液压起竖系统载荷仿真研究.pdf

Hy d r a ul i c s Pne umat i c s＆ Se a l s ／ No ． 1 2． 201 2 液压起竖系统载荷仿真研究 周大星 ， 瞿 军 1 ． 海军航空工程学院 研究生管理大队， 山东 烟台 ， 2 6 4 0 0 1 ； 2 ． 海军航空工程学院 飞行器工程系 ， 山东 烟台 ， 2 6 4 0 0 1 摘要 针对某特种车辆的液压起竖系统 ， 根据其运 动状态 和运动方程 ， 分别建立 了起竖液压缸活塞杆位移 和流量计算模型 、 液压负载 力矩计算模型 和液压缸起竖力计算模型 。基于 A ME S i m 软件 建立起液压起竖系统及载荷 的仿真模型 ， 并进行 了动态仿真 ， 得到了液压 缸 活塞杆 的位 移和速度 、 液压缸无杆腔 的压力与流量 、 液压负载力 矩和起竖力等参量的曲线。 分析各个参数动态特性 ， 对 与负载相关 的 参量有 了定量 的认识 。研究结果 可为起竖 系统 的结构优化设计 、 故障诊断提供参考 。 关键 词 起竖系统 ； 载荷 ； A ME S i m； 仿 真 中图分 类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 1 2 0 0 3 5 0 4 Lo a d S i mu l a t i o n S t ud y o f Hy d r a u l i c Er e c t i on S y s t e m Z HO U D a - x i n g 1 ， Qu J u n 1 ． N a v a l A e r o n a u t i c a l a n d As t r o n a u t i c a l U n i v e r s i t y G r a d u a t e S t u d e n t s ’ B ri g a d e ， Y a n t a i 2 6 4 0 0 1 ， C h i n a ； 2 ． N a v a l A e r o n a u t i c a l a n d As t r o n a u t i c al U n i v e r s i t y De p a r t m e n t o f Ae r o c r a f t E n g i n e e ri n g ， Y a n t a i 2 6 4 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e c o mp u t a t i o n a l mo d e l s o f t h e c y l i n d e r ’ S r o d d i s p l a c e me n t a n d fl o w r a t e ， t h e h y d r a u l i c l o a d mo me n t a n d t h e e r e c t i o n f o r c e o f t h e c y l i n d e r i n h y d r a u l i c e r e c t i o n s y s t e m o f t h e s p e c i a l v e h i c l e w e r e b u i l d u p ， a c c o r d i n g t o t h e mo t i o n s t a t e s a n d e q u a t i o n ． Ba s e d o n AMES i m s o f t ， s i mu l a t i o n mo d e l s o f h y d r a u l i c e r e c t i o n s y s t e m a n d i t s l o a d w e r e s e t u p ． D y n a mi c s i mu l a t i o n wa s c o mp l e t e d t o g e t s i mu l a t i o n