無人機助推滑車液壓減速制動特性仿真與試驗

朱恩旭, 余阿東

(信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機電工程學(xué)院, 河南 信陽 464000)

引言

助推滑車是無人機成功順利彈射起飛的關(guān)鍵設(shè)備,目前無人機彈射起飛速度要求在35 m/s以上[1-3],故助推滑車減速制動初速度也在35 m/s以上,無人機助推起飛后,助推滑車沖擊動能不可忽視,有必要對助推滑車助推產(chǎn)生的能量進行吸收消耗。近5年,唐友亮[4-6]對無人機液壓彈射滑車緩沖系統(tǒng)和吸能系統(tǒng)進行了詳細設(shè)計研究,從液壓缸被動式緩沖和馬達出口外接溢流閥進行滑車能量消耗,并通過蓄能器進行能量收集和存儲;蔡亮等[7]利用柔性網(wǎng)吸能緩沖和阻力傘的空氣阻力達到無人機在撞網(wǎng)回收中以低過載平穩(wěn)回收。高浩鴻等[8]選用緩沖氣囊進行無人機全時段無損著陸回收,探究了不同地面條件對于氣囊緩沖性能的影響。

綜合上述研究發(fā)現(xiàn),目前缺乏無人機助推滑車制動深入研究,且現(xiàn)有助推滑車液壓緩沖沖擊壓力較大,存在爆缸、爆管風(fēng)險。基于此,結(jié)合節(jié)流技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用[9-13],提出采用液壓缸外接比例節(jié)流閥進行變節(jié)流緩沖,減速制動助推滑車,使減速制動初期節(jié)流背壓面積最大。隨著助推滑車減速制動位移增加,調(diào)節(jié)節(jié)流背壓面積逐漸減小,最終平穩(wěn)制動助推滑車;給出了無人機助推滑車變節(jié)流液壓制動系統(tǒng)原理;建立了液壓制動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,基于AMESim搭建了助推滑車變節(jié)流制動仿真模型,進行了液壓系統(tǒng)制動性能仿真研究和試驗驗證。

1 助推滑車變節(jié)流液壓減速制動系統(tǒng)

如圖1所示,某無人機助推滑車變節(jié)流液壓減速制動系統(tǒng)[14-15],制動擋板設(shè)定在助推滑車制動起始端位置,制動擋板與緩沖缸活塞固定連接。

1.助推卷筒 2.助推跑道 3.制動擋板 4.牽引繩 5.無人機 6.助推滑車 7.緩沖缸固定端 8.緩沖缸 9.牽引主驅(qū)動 10.雙向馬達 11.油箱 12.單向閥 13.安全閥 14.比例節(jié)流閥 15.位移變送器圖1 助推滑車變節(jié)流液壓減速制動系統(tǒng)Fig.1 Variable throttle hydraulic deceleration braking system of boost pulley

在圖1中,牽引主驅(qū)動為助推滑車和無人機提供額定牽引力,使無人機加速至起飛速度,無人機起飛后助推滑車和無人機分離,助推滑車繼續(xù)沿助推跑道上行,助推滑車推動制動擋板滑行,緩沖缸活塞伸出,緩沖缸有桿腔油液受到擠壓沖擊,油液通過比例節(jié)流閥回到油箱,比例節(jié)流閥產(chǎn)生有桿腔回油節(jié)流背壓,形成助推滑車向上運行制動阻力,助推滑車減速制動過程中,位移變送器實時采集助推滑車制動位移,并經(jīng)信號轉(zhuǎn)化模塊轉(zhuǎn)化成比例節(jié)流閥調(diào)節(jié)過流面積的輸入信號,使比例節(jié)流閥隨助推位移增加逐漸關(guān)閉,達到變節(jié)流液壓減速制動滑車目的。

2 變節(jié)流液壓減速制動過程關(guān)鍵模型分析

緩沖缸活塞承受助推滑車沖擊力,方程為:

(1)

式中,p—— 緩沖缸有桿腔壓力

Ap—— 緩沖缸活塞有效面積,

Ap=π/4·(D2-d2)

mp—— 活塞及滑車總質(zhì)量

Bp—— 活塞摩擦阻尼

δ—— 助推跑道傾角

緩沖缸流量連續(xù)性方程:

(2)

式中,Vp—— 緩沖缸有桿腔容積,Vp=Ap(L-xp)

