油氣懸架導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)起豎過(guò)程動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

姚琳，馬大為，何強(qiáng)，王澤林

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

0 前言

探究不同支撐發(fā)射方式對(duì)現(xiàn)代武器的研究具有重要的意義。文中采用聯(lián)合仿真的方法研究了某油氣懸架發(fā)射車(chē)在全輪支撐狀態(tài)下導(dǎo)彈起豎時(shí)的整車(chē)動(dòng)力學(xué)特性。由于導(dǎo)彈起豎時(shí)需要較大的油缸行程，采用了在缸體初始長(zhǎng)度相同的條件下具有更大行程的多級(jí)液壓缸［1］。多級(jí)液壓缸在換級(jí)過(guò)程中由于缸體碰撞會(huì)產(chǎn)生較大的換級(jí)沖擊，引起系統(tǒng)的振動(dòng)［2］。此外，隨著起豎過(guò)程的進(jìn)行，整車(chē)重心逐漸后移，后軸懸架壓縮量變大，前軸懸架壓縮量減小，車(chē)體產(chǎn)生了俯仰姿態(tài)角，俯仰姿態(tài)角過(guò)大會(huì)嚴(yán)重威脅發(fā)射安全性。文中建立了ADAMS發(fā)射車(chē)的虛擬樣機(jī)模型，AMESim油氣懸架系統(tǒng)模型和四級(jí)起豎液壓缸模型，在Simulink中設(shè)計(jì)了起豎模型的控制策略，并以Simulink為平臺(tái)，通過(guò)各軟件的聯(lián)合仿真接口實(shí)現(xiàn)了對(duì)某油氣懸架發(fā)射車(chē)在全輪支撐狀態(tài)下導(dǎo)彈起豎時(shí)的整車(chē)動(dòng)力學(xué)特性的聯(lián)合仿真研究。

1 全輪支撐導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)起豎仿真模型的建立

1.1 全輪支撐導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)起豎結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

公路機(jī)動(dòng)式導(dǎo)彈由行軍狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼?zhàn)斗狀態(tài)，即導(dǎo)彈由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直狀態(tài)的過(guò)程是依賴發(fā)射車(chē)完成的。全輪支撐狀態(tài)下的導(dǎo)彈起豎系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 全輪支撐狀態(tài)下導(dǎo)彈起豎系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

根據(jù)導(dǎo)彈起豎系統(tǒng)圖，在ADAMS中建立了虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。模型中，四級(jí)油缸的依次伸出是通過(guò)速度驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，油氣懸架通過(guò)相互作用力實(shí)現(xiàn)的，速度驅(qū)動(dòng)和相互作用力的值通過(guò)定義狀態(tài)變量從AMESim中獲得;輪胎的彈性力和阻尼力以Spline函數(shù)的形式定義。

1.2 四級(jí)起豎系統(tǒng)建模

研究的發(fā)射車(chē)采用四級(jí)液壓起豎系統(tǒng)，四級(jí)液壓缸的伸縮順序?yàn)?伸出時(shí)，直徑最大的第一級(jí)首先伸出，直徑最小的第四級(jí)最后伸出;回縮時(shí)，直徑最小的第四級(jí)首先回縮，直徑最大的第一級(jí)最后縮回。多級(jí)液壓缸結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 多級(jí)起豎油缸結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)各級(jí)液壓缸的活塞直徑分別為 D1、D2、D3、D4，活塞桿直徑分別為d1、d2、d3、d4，正反腔壓力分別為p1、p2，f為第一級(jí)與第二級(jí)的接觸力，F(xiàn)為載荷?，F(xiàn)對(duì)一、二兩級(jí)進(jìn)行受力分析。由受力平衡關(guān)系，可得:

活塞的伸縮順序是由各活塞的面積關(guān)系決定的，且二級(jí)液壓缸絕對(duì)依次伸縮的條件為［4］:

可以得出多級(jí)液壓缸絕對(duì)依次伸出的條件為:

四級(jí)液壓缸模型參數(shù)如表1所示。能夠驗(yàn)證，四級(jí)液壓缸模型參數(shù)滿足多級(jí)液壓缸絕對(duì)依次伸出的條件。

表1 四級(jí)液壓缸模型參數(shù) mm

根據(jù)多級(jí)起豎油缸的結(jié)構(gòu)示意圖，采用單級(jí)缸級(jí)聯(lián)的方法，在AMESim中搭建了如圖所示的四級(jí)液壓缸仿真模型，如圖3所示。這種模型可以對(duì)每一級(jí)油缸的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真，模型中采用的線性彈簧和阻尼子模塊用來(lái)模擬油缸的換級(jí)碰撞;模型中采用的動(dòng)態(tài)容積模塊用來(lái)模擬液壓缸的動(dòng)態(tài)容積效應(yīng)。模型中溢流閥壓力為15 MPa，液壓泵流量為120 L/min。