c u r v e s o f p a r a me t e r s i n t e r r e l a t e d l o a d ， s u c h a s t h e c y l i n d e r ’ S r o d d i s p l a c e me n t a n d v e l o c i t y ， p r e s s u r e a n d fl o w r a t e i n t h e c y l i n d e r v o l u me wi t h o u t r o d ， t h e h y d r a u l i c l o a d mo me n t a n d t h e e r e c t i o n f o r c e ． Af t e r a n a l y s i s o f t h e p a r a me t e r s ’ d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c ， q u a n t i f i e a t i o n a l a c q u a i n t a n c e s h i p wa s g o t ． T h e r e s e arc h c o n c l u s i o n s c a n o ff e r r e f e r e n c e s f o r o p t i mi z i n g d e s i g n a n d ma l f u n c t i o n d i a g n o s i s ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c e r e c t i o n s y s t e m ； l o a d； AMES i m ； s i mu l a t i o n O 引言 起竖系统是将导弹由水平运输状态起 竖成倾斜发 射状态 的机构。在某特种车辆上 。 液压起竖系统结构为 三铰点式 ， 主要包括起竖液压缸、 起落架和起竖耳轴口 2 1 ， 如 图 1 所示 。 工作时 ， 液压力作用于起竖液压缸 ， 活塞杆 伸出或收回， 支撑装载导弹发射筒的起落架围绕 回转耳 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 2 5 作者简 介 周大 星 1 9 8 5 一 ， 男 ， 河北灵 寿人 ， 硕 士研究生 ， 研究方 向为兵 器发射理论与技术 。 图 1 液压起竖系统示意图 轴转动 ， 完成起竖和回平动作。 在此过程中， 起竖系统的 载荷在不断变化 ， 其受力情 况 比较复杂 ， 影响液压系统 的稳定性与可靠性 ， 因此 ， 有必要对起竖过程中的载荷 进行分析 ， 研究载荷变化对液压 系统参数 的影响 ， 增进 完成气动元件的各项功能和性能试验 。采用多线程技 术采样压力 、 流量 和温度信号 ， 并绘制测试 曲线 、 生成 试验报表。经工业性试验和现场使用表明 ， 试验 台工作 可靠 、 性能稳定 ， 各项指标达到 了设计要求。 参考文 献 [ 1 】1 杨 天兴 ． 气 动 技 术 的发展 现状 及 其应 用 前 景[ J ] ． 实用 技 术， 2 0 1 2 ， 4 3 9 - 4 1 ． -● 一- - [ 2 】 路波， 江爱青， 等． 气动元件质量检测标准及评判[ J ] ． 液压气动 与密封 ． 2 0 1 2 ， f 2 7 7 ～ 8 1 ． 【 3 】 张冬明． 基 于模 块化气动元件性能 测试 平台开发【 D ] ． 杭 州 浙 江大学． 2 0 1 1 ． [ 4 ] 温济全 ， 张国贤 ， 等． 多功 能气 动元件测试 台的开发[ J ] ． 液压气 动 与密 封， 1 9 9 9 ， 4 1 3 9 ～ 4 1 ． [ 5 】 S Y ／ T 5 0 2 7 2 0 0 6 ， 石油钻采设备用气动元件[ s ] ． 