某火炮输弹机构中的液压冲击仿真分析.pdf

信息技术 王新春 ， 等 某火炮输弹机构中的液压冲击仿真分析 某火炮输 弹机构 中的液压 冲击仿真分析 王新春， 董振乐， 马大为 ， 乐贵高 南京理工大学 机械 工程学院 ， 江苏 南京 2 1 0 0 9 4 摘要 为尽 量减小某火炮输弹机 构液压 系统 中存在的液压 冲击 问题 ， 利 用 A ME S i m软件 建立 了输弹机构液压系统的仿真模型。通过分析液压冲击原理， 得出影响液压冲击的参数 变量。 基于仿真模型， 在单纯改变某一影响参数的条件下， 分析 了不同参数 变量对输弹机构液压冲击 的影响， 提 出了减小液压冲击的措施以及需要进一步研究的方向， 此结论对输弹机构液压系统 的优化设计具有一定的参考价值。 关键词 输弹机构； 液压冲击； A M E S i m； 参数 变量 中图分类号 T P 3 9 1 ． 9 ； T J 3 0 3 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 4 0 3 - 0 1 3 4 - 0 3 Si mul a t i o n An a l y rs i s o f Hy dr a u l i c I mp a c t o f Ar t i l l e r y Fe e d M e c ha ni s m W A NG Xi n c h u n．DO NG Z h e n l e．MA Da w e i ，L E G u i ． g a o N a n j i n g Un i v e r s it y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，N a n j i n g 2 1 0 0 9 4 ， C h i n a Abs t r ac t I n or d er t o r e d u ce t h e h y dr a uli c imp a c t o n t he h y d r a u l i c s y s t em o f a n ar t i l ler y f e e d me c h a nis m ，t h is p ap er u s e s AMESi m s o f t wa r e t o bu il d t h e simu lat ion mo de l o f t h e f e e d me c ha n i s m， a n aly z e d t h e h y d r au l ic imp a c t p r i n c i p l e an d t he pa r ame t er v ar i a bles wh i c h h a v e i n f l u e n c e on t h e h y dr au l ic i mp a c t ．Ba s e o n t h e s i mu l a t i o n mo d el ，t h e e ff ec t o f diff er e n t p ar a met e r s o n t h e f ee d me c h a nis m is a na ly z ed on t h e c on dit i o n o f on l y c h an g i n g o ne pa r ame t er ． Th en t h e me a s ur e s o f r ed u c i n g h y d r a u l ic i mp a c t a n d t h e d e v e l o p - men t d i r e c t ion a r e wer e pr e s e n t e d． Th e c on c l u s ion s a r e o f s ome r e f er e n c e v al u e s t o t h e op t i ma l d e s i g n o f t h is s y s t e m． Ke y wor ds f e e d t r an s f e r me c h an is m ；h yd r au l ic i mp ac t ；AMESi m；p ar ame t er v a r ia ble 0 引言 输 弹机构是火炮 的核 心部 件之一 ， 通过加强输 弹机构 的设计与优化 ， 提高其性能， 对增强火炮作战性能具有重 要的意义。输弹机构的输弹动作主要靠液压技术来实现， 在输 弹动作 中不可避免 的存在液压 系统 的突然 开启或 突 然制动现象 ， 这就使得液压传动系统不可避免的存在液压 冲击现象。