壓56 V，額定功率4 kW，額定轉(zhuǎn)速3000 r/min，空載電流不大于30 A；雙聯(lián)泵大泵排量16 mL/r，小泵排量10 mL/r，柱塞馬達(dá)每轉(zhuǎn)10 mL/r；敞開式油箱容積45 L；系統(tǒng)工作壓力10 MPa，安全閥壓力12.5 MPa[2]。

輸彈機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)作取決于2個(gè)電磁閥的先后工作狀態(tài)，2個(gè)電磁閥都是二位四通閥。輸彈時(shí)，1#電磁閥通電，2#電磁閥斷電，大、小泵泵出的液壓油經(jīng)過油濾后，經(jīng)過1#電磁閥進(jìn)入液壓馬達(dá)，再經(jīng)過2#電磁閥、集流盤和回油管路回油箱，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)工作，完成輸彈動(dòng)作。

3　系統(tǒng)聯(lián)合仿真及驗(yàn)證

AMESim、Simulink與RecurDyn之間具有很好的軟件接口，如圖6、圖7所示。本研究以Simulink為主平臺(tái)，在Simulink中創(chuàng)建與AMESim和RecurDyn的接口模塊，連接成完整的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，但仿真時(shí)各個(gè)軟件用各自的求解器求解[4]。設(shè)置仿真時(shí)間為1.1 s，步長(zhǎng)為0.005 s，以MATLAB為主平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)合仿真。

圖6　聯(lián)合仿真框圖

圖7　協(xié)同仿真模型

本研究針對(duì)輸彈機(jī)構(gòu)在不同擺角下輸彈行程時(shí)間的仿真值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性來評(píng)價(jià)仿真模型的可信度[5]。從表1中可以看出，在三種擺角條件下仿真值均落于實(shí)驗(yàn)值的區(qū)間之內(nèi)，說明仿真模型的計(jì)算結(jié)果是可信的。

表1　實(shí)驗(yàn)值與仿真值的數(shù)據(jù)對(duì)比

4　輸彈機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性分析

4.1　機(jī)械模型的動(dòng)力學(xué)特性

圖8中分別為鏈條的運(yùn)動(dòng)行程、速度及加速度特性曲線，從圖8中可以看出：

在鏈條位移連續(xù)增加的同時(shí)，鏈條經(jīng)歷了加速勻速到減速停止的過程，鏈條的速度與加速度曲線是上下波動(dòng)的，并且鏈頭推彈的速度不等同于鏈輪的切向速度，這說明鏈條的運(yùn)動(dòng)是不穩(wěn)定的,這種不穩(wěn)定性是由于鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)造成的[6]，當(dāng)主動(dòng)鏈輪以平穩(wěn)的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，節(jié)圓和節(jié)線的多邊形不重合，導(dǎo)致從動(dòng)的滾子帶動(dòng)鏈條的速度及加速度均不是平穩(wěn)變化的。

圖8　動(dòng)力學(xué)特性曲線

4.2　液壓模型的動(dòng)力學(xué)特性分析

圖9為輸彈機(jī)構(gòu)液壓馬達(dá)的入口壓力和轉(zhuǎn)速曲線，從圖9中可以看出，輸彈行程開始時(shí)， 油源電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，大小油泵同時(shí)工作，馬達(dá)入口壓力迅速上升至額定壓力之上，帶動(dòng)鏈輪加速運(yùn)行，到約0.2 s時(shí)入口壓力穩(wěn)定在額定壓力范圍內(nèi)，而馬達(dá)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，在0.6 s 時(shí)趨于穩(wěn)定，注意到的是馬達(dá)入口壓力和馬達(dá)轉(zhuǎn)速都不是平穩(wěn)變化的，這是因?yàn)殒渹鲃?dòng)的多邊形效應(yīng)和嚙合產(chǎn)生的沖擊載荷造成的。當(dāng)鏈條輸彈到位時(shí)，約1 s左右液壓馬達(dá)反向，馬達(dá)入口壓力和馬達(dá)轉(zhuǎn)速迅速下降，在1.1 s時(shí)都趨于停止。

在鏈條位移連續(xù)增加的同時(shí)，鏈條經(jīng)歷了加速勻速到減速停止的過程，鏈條的速度與加速度曲線是上下波動(dòng)的， 并且鏈頭推彈的速度不等同于鏈輪的切向

圖9　液壓特性曲線

速度，這說明鏈條的運(yùn)動(dòng)是不穩(wěn)定的,這種不穩(wěn)定性是由于鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)造成的[6]，當(dāng)主動(dòng)鏈輪以平穩(wěn)的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，節(jié)圓和節(jié)線的多邊形不重合，導(dǎo)致從動(dòng)的滾子帶動(dòng)鏈條的速度及加速度均不是平穩(wěn)變化的。

5　結(jié)論

本研究以輸彈機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，分別建立了其機(jī)械模型、液壓與控制模型，通過對(duì)AMESim、Simulink與RecurDyn軟件接口技術(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)行了輸彈機(jī)構(gòu)機(jī)電液耦合的協(xié)同仿真并通過驗(yàn)證得到了其動(dòng)力學(xué)特性，為復(fù)雜機(jī)電液一體化系統(tǒng)的仿真分析提供了一種便捷實(shí)用的協(xié)同仿真方案。

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