3 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 O1 2年 第 1 2期 对负载相关参量的定量认识 。 研究结果可为起竖系统的 结构优化和设计 、 故障诊断提供参考。 1 液压起竖系统 载荷计算f3 1 1 ． 1 液压 起竖 系统状 态 液压起竖系统主要有三种状态 ． 即水平状态、 起竖 状态和起竖到位状态。水平状态是起竖过程 的初始状 态 ， 此时发射筒和起落架处于水平位置 。 起竖液压缸活 塞杆的位移为零 ；起竖状态是起竖过程 的中间状态 ， 液 压缸活塞杆的位移在不断变化 ， 从而改变发射筒的俯仰 角 ； 当发射筒 的俯仰角达到规定值 时， 液压缸活塞杆的 位移不再改变 ， 进入起竖到位状态。 图 2是起竖系统在其纵向垂面 x O Y内不同时刻的 运动状态。状态 1为导弹起竖前 ， 发射筒和起落架处于 车体调平后的水平位置状态 ，状态 2为起竖过程 中的 某一状态。图中 0 为起竖耳轴旋转 中心 ， 0 为起竖液 压缸与车底 盘的支撑 中心 。 0为起竖液压缸与起落架 的支撑 中心在起竖前 的位置 ， 0， 为起竖液压缸与起落 架 的支撑 中心在起竖时的位置 ， 、 B分别是发射筒和 起落架在起竖前 的重心位置 。 A 、 B 分别是发射筒 和起 落架在起竖过程中的重心位置。 图 2起 竖 系 统 状 态 为研究需要 ， 作以下假设 1 根据起竖系统 的空间结构 ， 假设 0 ， 、 0 2 、 0、 0 、 A、 、 、 均在 x O ， ， 平 面 内 ； 2 液压起竖系统 为刚体结构 ， 且忽略结构 间隙、 安装误差、 转动处和滑动处的摩擦 ； 3 发射筒与起落架相对平行固定 即两者相对水 平面的俯仰角相等 ， 且载荷集 中分布于各 自重心。 1 ． 2 起竖液压缸活塞杆位移和流量 设在起竖零时刻 ， 系统处于水平状态 ， 经过时间 t 后达到起竖到位状态。 水平 状态时 ， 设 D 0 3 。 ， O 0 2 2 0 ， O 0 3 3 ， ／0 2 0 ， 0 0 0 。L 1 、 L 2 O 和 ￡ 由系统 的结构和空间位 置决定 ． 可以直接测得 。 36 在 A O ， 0 中， 根据三角函数余弦定理可得 一 ／- - 0 2 0 3 0 ㈩ 所 a rc c o s 叠 2 起竖状态时 ， 设 0“ 0 2 2 t ， ／0 2 0 0 ￡ 。而 0“ 0 3 0 0 3 ￡ 3 为已知。 起竖到位时 ，设发射筒俯仰角 O 0 0 O r 为规定 值 。 假设起竖过程中， 发射筒的俯仰为匀速运动 ， 且 由 于速度较小 ， 不考虑初始加速和末端减速过程。则 I o o ， t O f { 0 ∞ f ， 0 t 3 l o 十 0 [ ， t t 。 t e a ／ o 4 式中 卜一 发射筒的俯仰角速度 ， 其值由设计要求给出。 在 A O 0 0 中， 根据三角函数余 弦定理可得 c o s ／0 2 0 3 0 “ ， ㈤ 求解可得 L t 、 ／ 札 一 1 L 3 c o s O t 6 液压缸活塞杆位移为 z 2 z 0 7 综合 4 、 5 、 7 、 8 式可以解得 s ￡ 、 ／ ； 一 2 L 1 L 3 c o s 0 ∞ - L 2 0 ， o ≤ ￡ ≤ } cu 8 在 8 式 中， 对时 间 t 求导 ， 可得液压缸 活塞杆速 度 一 一 9 V￡ 1 3 一 1 L 3 c o s O t 起竖液压缸无杆腔的流量 q t Av t 1 0 式 中A 液压缸无杆腔活塞面积 。 1 ． 3 液压负载力矩 液压起竖系统的负载指发射筒和起落架 ，负载力 矩指两者重力矩之和。 水平状态时，设发射筒重心到起竖耳轴的连线为 A0 ， 其与水平面夹角为／O 0 ， A； 起落架重心到起竖耳 轴的连线为 B O 。假设忽略起落架厚度 ， 则其处于水平 面上。AO 3 ， B O 3 L ， D D A ， 均可测量得到 。 