圖3 四級(jí)液壓缸仿真模型

1.3 油氣懸架系統(tǒng)仿真模型建立

目前車(chē)輛上常采用的油氣懸架系統(tǒng)有獨(dú)立式和連通式兩種。獨(dú)立式油氣懸架前后兩缸互不連通，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)車(chē)身高度的自由調(diào)整;連通式油氣懸架通過(guò)油管使各油室相連通，利用油液傳遞壓力，不僅具有獨(dú)立式的優(yōu)點(diǎn)，而且當(dāng)車(chē)身前后載荷差距較大時(shí)，可以較好地分配各軸載荷，使整車(chē)保持平衡狀態(tài)［5-6］。

圖4 2軸連通式油氣懸架物理模型

忽略系統(tǒng)的摩擦力，則活塞桿組件的輸出力Ff和Fr可以表示為:

式中:A1為A腔、壓力;pC為C腔中的瞬時(shí)壓力;pE為E腔瞬時(shí)壓力;pG為G腔瞬時(shí)壓力;D為懸架缸C腔 (G腔)內(nèi)徑;d為活塞桿直徑。

油液運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生沿程壓力損失和局部壓力損失，則C腔室壓力和蓄能器6之間損失壓力關(guān)系為:

式中:ρ為油液密度;lh1為前懸架缸C腔到蓄能器6油管沿程阻力系數(shù)。

根據(jù)短孔節(jié)流理論流量和壓力關(guān)系，則B腔和A腔之間的壓力關(guān)系可以表示為:

式中:Cd1為阻尼孔的流量系數(shù);A01為阻尼孔截面積;Cd2為單向閥的流量系數(shù);A02為單向閥的有效過(guò)流面積。

根據(jù)物理模型，在AMESim中搭建了連通式油氣懸架系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。獨(dú)立式懸架系統(tǒng)只需在連通式的基礎(chǔ)上刪除前后的連通油管即可。油氣懸架參數(shù)見(jiàn)表2。

圖5 連通式油氣懸架系統(tǒng)

表2 油氣懸架參數(shù)

1.4 起豎系統(tǒng)控制策略

多級(jí)液壓缸在啟動(dòng)、換級(jí)、停止的過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，引起系統(tǒng)的振動(dòng)，對(duì)發(fā)射安全性造成威脅。因此，在系統(tǒng)啟動(dòng)、換級(jí)、停止的過(guò)程中應(yīng)對(duì)進(jìn)入多級(jí)液壓缸的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以盡量減小沖擊。在Simulink中搭建了如圖6所示的流量控制策略，通過(guò)調(diào)節(jié)電磁閥的輸入電流來(lái)調(diào)節(jié)電磁閥的開(kāi)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)流量。為了首先計(jì)算靜平衡狀態(tài)，在控制策略中加入了延時(shí)模塊。

圖6 電磁閥輸入電流

2 聯(lián)合仿真模型的建立

在專用液壓仿真平臺(tái)AMESim中建立了導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)的四級(jí)液壓起豎系統(tǒng)模型和油氣懸架系統(tǒng)模型，并通過(guò)聯(lián)合仿真接口以S函數(shù)形式嵌入到Simulink中。在虛擬樣機(jī)模型中將前、后軸的油缸位移，油氣懸架油缸輸出力，四級(jí)起豎缸的速度驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)彈起豎角定義為狀態(tài)變量，通過(guò)聯(lián)合仿真接口以子模塊形式添加到Simulink中，在Simulink中建立了流量控制策略，并以Simulink為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合仿真研究，如圖7所示。

圖7 聯(lián)合仿真平臺(tái)

3 仿真結(jié)果分析

設(shè)定仿真時(shí)間為120 s，數(shù)據(jù)交換間隔為0.01 s。三位四通電磁閥的通電電流如圖8所示?？梢钥闯?，在起豎的起始階段，流入液壓缸的流量逐漸變大;在液壓缸換級(jí)時(shí)，三位四通閥的通電電流先減小后增大，所以進(jìn)入起豎系統(tǒng)的流量在換級(jí)前先降低，換級(jí)后再增大;起豎接近完成時(shí)，流量逐漸減小為0。這樣可以有效地降低換級(jí)沖擊。

圖8 電磁閥的通電電流

圖9 所示為四級(jí)液壓缸的伸出過(guò)程。從圖中可以看出，各級(jí)液壓缸的伸出次序?yàn)橹睆阶畲蟮牡谝患?jí)缸首先伸出，直徑最小的第四級(jí)液壓缸最后伸出，其伸出順序符合實(shí)際情況。說(shuō)明在AMESim中建立的多級(jí)起豎模型是正確的。

圖9 四級(jí)起豎液壓缸行程

圖10 所示為導(dǎo)彈起豎時(shí)，液壓缸在起豎臂前支點(diǎn)處施加的垂直于起豎臂的法向力。從圖中可以看出，隨著起豎過(guò)程的進(jìn)行，液壓缸在起豎臂前支點(diǎn)處施加的垂直于起豎臂的法向力總體上是減小的，而且，大約在100 s的時(shí)候，法向力由正值變?yōu)樨?fù)值。說(shuō)明在此時(shí)油缸對(duì)起豎臂的作用力由推力變?yōu)榱死Α膱D10中還可以看出，在啟動(dòng)、換級(jí)和停止時(shí)，法向力有較大變化，進(jìn)而會(huì)引起發(fā)射系統(tǒng)的振動(dòng)。