β—— 油液彈性模量

閥口流量方程:

(3)

式中,Cv—— 節(jié)流系數(shù)

D1—— 比例節(jié)流閥實時通徑

α—— 閥芯半錐角,α=45°

ρ—— 油液密度

3 系統(tǒng)建模仿真

3.1 助推滑車減速制動系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置

依據(jù)助推滑車減速制動系統(tǒng)工作機理,利用AMESim搭建助推滑車變節(jié)流減速制動系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

1.重力 2.液壓油 3.緩沖缸 4.滑車 5.位移變送器 6.助推跑道模型 7.摩擦力 8.控制變量模型 9.比例節(jié)流閥 10.單向閥 11.安全閥 12.油箱圖2 助推滑車變節(jié)流減速制動系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of variable throttle deceleration braking system of boost pulley

采取比例節(jié)流閥通徑隨助推滑車位移線性減小的控制模型進行變節(jié)流液壓制動,仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.1 System simulation parameters

3.2 助推滑車變節(jié)流液壓減速制動性能

初始參數(shù)仿真得到助推滑車比例節(jié)流閥液壓減速制動系統(tǒng)性能如圖3所示。

圖3 助推滑車比例節(jié)流閥液壓減速制動系統(tǒng)性能Fig.3 Performance of hydraulic deceleration braking system of variable throttle valve of boost pulley

由圖3可得,采用變節(jié)流緩沖制動助推滑車時,助推滑車存在0.3 m(最大位移2.9 m,最終位移2.6 m)左右的回程,滑車減速制動速度由35 m/s緩慢減為0,中間存在輕微速度振蕩,可忽略,主要是回程引起;緩沖缸有桿腔壓力峰值為9.7 MPa,相比定值溢流閥減速制動方案,其壓力值大幅降低[6]。

由文獻[6]可知,比較變節(jié)流減速制動和定值溢流減速制動系統(tǒng)元件選型和仿真數(shù)據(jù),看出變節(jié)流減速制動選用的緩沖缸元件較小,且緩沖壓力較低,即為助推滑車變節(jié)流減速制動系統(tǒng)優(yōu)勢。

1) 滑車質(zhì)量對系統(tǒng)性能敏感度研究

當滑車質(zhì)量選取不同等級時,如質(zhì)量為120, 130, 140, 150 kg,進行仿真比較,如圖4所示為滑車質(zhì)量對系統(tǒng)性能敏感性影響情況,圖4a為滑車質(zhì)量對滑車減速制動位移的敏感度,圖4b為滑車質(zhì)量對緩沖缸有桿腔壓力的敏感度。

圖4 滑車質(zhì)量對系統(tǒng)性能敏感性影響情況Fig.4 Influence of pulley quality on system performance sensitivity

由圖4可得,助推滑車質(zhì)量對滑車減速制動位移影響程度小,對緩沖缸有桿腔壓力影響程度大,壓力峰值點出現(xiàn)在同一時間點,助推滑車質(zhì)量由120 kg增大至150 kg,緩沖缸有桿腔壓力峰值由2.9 MPa增加至9.8 MPa。

2) 助推速度對系統(tǒng)性能敏感度研究

當助推速度要求等級存在差異時,如助推速度為32, 33, 34, 35 m/s,進行仿真比較,如圖5所示為助推速度對系統(tǒng)性能敏感性影響情況,圖5a為助推速度對滑車減速制動位移的敏感度,圖5b為助推速度對緩沖缸有桿腔壓力的敏感度。

由圖5可得,助推滑車速度和質(zhì)量對系統(tǒng)性能敏感性影響情況的相同點:對滑車減速制動位移影響程度小,對緩沖缸有桿腔壓力影響程度大;不同點:壓力峰值點出現(xiàn)時間點有差異,隨助推滑車速度由32 m/s增大至35 m/s,緩沖缸有桿腔壓力峰值由5.8 MPa增加至9.8 MPa。

3) 緩沖缸缸徑對系統(tǒng)性能敏感度研究

當緩沖缸缸徑選取不同等級時,如缸徑為60, 65, 70, 75 mm,進行仿真比較,如圖6所示為缸徑對系統(tǒng)性能敏感性影響情況,圖6a為缸徑對滑車減速制動位移的敏感度,圖6b為缸徑對緩沖缸有桿腔壓力的敏感度。