Hy d r a u l i c s Pn e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 01 2 起竖过程中，发射简重心到起竖耳轴的连线为A ， 其与水平 面夹角为 0 0 A ￡ ； 起落架重心到起竖 耳 轴的连线 为 B O 。夹角为 ／_0 0 B t 。显然 ， A ，03 03 4， B O3 BO3 5。 根据三角关系得 ￡ B 一 o o 1 1 一 0 1 2 以顺 时针为正方 向。发射筒和起落架 的重力矩分 别为 --- - m A g L 4 C O S t 1 3 MB m B 5 C O S t 1 4 式 中m A 、 m 分别为发射筒和起落架的质量 ； r重力加速度。 发射筒与起落架产生的负载力矩 为 M M～ MB 1 5 将 以上各式综合可得液压负载力矩为 M m A g L 4 C O S fl to t mB g L 5 c o s to t 1 6 1 ． 4液压 缸起 竖 力 设起竖过程中液压缸活塞杆的支持力为 F 。在 Z l O 2 0 3 0 中作垂线段 0 3 6 ， 则 0 3 H是 F t 的力臂 。 根据三角形面积公式 o 2 0 ， 一 2 f 6 一 1 ￡ 3 s i n t 1 7 可 1 8 液压缸活塞杆的支持力力矩为 MF - F t L 6 1 9 以 0 为 中心， 可列出负载力矩转动微分方程 埘 B J O ￡ 2 0 式 中 、 分别是发射筒和起落架的重力矩 ； 起竖耳轴对起落架 的支持力矩 ，因为力 臂为零所 以 0 ； ．卜发射筒和起落架的转动惯量 负载的角加速度 ； 由于假设负载是匀角 速度运动的， 所以 o t O 。 将 1 3 、 1 4 式和 1 9 式代人 2 0 式 ， 可得 吼 g L 4 C O S t mB 5 c o s t 一 F t L 6 O 2 1 再将 1 8 式代人 2 1 式 ， 解得 脚 2 2 最后将 6 、 1 1 、 1 2 式代入 2 2 式得 F f mA g L 4 c o s fl t o t 而m B g L 5 c o s to t V￡ 1 3 一 】 L 3 c o s O t 2 3 2 液压起竖系统载荷仿真 2 ． 1 AME Si m软件简介 A ME S i m是基于键合 图的液压／ 机械 系统建模 、 仿 真及动力学分析软件 ，可 以使用简单直观的已有模型 或建立新的子模型元件 ，构建优化设计所需 的实际原 型 ，也可以修改模型和仿真参数 ，进行稳态及动态仿 真 、 绘制 曲线并分析仿真结果 ， 界 面比较友好 、 操作非 常方便嗍 。 2 ． 2液压起竖系统及载荷建模 根据液压起竖系统 的结构 ，利用 A ME S i m液压元 件模块搭建系统仿真模型【5 - 7 1 。如 图 3所示 。 图 3液 压 起 竖 系统 仿 真 模 型 建模的关键在于载荷 函数 的构建 。根据上文的计 算 结果 ，选择 A ME S i m信号元件库 中的常数信号源 1 作为 O ， 常数信号源 3作为 ， 选择线性信号源 2模 拟 to t ， 再利用求和工具就可以得到函数 、 和 t 。函数 4是对 进行运算 ， 从而计算 出 L s i n O t ； 通过函数 5可以计算 出L t 。 函数 6计算 了 ， 函数 7计算了 。最后利用函数 8 求得液压缸起竖力 F t 。 模型的部分参数设置如表 1所示 。 表 1主要参数 37 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0l 2年 第1 2期 2 ． 3液压起竖系统载荷仿真结果及分析 在运行模式下 ， 设置运行参数 仿真时间 4 0 s ， 采样 时间 0 ． 0 2 s ， 仿真模式为动态。进行仿真得到如下曲线。 由于是在理想情况下进行的仿真 ，未考虑系统的 摩擦力、 泄漏和液压油的压缩性等因素 ， 所 以液压缸活 塞杆的位移仿真 曲线基本呈线性增长 ， 如图4所示 。起 竖过程开始后 ， 活塞杆位移从零开始匀速增大 ． 在 3 5 ． 2 s 时达到最大值 0 ． 