基于AMESIM的无人机起飞弹射液压系统的建模与仿真.pdf

液压 气 动 与 密 封l／ 2 O 1 0年 第 9期 基于 A ME S I M的无人机起飞弹射 液压系统的建模与仿真 秦 贞 超 周 志 鸿 北 京科技 大学 机械工程 学院 ， 北 京 1 0 0 0 8 3 摘要 无人机起飞弹射液压系统要求高压 、 高速 、 反应时间快， 国内进行 的相关研究 比较少 。本文分析了无人机起飞弹射液压系统 的 工作原理 ． 对插装阀的结构进行 了描述 ， 运用 A ME S I M软件对液压系统进行建模与仿真。 仿真结果表 明该系统性能 良好 ， 能够在短时间 内将无人机加速到规定 的速度值 ， 同时， 该仿真结果也为液压系统 的调试提供 了参考依据。 关键词 无人机 ； 起飞弹射 ； A ME S I M； 插装阀 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 9 0 0 1 6 - 0 3 M o d e l i ng a n d S i mu l a t i o n o f Hy d r a u l i c S y s t e m i n t h e La u n c h Eq u i p me nt o f UAV Ba s e d o n A M ES I M Q 1 N Z h e n - c h a o Z H O U Z h i - h o n g Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c S y s t e m i n t h e L a u n c h E q u i p me n t o f U AV r e q u i r e s h i g h p r e s s u r e ， h i g h s p e e d ， t r e s p o n s e t i me ， the r e l a t i v e l y s t u d i e s i n Ch i n a i s f e w I 1 l i s p a p e r a n a l y z e s the p r i n c i p l e o f Hy d r a u l i c S y s t e m i n t h e La u n c h E q u i p me n t o f UAV ． d e s c ri b e s the s t r u c t u r e o f c a r t rid g e v alv e ， mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n b a s e d o n AMES I M． T h e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n s h o w t h a t t h e s y s t e m’ s p e rf o r ma n c e i s g o o d ， i t c a n a c c e l e r a t e UA V t o t h e p r o v i s i o n s v e l o c i t y i n s h o r t t i me ， t h e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r d e b u g g i n g o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m． Ke y W o r d s U AV； t a k e - o ff； AMES I M ； C a r t ri d g e Va l v e s O 引言 无人机液压弹射起飞方式是 2 0世纪 9 O年代在国 际上出现 的一种先进的无人机发射方式。其工作原理 为 由液压泵向预先充好气 的蓄能器 、 连接管道内充入 高压油 ， 油压达到规定值时 ， 关闭液压泵 ， 使液压 能储 存于蓄能器中。 蓄能器瞬时提供大流量液压油 ， 以满足 无人机与滑行小车瞬时加速的需求 。液压缸 的活塞杆 与绕有钢丝绳的滑轮组联接 ，钢丝绳另一端与装载无 人机的滑行小车联接。当滑行小车被释放后， 蓄能器气 囊腔内的高压气体膨胀 ，迫使蓄能器油腔 内的高压油 排 出 。 