当发生液压冲击现象时， 液体中的瞬时峰值压 力往往是正常工作压力的 1 ～4倍， 这种瞬时峰值压力不 仅会影响液压系统的性能和工作可靠性 ， 而且会造成振 动 、 噪声、 联接件松动 、 液体泄漏的一系列影响系统正常工 作的现象 ， 严重时会使系统中的管道、 液压元件和仪表 等损坏 ， 导致输弹机构瘫痪 。因此正确分析输弹机构 中的 液压 冲击 问题 ， 并尽可 能的减小 或者 排除液压 冲击 ， 可 以 大幅提高输弹机构液压系统的工作稳定性， 对提高火炮的 作 战性 能具 有重要的意义 。 1系统工作原理 液压式输弹机由液压齿轮泵与充气活塞式蓄能器共 同提供液压动力， 通过三位四通电磁换向阀控制， 输弹过 程共分为翻转和输弹两个动作， 分别由翻转油缸和输弹油 缸执行。当系统不工作时， 换向阀位于中位， 液压油经过 换向阀直接流回油缸。当系统工作时， 换向阀通电处于右 位， 液压油到达输弹油缸左侧， 进而驱动齿条带动两级齿 轮加速 ， 带动链条推弹 丸获得一 定速度 强制输 弹 ， 然后 弹 丸由惯性进入炮膛。为了保证液压系统工作安全， 设置了 安全 阀。液压 系统 工作 时 ， 当工 作 压力 小 于安 全 阀设定 值 ， 液压油可通过管路到达输弹油缸， 顺利完成输弹动作； 当工作压力大于安全阀设定值， 安全阀将 自动打开 ， 转换 为工作状 态 ， 液压油通 过安全 阀直接 流 回油箱 ， 防止液 压 系统 过载 ， 避免造成装置破坏 J 。 2 液压 冲击仿真分析 2 ． 1 A ME S i m在液压系统中的应用 A M E S i m高级工程系统仿真建模环境 a d v a n c e d m o d e l i n g a n d s i mu l a t i o n e n v i r o n me n t f o r s y s t e ms e n g i n e e r i n g 是法国 L MS I m a gi n e 公司开发的多领域建模仿真软件， 涉 及到液压系统、 机械系统、 传动系统等多个领域的仿真分 析。A ME S i m友好 的图形化 界 面为 广大 用户 方便 的进 行 仿真分析带来了便利。A M E S i m至今已发展到 1 0 ． 1 版本 ， 该软件专门为液压系统建立了一个标准模型库， 但由于液 压系统元件的多样化， 其标准已经无法包含所有元件的模 型。为此， A ME S i m提供了用于创建无法在标准模型库中 找到的液压 元件 的 H C D h y d r a u l i c c o m p o n e n t d e s i g n ， 该 功能增强了A ME S i m的实用性， 使其在液 机械系统分 析与设计领域 的应用更加广泛 j 。 作者简 介 王新春 1 9 8 8 - ， 男 ， 山东青岛人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向 结构设计与仿真分析 。 1 3 4 h t t p ∥Z Z H D． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H Dc h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械 制造与 自动化 信息技术 王新春， 等 某火炮输弹机构中的液压冲击仿真分析 2 ． 2 液压冲击原理分析 则有 咖 液压冲击是一种因液压系统中流体速度突然变化而 使系统中液体压力瞬时升高的现象， 动态过程非常复杂 ， 影响因素较多 ， 很难精确计算出冲击压力。本文主要利用 能量守恒定律对输弹机构的液压冲击问题进行分析。 当换向阀换至中位时， 管道口瞬时被封闭， 靠近阀处 的液体速度逐渐降为零， 根据能量守恒定律 ， 管内液体的 瞬时动能全部转换为压力能， 上游 远离换 向阀处 各层 液体也因速度的突然变化将瞬时动能转化为压力能， 随着 上游压力能向前传递， 压力能越来越大， 直到最上游的压 力能传递结束后 ， 压力能达到最大值， 此时就出现了液流 撞击声 ， 在这一瞬间管道中的液体全部停止流动， 而且处 于压缩状态。管道内液体压力在上下游压能差的作用下 ， 从下游 靠近换向阀处 反射到上游， 此时管道下游的液 体压力迅速下降， 管后的液体压力逐层上升， 经一定的时 间后 ， 管道后面的液体压力又逐层 向前传播， 如此继续循 环往复。但由于往复流动过程中的能量损失， 将逐渐衰减 直到消失 。 液压冲击问题实际上就是能量的转换 ， 在冲击过程中 将液体及运动部件的动能转化为势能。