圖10 液壓缸施加的垂直于起豎臂的法向力

圖11 、12所示為導(dǎo)彈起豎時(shí)，獨(dú)立式與連通式油氣懸架的位移變化曲線。

圖11 獨(dú)立式油氣懸架的位移變化曲線

圖12 連通式油氣懸架的位移變化曲線

從圖11、12中可以看出，在仿真的前4 s內(nèi)，整車(chē)由于重力作用而下降，前、后軸油氣懸架都被壓縮，但由于導(dǎo)彈在水平狀態(tài)時(shí)，整車(chē)的中心較為靠前，導(dǎo)致前軸的壓縮量要比后軸的大一些;隨著起豎過(guò)程的進(jìn)行，整車(chē)重心逐漸后移，前軸的懸架位移逐漸降低，而后軸的懸架位移逐漸增大。從圖11中可以明顯的看出在起豎前，獨(dú)立式油氣懸架的前軸油缸位移明顯要大于后軸油缸位移，導(dǎo)彈起豎完成后，后軸的油缸位移明顯大于前軸油缸位移。在這種情況下，車(chē)體會(huì)出現(xiàn)較大的俯仰姿態(tài)角，這會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)射安全性，設(shè)置導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)失敗。從圖12中可以看出，起豎前后前、后兩軸的懸架位移差距不大，車(chē)體俯仰姿態(tài)角很小，車(chē)體基本保持水平狀態(tài)。這是因?yàn)檫B通式油氣懸架通過(guò)油管使各油室相連通，利用油液傳遞壓力，可以較好地分配各軸載荷。

5 結(jié)論

采用聯(lián)合仿真的方法研究了某油氣懸架發(fā)射車(chē)在全輪支撐狀態(tài)下導(dǎo)彈起豎時(shí)的整車(chē)動(dòng)力學(xué)特性。利用ADAMS建立了全輪支撐狀態(tài)下油氣懸架導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)的導(dǎo)彈起豎虛擬樣機(jī)模型，在AMESim中分別搭建了四級(jí)液壓起豎系統(tǒng)模型和獨(dú)立式、連通式油氣懸架系統(tǒng)模型，Simulink中搭建了用于減輕起豎時(shí)沖擊的電磁閥開(kāi)度控制策略，通過(guò)聯(lián)合仿真接口實(shí)現(xiàn)了ADAMS/Simulink/AMESim的聯(lián)合仿真分析，探究了全輪支撐狀態(tài)下油氣懸架導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)導(dǎo)彈起豎時(shí)的整車(chē)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，得到如下結(jié)論:

(1)起豎系統(tǒng)在啟動(dòng)、換級(jí)、停止時(shí)起豎系統(tǒng)施加給起豎臂的法向力存在較大的波動(dòng)，即會(huì)使發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。

(2)起豎系統(tǒng)施加給起豎臂的法向力在導(dǎo)彈起豎到一定角度時(shí)由正值變?yōu)樨?fù)值，說(shuō)明此時(shí)起豎油缸的作用力由推力變?yōu)榱死Α?/p>

(3)隨著導(dǎo)彈起豎角的變大，整車(chē)重心逐步向后移動(dòng)，后軸懸架的油缸位移逐漸增大，而前軸懸架的油缸位移逐漸減小。但連通式油氣懸架系統(tǒng)能夠更好的調(diào)節(jié)各軸的載荷，使得前后兩軸的油缸位移相差較小，整車(chē)基本處于水平狀態(tài)。

［1］黃先祥，高欽和，郭曉松.大型裝置起豎過(guò)程的動(dòng)力學(xué)建模研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2002，14(3):271-277.

［2］謝建，羅治軍，田桂，等.基于AMESim的多級(jí)液壓缸建模與仿真［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(7):126-129.

［3］CAO Dongpu，SUBHASH Rakheja，SU Chunyi.Roll and Pitch-plane Coupled Hydro-pneumatic Suspension.Prat 1:Feasibility Analisis and Suspension Properties［J］.Vehicle System Dynamics，2009:1-26.

［4］于貴文，臧克江，林晶.雙作用多級(jí)液壓缸的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，5(4):430-433.

［5］林國(guó)問(wèn)，馬大為，朱忠領(lǐng).基于多軸連通式油氣懸架的導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)振動(dòng)性能研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2013，32(12):144-148.

［6］王增全，申焱華，楊鈺.連通式油氣懸架數(shù)學(xué)模型及特性分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(5):60-64.

［7］謝建，羅治軍，田桂，等.基于AMESim的導(dǎo)彈起豎系統(tǒng)建模與仿真［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(7):126-129.

［8］KARNOPPD.Computer Simulation of Stick Slip Friction in Mechanical Dynamic Systems［J］.Journal of Dynamic Systems Measurement and Control，1985:100-103.

［9］姚曉光，郭曉松，馮永保.導(dǎo)彈起豎系統(tǒng)的仿真研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2007，28(1):23-27.