驱 动液压 缸 的活塞 和 动滑 轮组 ， 无人 机 与滑行 小 车则在钢丝绳牵引力的作用下沿导轨迅速加速 ，滑行 小车撞击缓冲块的瞬间 ， 速度会略低于无人机的速度 ， 同时， 释放机构起作用 ， 无人机因惯性而起 飞， 滑行小 车最终带动缓冲块撞击缓冲器而停止【 l 2 1 。 收稿 日期 2 0 1 0 5 -1 5 作者简介 秦贞超 1 9 8 6 一 ， 男 ， 硕士研究生 ， 在北京科技大学机械工程学 院车辆工程专业就读 ， 研究方 向为车辆工程 、 液压系统设计与控制 。 1 6 国内对无人机起飞弹射液压系统 的研究 比较少 。 并且因为该液压系统的系统压力高， 油缸行程长， 作用 时间短 ， 所以该系统的设计存在着很大的难度。由于无 人机的加速主要靠加速油缸的作用 ，所以本文只对加 速系统应用 A ME S I M软件进行仿真研究 。 1 插装阀的结构和工作原理 在无人机起飞弹射液压系统中，插装阀的应用必 不可少 ， 插装阀可以起到快速换向的作用 ， 反应时间较 短。在 A ME S I M液压库中， 没有模型可 以直接调用 ， 需 要根据插 装 阀的结构建立 模型 。 插装阀结构简单 、 通流能力大 、 动态响应快 、 密封 性能好和抗污染等诸多优点，并且便于组合成多种功 能的复合阀 ， 因而它在高压 、 大流量液压控制系统中的 应用很 广 。 插装阀按其控制功能可分为方向控制阀、流量控 制阀和压力控制阀。本文所应用的插装阀 l ， 2的结构 如图 1 、 图 2所示。插装阀 1 、 2的工作原理如图 3 、 图 4 所示 Hv dr a u l i e s Pn e uma t i c s S e a l s ／ No．9- 2 0l 0 体5 一 阀芯 1 一 盖板2 一 阀体3 一 弹簧4 一 阀芯5 一 阀套 图 2 插装 阀 2结构图 图 3 插装 阀 1原理图 图 4 插装阀 2原理 图 2 液压系统原理 液 压系统 原理 ， 如 图 5所示 。 l 一 油箱2 一 过滤器 3 一 液压泵4 一 联轴器 5 一电动机6 一 高压过滤器 7 一 直动式溢流阀 8 一 直动式溢流阀9 一 节流阀 l O 一 风冷却器 l 1 一 电加热器 1 2 一 加速液压缸 1 3 - 单 向节流阀 1 4 一 插装阀 1 1 5 一 插装 阀 2 1 6 一 液控单 向阀 1 7 一 单 向节流阀 1 8 一 蓄能器 l 9 一 单 向节流 阀 2 O 一 压力表2 1 一 球阀2 2 一 单 向阀 图 5液 压 原 理 图 打开蓄能器底部 的球阀， 电动机工作带动液压泵 ， 高压油通过单向阀进入到蓄能器 ，当压力达到设定 的 压力时 ，直动式溢流阀 7自动卸荷 ，停止向蓄能器供 油 ； 电磁 阀 1 、 3通 电 ， 插 装 阀 1 4 、 1 5打 开 ． 蓄 能器 中 的 高压油通 过插装 阀 1 5进入 到加 速液压缸有 杆腔 ． 同 时 ， 插装 阀 1 4打 开 ， 加 速 液 压 缸 无 杆 腔 内 部 的 液压 油 则通过插装阀 1 4回到油箱。动作结束后， 电磁阀断电； 电磁 阀 2通电 ， 液控单 向阀 1 6打开 ， 加速液压缸无杆 腔 的液压 油一 部 分通 过 插装 阀 1 4回到 油箱 另一 部 分 通过液控单向阀 l 6进入到加速液压缸的有杆腔 ， 进行 补油 。 该液压 系统 在设计 中采取 了 以下 措施 1 采用 了大通径的二通插装阀。因为插装阀靠锥 面切断 、 接通油路 。 所以阀芯行程短 ， 而且 阀芯质量轻 ． 反应速度快， 动作灵敏。 f 2 11 速液 压 缸 的尾 部添 加 了缓 冲装 置 ， 防止 液 压 缸 在快 速 收 回的情 况 下 。活 塞猛 烈 撞击 液 压缸 后 端造 成 损坏 。 3 A ME S I M 建模 本文仿真的目的是得到液压缸在加速液压缸 即将 缓冲时 ， 液压缸活塞杆的速度 、 加速度和位移 。因为无 人机 的 起 飞速度 决 定 于加 速液 压 缸 ，加 速液 压 缸在 即 将缓 冲的瞬间 ， 锁紧无人机的滑行小车撞击缓冲块 ， 锁 紧 与 释放 机 构 释 放 无 人机 ，无 人 机 由于 惯性 起 飞 ， 所 以 ， 在 A ME S I M 建 模时 ， 可 以 不考 虑缓 冲 时 电磁 阀 D T 2 和液控单向阀 1 6的动作 ， 即 不对液压缸的缓冲进行 仿 真 。因 为使 加 速液压 缸 收 回的高压 油来 自蓄 能器 ， 液 压泵只起到向蓄能器供油的作用 ，所以假设蓄能器的 压力平稳下降 ， 可以使用压力源代替蓄能器 ， 因此可 以 在建 模 时省 略液 压 泵 向蓄 能器 供 油这 一 步骤 ，从 而 仅 对加速液压缸在蓄能器的作用下加速收 回进行建模仿 真 ， 从 而得 出液 压缸 活塞 杆 的速 度 、 加速度 。 