假设在液体流动 中没有混人气体且不存在运动部件的惯性作用。 有如下关 系 ’ ， K c 8 E 1 Ke KL K c ㈤ 由以上各式， 可得冲击波速度 4 式中 为液体有效体积弹性模量， 为纯液体体积弹性 模量， 为容器体积弹性模量， E为液压管管道材料的弹 性模量， d为管道 A c或 B D的内径， 6为管道壁厚度 ， P为 液压油密度 。 液压冲击发生前， 设流动液体在管道中的流速为 。 ， 液压油体积为 ， 液压管道长度为 z ， 液压泵流量 Q， 液压 马达转动惯量为‘ ， ， 转速为 。假设液压冲击发生后流速 突降为零 ， 由动能所转化的势能可以用一个由以液压压力 的变 化量 d p和受压 总容积变 化量 d 为直角 边所构 成 的 三角形的面积代替。根据能量守恒定律有 _ p1 2 灿 { dp d 1 疋V d lp 5 则可计算出冲击压力近似值 d p 2 2 6 d p 一 L 0 J 式 。 ， K e 可 1 Kf s E Ma c h in e B u il d in g 8 Au to m a t i o n ， J u n 2 0 1 4， 4 3 3 1 3 4 1 3 6 7 由上式可 以看出当 Q， J ， 6 0一定时， d p与管道内径 d ， 管道 Z 成反比； 与管壁厚 占 成正比， 在实际应用中管壁 厚度 6不会发生太大 的变化， 因此 对液压 冲击 的影响 较小 。 设压力冲击波在管道中往复一次的时间为 t ， 则有 ￡ 8 C 当换向阀换向时间 t t ， 此时的压力峰值相对较小 ， 称为间接冲击， 其压力 增加值可按下式近似计算 印 ． 9 t 通过分析上式可知， 在间接冲击过程中在保持 Q， J ， ∞ 一 定的情况下， 咖 与管道内径 d ， 管道长 z ， 换向阀换向时 间t 成反比； 与管壁厚6成正比。而管壁厚 艿对液压冲击 的影响较小， 故不再进行仿真分析。 2 ． 3 仿真模型的建立 为研究三个不同参数 管道内径 d ， 管道 z ， 换向阀换 向时间t 对液压冲击的影响， 根据 A M S E i m建模仿真的步 骤 s k e t c h - s u b m o d e l - p a r a m e t e r - s i m u h i t i o n J 。通过 输弹机 构液压系统的工作原理建立液压 系统仿真模型如图 1 所示 。 图 1 输弹机构液压系统仿真模型 以液压缸输油口c为例 ， 分析其液压变化规律， 液压 系统仿真时间设置为 7 s ， 仿真后可以得到输弹机工作过 程 中油 口 c 的压力变化 曲线 如图 2所 示 。通 过压力 变化 曲线可以分析出液压缸内的压力的变化规律 ， 在换向阀换 向中位时液压冲击较大 ， 最大值为 6 2 ． 6 MP a 。这说明在换 向阀换向中位时液压缸内的压力会突然升高， 即存在液压 冲击。因此 ， 需要对换向阀回到中位时的液压冲击进行 分析 。 l 3 5 信息技术 王新春 ， 等 某火炮输弹机 构 中的液压冲击仿真分析 I b a c tu a t o r O 0 】 L- p r e u r e a t pot _b a t] t f s 图 2 油 口 c的压力变化 曲线 3 不同参数对 液压 系统 冲击的影 响 3 ． 1 换 向阀换 向时 间 t 对 冲击的影响 在保证其他参数不变的情况下， 单纯改变换向阀换向时 间t ， 取换向时刻为Q1 s , 0 ． 2 s , 0 ． 3 s 进行对比分析。利用软件 对液压缸腔内的压力进行仿真， 可以得出换向阀换向时的压 力峰值 如图3 所示 ， 通过仿真曲线可知， Q1 s , 0 ． 2 s , O ． 3 s 时 的峰值压强分别为 6 6 N P a 、 6 4 MP a 和 5 5 N P a ， 对比可得随着 换向时间t 的增加， 冲击压力逐渐降低。 a a c t u a t or O01 - p r e a a u r e a t po r _--_- b I t e m 2 o f t 2 『 n u 1 l 1 一⋯ ⋯一 一⋯一 cI t e m2o f t 2 [ n u l l 。由_左 至； 涣 W 简分 } 一 为O 1 s 、0 ．2 s I 3 o ．3 s o 1 ． 2 ． b 3 ．b 4 如 6 ．b 7 ． s 图 3 换 向时间对油 口 c压力的影响 3 ． 3 管道长度 Z 对冲击的影响 单纯改变管道长度 f ， 其他参数不变。取管道长度分 别 0 ． 6 m、 0 ． 8 m、 1 m进行对比分析， 利用液压仿真模型对 液压缸腔内的压力进行仿真， 可以得出换向阀换向时的压 力峰值 如图 5所示 ， 分析曲线可得， 随着管道长度的增 加 ， 冲击压力逐渐减小。