基于AMESim繩索式氣缸彈射特性研究

張建宇，袁 航，程 棟，魏建峰，隋九齡

(1. 中國船舶集團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實驗室，河南 鄭州450015)

0 引 言

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

繩索式氣缸作為彈射裝置，采用燃氣作為活塞運行的驅(qū)動力，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，同時改變了彈射負載的布置方向，通過柔性繩索與滑輪的配合，將氣缸與負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)射平臺的靈活、機動的作戰(zhàn)能力。

目前，國內(nèi)在彈射領(lǐng)域已經(jīng)對繩索式氣缸在設(shè)計及試驗等方面進行了研究。李盛等[4]對雙纜索式氣缸進行開發(fā)與研究，通過選用高強度纜索，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，以達到高速彈射的目的。李德庚等[5]對基于繩索式氣缸工作原理，建立了無人機彈射過程的動力學(xué)模型，對影響起飛關(guān)鍵參數(shù)進行了數(shù)值仿真計算和分析，最終通過試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了模型的準確性，對彈射裝置的研制設(shè)計提供了支撐。閆晴霄等[6]針對鋼絲繩氣缸式彈射裝置建立發(fā)射內(nèi)彈道計算模型，并對陸上發(fā)射及水下發(fā)射2種狀態(tài)進行簡單的計算分析，獲得了陸上及水下的發(fā)射內(nèi)彈道數(shù)。綜合上述研究，本文針對繩索式氣缸結(jié)構(gòu)參數(shù)對彈射特性的影響開展進一步分析。首先在AMESim環(huán)境下建立繩索式氣缸的仿真模型，再結(jié)合試驗數(shù)據(jù)對模型的準確性進行驗證，最后分析了氣缸的關(guān)鍵參數(shù)對彈射特性的影響規(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氣瓶，以減小彈射過程的背壓；若用于陸上彈射，氣缸尾端儲氣瓶可拆卸，在彈射過程中可將無繩腔的氣體及時排除，提高氣缸動力的利用率。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：高壓燃氣從氣缸的進氣口進入，活塞在燃氣壓力的作用下以一定的速度向前運行，同時通過繩索沿著滑輪組牽引推力滑塊前活塞的反方向運行，彈射負載在推力滑塊的推動下，以一定的速度向前運行，直至推力滑塊被緩沖塊阻擋住，彈射負載以一定速度離開裝置，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)實際樣機尺寸對其配置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真模型的參數(shù)如表1所示。在建模過程中進行以下幾點簡化：

1）將燃氣的詳細組分簡化為空氣，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)流動過程的變化及熱量損失；

3）忽略氣體溫度對缸內(nèi)壓力的影響。

為驗證模型的準確性，采用試驗測量值的氣壓作為氣缸仿真的輸入。圖3為試驗值與仿真值彈射速度對比曲線，其速度趨勢一致性較好，經(jīng)計算最大偏差為5.7%，因此該模型能夠準確預(yù)測裝置的彈射特性。

圖3 試驗與仿真計算對比Fig. 3 Comparison between experiment and simulation

3 彈射特性分析

在氣缸進氣口壓力及彈射負載相同的情況下，氣缸對負載的彈射特性（速度和加速度）主要受氣缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，針對繩索式氣缸的缸徑、初始容積、儲氣瓶容積、密封間隙4個關(guān)鍵參數(shù)的變化對彈射特性的影響規(guī)律展開了分析。

3.1 缸徑

由圖4可知，隨缸徑的增加，負載運行相同行程所需要的時間減少，彈射最大速度及加速度增大，但當缸徑增加至85 mm時，彈射速度出現(xiàn)拐點，同時儲氣瓶的背壓明顯增大。這是因為隨缸徑的增加，無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行接近至末端時壓力急速上升，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，彈射負載速度最大值及加速度最大值提前。這是因為進氣口輸入固定的壓力時，初始容積小，氣缸有繩腔的建壓速度快，同時由于容積小，壓力降低程度小，導(dǎo)致活塞的推力大，加速度大。但初始容積過小會導(dǎo)致燃氣的動力系統(tǒng)背壓較高，在氣缸設(shè)計時應(yīng)適當考慮。

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

3.3 儲氣瓶容積

由圖6可知，儲氣瓶的容積高于20 L之后，隨容積的增加，負載的速度和加速度有所增加，但幅度不大，達到相同的行程所用的時間接近。而當儲氣瓶容積15 L時，負載的速度在接近目標行程時有明顯的拐點，在拐點的位置，儲氣瓶的壓力明顯上升。這是因為儲氣瓶容積的高于20 L之后，無繩腔的氣體體積變化率小，而在15 L時，無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行接近至末端時壓力急速上升，從而導(dǎo)致活塞加速度和速度減小。所以在氣缸設(shè)計時，要充分考慮儲氣瓶的容積效應(yīng)。

圖5 初始容積對彈射特性影響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，當密封間隙小于0.05 mm時，隨活塞密封間隙的減小，負載的速度有所增加，但幅度不大，達到相同的行程所用的時間接近。當密封間隙為0.1 mm時，活塞過的漏氣流量明顯增加，儲氣瓶的壓力在負載接近目標行程時明顯增加，負載的速度在接近目標行程時相比小間隙低。這是因為密封間隙大，驅(qū)動活塞前進氣口壓力通過間隙泄漏至無繩腔，從而降低了有繩腔的氣體壓力，同時增加了氣缸的背壓，導(dǎo)致活塞速度減小。所以在氣缸設(shè)計時，要充分考慮活塞密封的間隙與缸筒的匹配性。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)樣機結(jié)構(gòu)參數(shù)建立了繩索氣缸仿真模型，并通過試驗值對仿真模型進行標定，最大偏差為5.7%。最終通過仿真模型研究了繩索式氣缸的缸徑、初始容積、儲氣瓶容積、密封間隙4個關(guān)鍵參數(shù)的變化對負載彈射特性的影響規(guī)律，為氣缸的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

圖6 儲氣瓶容積對彈射特性影響Fig. 6 Influence of cylinder volume on ejection characteristics

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