加速液压缸和滑行小车之间通过滑轮组相连 ， 使 用 3个 定 滑轮 和 3个 动 滑轮 的组 合 ，滑 轮 组 的缩 放 比 是 6 。在 A ME S I M 中建 模 与仿真 时 ， 需 要将 无人 机与 滑 行 小 车 的质 量等 效 到加 速液 压 缸 的一 端 ，根 据能 量 守 恒定律 ， 等效质量应该放大到 3 6 倍 。 根据插装 阀的结构建模并且设 置各个参数 ， 压力 源 的初始值设 置 为 1 8 0 b a r ， 结束 时为 1 6 0 b a r ， 时 间段 为 1 ． 6 s ； 电磁阀在 0 ． 5 s 时换向 ， 右位接通 ， 使插装 阀动 作 。A ME S I M模 型 如图 6所示 。 1 7 昌 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 0年 第 9期 图 6 加速系统 AME S I M模 型 4 仿真结果 将仿真时间设置为 2 s ， 时间间隔为 0 ． 0 1 s 。通过仿 真得到活塞杆位移曲线 见图 7 、 活塞杆速度曲线 见 图 8 、 活塞杆加速度曲线 见图 9 。 I I I t 、 三 I＼ I I≥ j 薹 直 喜 置 图 7 活塞杆位移曲线 l I l { I 图 8活塞杆速度曲线 - - 一 - - - - - 十一 I 图 9活塞 杆 加 速度 曲线 通过仿真得出的曲线 图， 可以看出 在 0 ． 5 s时， 信 号控制 电磁 阀换 向 ． 活塞 杆在 0 ． 5 s 到 0 ． 9 7 s的时间段 内 行程为 1 ． 1 m， 末速度为 4 ． 7 m ／ s 。 活塞杆的加速度在开始 时由于瞬间通入高压油 ， 加速度存在波动， 随着压力源 的压力下降 ， 加速度的值降低， 加速度在 l O m ／ s 处波动。 因为动滑轮组可以将速度和加速度放大 6 倍 ， 所以无人 机在 离开 滑 行小 车 即将起 飞的 瞬时 速度 为 2 8 ． 2 m ／ s 。 从 而保证一定质量范围内的无人机在该系统的作用下短 时间加速起飞。该仿真结果与理论值基本保持一致， 为 液压系统的调试提供了一定的参考依据。 参 考 文 献 【 1 】 吴泊宁， 裴锦华， 杜军玲 ． 某型无人机导轨起飞装置气液压能 源系统 的应用f J 1 ． 南京航空航天大学学报， 2 0 0 5 4 ． [ 2 】 李悦等． 无人机气液压弹射装置的关键系统设计[ J 1 ． 南 昌航空 工业学院学报． 2 0 0 2 2 ． [ 3 】 李壮云． 液压元件与系统【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 5 ． 『 4 J 何存兴， 张铁华． 液压 传动与气压传动[ M] ． 武汉 华中科技大 学 出 版社 ． 2 0 0 2 ． 『 5 1 李 军华， 张卫． 基于 A M E S I M 的 吊具保护液压 系统 的建模 与 仿真[ J 】 ． 流体传动与控制 ， 2 0 0 9 3 ． [ 6 】 余佑官， 龚 国芳， 胡 国 良． A M E S I M 仿真技术及其在液压系统 中的应用【 J J ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 3 ． [ 7 】 W． 霍夫曼等． 液压元件及 系统 的动态仿真[ M 】 ． 浙 江 浙江大学 出版社。 1 9 8 8 ． 液压缸安装注意事项 液压缸必须严格按技术要求安装牢固可靠 ， 不得有任何松动。 安装往复式液压缸时， 应做到以下几点 1 安装前 ， 必须仔细检查轴端 、 孔琐等处的加工质量 ， 倒角并清除毛刺 ， 然后用煤油或汽油清洗并吹 干 。 2 安装面与活塞的滑动面和活塞杆的中心线 ， 应保持一定的平行度和垂直度 。 3 液压缸 中心线应与负载力的作用线同心， 以避免引起侧向力。否则密封体或活塞易磨损。 4 活塞杆端销孔应与耳环销孔f 或耳轴 方向一致， 否则液压缸将受以耳轴为支点的弯曲负载 ， 产生磨 损 、 卡死等现象。 5 在行程较大 、 环境温度较高的场合 ， 液压缸只能一端 固定 ， 另一端保持 自由伸缩状态， 以防热胀而 引起缸体变形。 6 行程较大的液压缸， 应在缸体和活塞杆 中部设置支承 ， 以防自重产生向下弯曲现象。 1 8 5 、 g， U Ul 蹬 『 。 u 箍 量