高機(jī)動(dòng)雷達(dá)雙級(jí)液壓缸運(yùn)動(dòng)過程仿真分析

鄒玉蓉 李 智 劉浩亮 李 博 耿少航

(西安電子工程研究所 西安 710100 )

0 引言

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)地面高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性和陣地適應(yīng)性能力提出了越來越高的要求[1],液壓系統(tǒng)作為高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的核心部件之一,具有結(jié)構(gòu)緊湊和承載能力大等優(yōu)點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)大型天線迅速地架設(shè)與撤收,在高機(jī)動(dòng)雷達(dá)中得到了廣泛的應(yīng)用。

某高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)通過液壓系統(tǒng)雙級(jí)液壓缸實(shí)現(xiàn)天線垂直舉升,雙級(jí)液壓缸完全伸出時(shí)可將天線架設(shè)至13m高空,然而在天線架設(shè)過程中,往往伴有噪音和振動(dòng)等安全隱患?，F(xiàn)有研究表明,在多級(jí)液壓缸換級(jí)過程中由于壓力突變會(huì)引發(fā)振動(dòng)等現(xiàn)象,各行業(yè)學(xué)者對(duì)此現(xiàn)象展開了一系列的研究。王增全[2]等為了解決多級(jí)起豎液壓缸在發(fā)射架快速回收過程換級(jí)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊振動(dòng)這一問題,研制了液壓缸節(jié)流緩沖裝置,基于某型號(hào)多級(jí)起豎液壓缸建立機(jī)械液壓聯(lián)合仿真模型,通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了該仿真方法的正確性。謝建[3]等建立了雙級(jí)液壓缸起豎系統(tǒng)模型,并利用Simulink設(shè)計(jì)了控制策略對(duì)起豎系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真,從而有效地減弱了起豎系統(tǒng)的振動(dòng)。 彭國(guó)朋[4]等針對(duì)雷達(dá)天線塔架液壓升降系統(tǒng)的油缸抖動(dòng)現(xiàn)象,提出了一種新式液壓平衡回路對(duì)問題系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),試驗(yàn)和仿真結(jié)果表明該措施提高了液壓升降系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性,改善了雷達(dá)的架設(shè)和撤收性能。 鄧飆[5]等對(duì)伸縮缸換級(jí)過程的速度、加速度進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)了利用多項(xiàng)式插值的換級(jí)速度曲線,通過對(duì)舉升液壓回路AMESim模型的仿真分析和控制系統(tǒng)的仿真研究,從而實(shí)現(xiàn)大型液壓舉升系統(tǒng)的過程控制,且減小振動(dòng)沖擊。孫輝[6]等針對(duì)增壓系統(tǒng)工作時(shí)不能滿足性能穩(wěn)定的問題,設(shè)計(jì)出復(fù)合柱塞缸和非對(duì)稱液壓缸的單作用增壓系統(tǒng),以位移為控制量,外負(fù)載力為干擾量進(jìn)行模型分析,推導(dǎo)出系統(tǒng)總的傳遞函數(shù),隨后依據(jù)相關(guān)參數(shù)對(duì)增壓系統(tǒng)進(jìn)行Simulink仿真結(jié)果表明,增壓系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

綜上所述, 現(xiàn)階段各個(gè)領(lǐng)域的學(xué)者通過理論分析、仿真和試驗(yàn)等方法已經(jīng)對(duì)多級(jí)液壓缸緩沖、控制策略等問題進(jìn)行了一系列研究。本文借助AMEsim商業(yè)軟件,對(duì)某高機(jī)動(dòng)雷達(dá)液壓系統(tǒng)雙級(jí)缸運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真分析,提出某高機(jī)動(dòng)雷達(dá)液壓系統(tǒng)雙級(jí)液壓缸運(yùn)動(dòng)過程流量控制策略,能夠?yàn)楦邫C(jī)動(dòng)雷達(dá)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù),具有明確的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和工程意義。

1 液壓系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)原理

圖1所示的是某高機(jī)動(dòng)雷達(dá)液壓系統(tǒng)原理圖,該系統(tǒng)由液壓油源1、電機(jī)2、液壓泵3、換向閥4、平衡閥5、雙級(jí)液壓缸6和負(fù)載7組成。本文根據(jù)圖1所示的液壓系統(tǒng)原理圖,在AMEsim商業(yè)軟件中建立了如圖2所示的液壓系統(tǒng)仿真模型,為了提高計(jì)算效率,本文只取一條液壓缸進(jìn)行分析,同時(shí)將電機(jī)、液壓泵和液壓油源統(tǒng)一簡(jiǎn)化為理想流量源。

圖1 液壓系統(tǒng)原理

圖2 仿真模型原理圖

1.2 雙級(jí)液壓缸

雙級(jí)液壓缸的特點(diǎn)是工作行程可以很長(zhǎng)而完全收縮時(shí)很短。當(dāng)進(jìn)油時(shí),一級(jí)活塞首先運(yùn)動(dòng),一級(jí)活塞完全伸出時(shí)二級(jí)活塞運(yùn)動(dòng);縮回時(shí)則順序相反。如圖3所示,一級(jí)液壓缸作用面積滿足:

圖3 雙級(jí)液壓缸原理

(1)

二級(jí)液壓缸作用面積滿足:

(2)

由式(1)和式(2)可知,當(dāng)一級(jí)液壓缸完全伸出切換為二級(jí)液壓缸時(shí),活塞作用面積變小系統(tǒng)壓力增大,從而引發(fā)沖擊與振動(dòng)現(xiàn)象。

雙級(jí)液壓缸的參數(shù)如表1所示,除此之外,系統(tǒng)負(fù)載的質(zhì)量保持2000kg不變;活塞桿伸出過程中系統(tǒng)流量保持12L/min,活塞桿縮回過程中系統(tǒng)流量保持6L/min。

表1 雙級(jí)液壓缸參數(shù)

2 分析與討論

2.1 結(jié)果分析

對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真,圖4所示的是一級(jí)活塞和二級(jí)活塞位移變化情況。如圖4所示,在0～200s過程中,一級(jí)活塞桿和二級(jí)活塞桿同時(shí)伸出,第200s時(shí)一級(jí)液壓缸完全伸出;隨后二級(jí)活塞桿相對(duì)一級(jí)液壓缸伸出,由于二級(jí)液壓缸橫截面積減小而流量不變,因此二級(jí)活塞桿伸出速度增大;290s時(shí)二級(jí)活塞桿完全伸出。310s時(shí)三位四通換向閥換向,雙級(jí)液壓缸縮回, 475s時(shí)一級(jí)活塞桿和二級(jí)活塞桿完全縮回。

圖4 活塞桿位移變化

圖5所示的是運(yùn)動(dòng)過程中一級(jí)活塞桿和二級(jí)活塞桿速度變化情況。如圖5所示,一級(jí)活塞桿和二級(jí)活塞桿首先以0.17m/s的速度同時(shí)伸出,一級(jí)活塞桿完全伸出時(shí),二級(jí)活塞桿以0.36m/s的速度伸出;在縮回過程中,二級(jí)活塞桿首先以0.49m/s的速度縮回,隨后一級(jí)活塞桿和二級(jí)活塞桿以0.23m/s的速度同時(shí)縮回。無論是伸出還是縮回,換級(jí)過程中都有明顯的速度沖擊現(xiàn)象。

圖5 活塞桿速度變化

圖6所示的是運(yùn)動(dòng)過程中有桿腔和無桿腔壓力變化情況。如圖6所示,在伸出過程中,有桿腔壓力均為系統(tǒng)背壓;在一級(jí)活塞桿和二級(jí)活塞桿同時(shí)伸出時(shí),無桿腔壓力為12bar,二級(jí)活塞桿單獨(dú)伸出時(shí),無桿腔壓力為32bar,且伸出過程中無明顯的壓力沖擊現(xiàn)象。

圖6 有桿腔和無桿腔壓力變化

在縮回過程中,二級(jí)活塞桿單獨(dú)縮回時(shí),有桿腔壓力為16bar而無桿腔壓力為37bar,一級(jí)活塞桿和二級(jí)活塞桿同時(shí)縮回時(shí),有桿腔壓力為30bar而無桿腔壓力為18bar;在縮回液壓缸換級(jí)過程中,有桿腔內(nèi)有明顯的壓力沖擊現(xiàn)象,該壓力峰值達(dá)到80bar。

根據(jù)上述仿真的結(jié)果可知,在雙級(jí)液壓缸運(yùn)動(dòng)過程中,換級(jí)時(shí)由于活塞作用面積發(fā)生變化,因此會(huì)發(fā)生壓力沖擊,從而引發(fā)速度突變,造成振動(dòng)等安全隱患,后文將對(duì)雙級(jí)液壓缸換級(jí)過程中的壓力與速度沖擊現(xiàn)象進(jìn)行具體分析。

2.2 流量的影響

結(jié)合前文分析,本節(jié)將對(duì)不同流量下雙級(jí)液壓缸運(yùn)動(dòng)過程時(shí)換級(jí)過程進(jìn)行仿真,探究流量對(duì)伸出過程中換級(jí)時(shí)速度沖擊的影響和縮回過程中換級(jí)時(shí)壓力和速度沖擊的影響。

圖7所示的是雙級(jí)液壓缸伸出過程中,不同流量下?lián)Q級(jí)過程中速度沖擊規(guī)律。如圖7所示,隨著流量不斷減小,速度沖擊引起的速度峰值不斷減小,而速度達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間增長(zhǎng)。當(dāng)流量分別為12L/min、6L/min、3L/min和2L/min時(shí),速度峰值分別為0.061m/s、0.028m/s、0.013m/s和0.010m/s;而速度達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間分別為0.25s、0.58s、1.12s和1.66s。

圖7 不同流量下的速度沖擊(伸出)