圖6 缸徑對系統(tǒng)性能敏感性影響情況Fig.6 Influence of cylinder diameter on system performance sensitivity

由圖6可得,緩沖缸缸徑對滑車減速制動位移和有桿腔壓力影響程度均比較大,緩沖缸缸徑由60 mm增大至75 mm,滑車減速制動位移由2.2 m增大至2.7 m,緩沖缸有桿腔壓力峰值由9.8 MPa減小至4.5 MPa。

4 試驗驗證

如圖7所示為無人機助推滑車變節(jié)流液壓減速制動裝置:

圖7 無人機助推滑車變節(jié)流液壓減速制動裝置Fig.7 Variable throttle hydraulic deceleration brakingdevice for booster pulley of UAV

(1) 比例節(jié)流閥選用布赫比例閥,型號DBVSA-1LG-300-10-3-24D,配置12 V比例電磁鐵,最高壓力35 MPa,最大通徑50 mm;

(2) 位移變送器選用國產(chǎn)北京極聯(lián)拉桿式位移傳感器,型號LV6-JL-1500,量程0～1.5 m,輸出信號0～5 V;

(3) 緩沖缸選用國產(chǎn)恒立油缸,型號HA500-60/25-3-C-0-2-C-1(不帶緩沖),行程3.0 m,缸徑60 mm,桿徑25 mm;

(4) 數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊和控制函數(shù)模塊通過CAN總線控制器IMCT3240和CoDeSysV3SP2編程實現(xiàn),使用DEWESoft動態(tài)信號分析儀進行數(shù)據(jù)采集。

關(guān)鍵實驗元件參數(shù)如表2所示,與仿真參數(shù)保持一致,并進行數(shù)據(jù)采集提取整理對比,如圖8a所示為助推滑車減速位移實測和仿真對比曲線,如圖8b所示為助推滑車緩沖缸壓力實測和仿真數(shù)據(jù)對比曲線。

表2 實驗元件參數(shù)Tab.2 Experimental element parameters

圖8 助推滑車實測和仿真數(shù)據(jù)對比曲線Fig.8 Comparison curve of measured and simulated of booster block

圖8為實測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)總體走勢保持一致,其中滑車減速位移實測和仿真誤差在0.2 m以內(nèi), 緩沖缸壓力峰值實測和仿真誤差在1.0 MPa以內(nèi), 誤差來源主要原因在于滑車斜軌跑道實際滑動摩擦系數(shù)及緩沖缸實際滑動阻尼和仿真不同。

5 結(jié)論

針對助推滑車液壓緩沖沖擊壓力較大,極可能存在的爆缸、爆管風(fēng)險,采用液壓缸外接比例節(jié)流閥進行變節(jié)流緩沖減速制動助推滑車,使減速制動初期節(jié)流面積最大,隨助推滑車減速制動位移增加,調(diào)節(jié)節(jié)流背壓面積逐漸減小,平穩(wěn)制動助推滑車,在無人機助推滑車變節(jié)流液壓制動系統(tǒng)原理研究的基礎(chǔ)下,進行了系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模分析,并基于AMESim搭建了助推滑車變節(jié)流制動系統(tǒng)仿真模型,開展了助推滑車變節(jié)流液壓減速制動特性仿真研究,進行了系統(tǒng)性能敏感性因素分析,最后進行助推滑車減速模擬實驗,并與仿真數(shù)據(jù)對比,主要得到以下結(jié)論:

(1) 采用變節(jié)流緩沖制動助推滑車技術(shù)方案,所需緩沖缸元件小,且緩沖過程壓力沖擊低;

(2) 助推滑車速度和質(zhì)量對滑車減速制動位移影響程度小,對緩沖缸有桿腔壓力影響程度大,助推滑車最終位移不受沖擊載荷的影響,改變沖擊載荷,制動的最終位移均保持為2.6 m;

(3) 緩沖缸缸徑對滑車減速制動位移和有桿腔壓力影響程度均大,較大的缸徑可使緩沖缸有桿腔壓力持續(xù)降低,低至4.5 MPa;

(4) 滑車減速位移實測和仿真誤差在0.2 m以內(nèi),緩沖缸有桿腔壓力峰值實測和仿真誤差在1.0 MPa 以內(nèi),實測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)趨勢一致性較好。