但需要指出的是， 减小管道的长 度， 可以是直接冲击转变为间接冲击 ， 故一旦管道长度的 减小使间接冲击成为可能， 冲击力是会减小的。 ．．a c t u a t o r 0 0 1 p r e a a u r e a t p o r t 1 [ b a r I t e m 2 o f 1 0 6 [ n u l 1 ] 1t e I n2 o f1 0 8 [ n u ll 】 『 L ⋯曲左至右油管长度分别 ‘ i为 0 ． 6mi ll 、 0 ． 8 mm丰 口 1 mm j s 图 5 管道长度对油 口 c 压 力的影响 4 结论 通过以上分析可知， 输弹机构液压系统中液压冲击的 大小主要与液压阀换向时间、 管道内径和管道长度有关。 因此 ， 在允许的范 围内， 可以通过延长换 向时间 、 减小 管道 内径、 减小管道长度等措施来减小输弹机构液压系统中的 液压冲击， 提高输弹机构的可靠性 ， 延长使用寿命。本文 通过单独改变某一影响参数分析了不同参数对输弹机构 液压冲击的影响， 而没用考虑各参数之间的相互关系。因 此， 下一步将致力于仿真分析不同参数之间的匹配关系， 通过分析不同参数之间的关系选择合适的参数使输弹机 构液压系统中的液压冲击达到最小值 ， 以保证输弹机构液 压系统长期有效运转 。 3 ． 2 管道 内径 d对冲击的影响 参考文献 保证其余参数不变， 单纯改变管道内径 d ， 根据输弹机构 液压系统管道内径的实际需求， 取一组值 1 0 ． 3唧 、 1 2 ． 7 m m、 1 5 ． 9 r n r n ， 利用仿真模型对液压缸腔内的压力进行仿真， 可以 得出换向阀换向时的压力峰值 如图4 所示 ， 分析曲线可知 随着油管内径增大， 冲击压力逐渐减小。 a a e t u a t o r O 0 l - p r e a a u r e a t p o r t 1 h T t 4m， f 1n 1 ⋯l 1 1 cI t e m 2 o f d 2 7 [ n u l l 】 ____ ____ i ⋯ ’ ● 由 左查右油 筐肉 分 别 j 。 芗 ． 5 ． 9m m I l 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ．0 Us 1 3 6 [ 1 ]李宁 ， 张玉峰 ， 王建成． 液压 系统 冲击 的分析与 控制 [ J ] ． 机 床 与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 4 1 4 9 1 5 1 ． 【 2 ]邢道奇 ， 张 良欣 ， 任 爱娣 ． 纵 向补给 装置 液压 冲击 仿 真分 析 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 3 l 6 1 8 ． [ 3 ] 付永玲， 齐海涛． L M S I m a g i r l e ． L a b A M E S i m系统建模和仿真实 例教程 [ M] ． 北京 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 4 ] 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 ] ． 液压与密动， 2 0 0 5 ， 3 2 8 3 1 ． [ 5 ]邬国秀 ． 基于 AME S i m的 阀控 液压缸液 压伺服 系统仿真分 析 [ J ] ． 计算机应用技术 ， 2 0 0 8 ， 3 5 2 8 3 0 ． [ 6 ]马长林 ， 黄先祥 ， 郝琳． 基于 AM E S i m 的电液伺 服系统仿 真与 优化研究 [ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 6 3 2 3 4 ． [ 7 ]秦家升， 赵继云， 王晓倩等． 挖掘机液压冲击分析[ J ] ． 机床与 液压 ， 2 0 o 8 ， 3 6 9 2 7 3 2 7 5 ． 图4 油管内径对油口c压力的影响 收稿日期 2 0 1 3 0 4 0 8 h t t p ∥Z Z H D． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． c n E m a i l Z Z HD c h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 ∞∞∞∞加m 0 加∞如∞∞加m 0 ∞∞∞∞加m 0