圖7所示的是雙級(jí)液壓缸縮回過程中,不同流量下?lián)Q級(jí)過程中速度沖擊規(guī)律。如圖7所示,隨著流量不斷減小,速度沖擊引起的速度峰值不斷減小,當(dāng)流量分別為6L/min、3L/min、1L/min和0.5L/min時(shí),速度峰值分別為0.047m/s、0.020m/s、0.011m/s和0.008m/s。

圖9所示的是雙級(jí)液壓缸縮回過程中,不同流量下?lián)Q級(jí)過程中壓力沖擊規(guī)律。如圖9所示,隨著流量不斷減小,壓力沖擊引起的壓力峰值不斷減小,當(dāng)流量分別為6L/min、3L/min、1L/min和0.5L/min時(shí),壓力峰值分別為80bar、64bar、45bar和33bar。

綜上所述,根據(jù)圖7、圖8和圖9的分析結(jié)果可知,隨著流量的減小,雙級(jí)液壓缸換級(jí)過程中引起的沖擊現(xiàn)象逐漸減小?？梢灶A(yù)測(cè)的是,在雙級(jí)液壓缸換級(jí)的一瞬間,系統(tǒng)流量若為0,則此時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何沖擊現(xiàn)象,因此,理想狀況下,在換級(jí)過程中,系統(tǒng)流量應(yīng)當(dāng)先減小再增大,在換級(jí)的一瞬間確保流量為0。然而實(shí)際工程應(yīng)用中,液壓缸的使用受到環(huán)境溫度、海拔等多種復(fù)雜因素的影響,難以實(shí)現(xiàn)精確控制。因而在實(shí)際應(yīng)用中,在換級(jí)之間先將流量降低至一固定值,換級(jí)完成后將流量增大。

圖8 不同流量下的速度沖擊(縮回)

圖9 不同流量下的壓力沖擊(縮回)

2.3 流量控制策略

本節(jié)在2.1和2.2的基礎(chǔ)上,對(duì)雙級(jí)液壓缸運(yùn)動(dòng)過程中系統(tǒng)流量進(jìn)行調(diào)節(jié),從而削弱雙級(jí)液壓缸換級(jí)過程中的壓力與速度沖擊現(xiàn)象。

圖10所示的液壓缸伸出過程中位移與速度曲線,如圖10所示,在0～180s過程中,系統(tǒng)流量為12L/min,一級(jí)活塞桿和二級(jí)活塞桿以0.17m/s的速度同時(shí)伸出;在180～210s過程中,系統(tǒng)流量首先12L/min降低至2L/min,隨后保持恒定,在液壓缸換級(jí)后再由2L/min增大至12L/min,最后保持12L/min恒定。

圖10 位移與速度(伸出)

圖11所示的液壓缸伸出過程中位移與速度曲線,如圖11所示,在0～90s過程中系統(tǒng)流量為6L/min,二級(jí)活塞桿以0.49m/s的速度縮回;在90～120s過程中,系統(tǒng)流量首先6L/min降低至0.5L/min,隨后保持恒定,在液壓缸換級(jí)后再由0.5L/min增大至6L/min,最后保持6L/min恒定。

圖11 位移與速度(縮回)

根據(jù)圖10和圖11的結(jié)果可知,在雙級(jí)液壓缸換級(jí)時(shí)降低其流量能夠抑制壓力與速度沖擊現(xiàn)象,從而確保液壓缸運(yùn)動(dòng)更為平緩,有利于延長(zhǎng)液壓缸壽命,增強(qiáng)液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

本文借助AMESim商業(yè)軟件建立了高機(jī)動(dòng)雷達(dá)雙級(jí)液壓缸舉升系統(tǒng)仿真模型,并對(duì)不同流量下雙級(jí)液壓缸運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真,得到的主要結(jié)論有:

1)雙級(jí)液壓缸換級(jí)過程中有明顯的壓力與速度沖擊現(xiàn)象,對(duì)本文研究的系統(tǒng)而言,第二級(jí)活塞桿伸出和縮回時(shí),沖擊所產(chǎn)生的速度峰值分別為0.061m/s和0.047m/s。

2)換級(jí)過程中速度沖擊著系統(tǒng)流量的減小而減小,第二級(jí)活塞桿伸出過程中,當(dāng)流量分別為12L/min、6L/min、3L/min和2L/min時(shí),速度峰值分別為0.061m/s、0.028m/s、0.013m/s和0.010m/s;第二級(jí)活塞桿縮回過程中,當(dāng)流量分別為6L/min、3L/min、1L/min和0.5L/min時(shí),速度峰值分別為0.047m/s、0.020m/s、0.011m/s和0.008m/s。

3)得到了某高機(jī)動(dòng)雷達(dá)液壓系統(tǒng)雙級(jí)液壓缸運(yùn)動(dòng)過程流量控制策略,該策略有效地削弱了雙級(jí)液壓缸運(yùn)動(dòng)過程中換級(jí)時(shí)產(chǎn)生的壓力與速度沖擊現(xiàn)象。