6 3 m， 此时起落架起 竖到位 ， 然后保持 位 置不 变 。 从 图 5可 以看 出 ， 初始 时 ， 液 压缸 活 塞 杆 的速 度迅 速从 0 m ／ s 上升至 0 ． O 1 7 m ／ s 。 随着时间的增大 ， 活塞杆的 速度也在增大 ， 在 3 5 ． 2 s 时达到极值 0 ． 0 1 9 m ／ s 。这是因 为起竖过程 中， 起 竖负载在不断减小 ， 活塞杆受相对推 力的作用而具有一定的加速度 。 7 0 6 O 5 0 4 0 3 O 2 0 1 O O0 时间／ s 时间／ s 图 4活塞杆位移仿真 图 5活塞杆速度仿真 由图 6可知 ， 液压缸无杆腔的压力在起竖开始时迅 速升至约 6 7 ． 8 b a r 。 这与计算值最大 5 8 ． 1 b a r 有所偏差 。 是 因为起竖系统的调定工作压力 比较大 ， 为 1 l O b a r ， 远远 大于负载所需压力 ． 而液压系统的响应存在延迟 ， 使得 液压缸无杆腔的压力不能完全与负载压力相一致。起 竖过程中无杆腔压力随着负载的减小而呈非线性缓慢 下降 ， 起竖到位时降至最低值 5 6 ． 1 b a r 。 从 图 7中可 以看 到 。液压 缸无杆腔 的流量从初始 时 的约 1 5 ．4 I d m i n缓慢 增 长至 起 竖 到位 时 的约 1 7 ． 5 L ／ mi n 。 变化趋势与图 5的速度变化趋势完全吻合 ，表 明了活 塞 杆的流量与其速度 成正 比， 这与式 1 O 的计算 结果 相符。 1 2 O 1 0 0 8 O 6 O 4 O 2 O O 鼬酒 一 量 量 血 避 5 1 0 l 5 2 02 5 3 O 3 5 4 0 4 5 时间／ s 图 6无杆腔压力仿真 图 7 无杆腔流量仿真 从图 8可知 ，液压负载力矩起竖开始时最大约为 1 3 5 ． 1 k N m， 随着 时 间增大 ， 其值 逐 渐减 小 ， 至 3 5 ． 2 s 时 ． 减为最小值约 1 3 5 ． 1 k N m。 原因是随着发射筒俯仰 58 角增大 ， 发射筒与起 落架产生 的重力矩力臂在减小 ， 使 得负载力矩相应减小 。该 曲线趋势接近余弦函数 ， 这 与式 1 6 描 述的负载力矩 与余弦 函数有关 的结论 相 吻合 。 由图 9可发现 ， 起 竖开始 时 ， 液压缸起竖力最大 ， 约为 9 7 4 8 6 N。随着液压缸活塞杆的升出 ， 负载逐渐变 小 ， 在 3 5 ． 2 s 时达到最小值 7 6 6 7 7 N并保持恒定 。实际 上 ， 发射筒的俯仰角不断增大 ， 作用在液压缸上 的负载 不断的变小 ， 直到系统起竖到位后 ， 负载将保持为一个 定值 g 图 8液 压 负载 力 矩 仿 真 曲线 图 9液压 缸 起 竖 力仿 真 曲线 3 结论 本文 以某 特种车辆液 压起竖 系统系统 为研究 对 象 ， 分析了起竖过程 中的系统运动状态 ， 在合理假设的 基础上计算 出了起竖液压缸活塞杆位移和流量 、液压 负载力矩 以及液压缸起竖力等与载荷相关的参数 。基 于 A ME S i m软件建立起液压起竖系统及载荷 的模型 ， 进行了动态仿真， 并得到了与载荷相关的参数 曲线 。 最 后定量分析了各个参数的动态特性。 参 考 文 献 [ 1 】 姚晓光 ， 郭晓松 ， 冯永保， 等． 导弹起竖 过程 的载荷 研究【 J ] ． 兵 工学报 ， 2 0 0 8 ， 6 ． 【 2 J 张胜三． 导 弹发射 车起竖机构分 析【 J 】 ． 导 弹与航天运载技术 ， 1 9 9 6 ， 1 ． [ 3 ] 姚 昌仁 ， 唐国梁 ， 宋廷伦． 火箭导弹发射动力学r M 】 ． 北京 北京 理工大学出版社 ． 1 9 9 6 ． f4 】 余佑 官 ， 龚 国芳 ， 胡 国良．A ME S i m 仿真技术及其在 液压系统 中的应用[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 5 ， 3 ． [ 5 】 谢建 ， 罗治 军 ， 田桂， 等． 基 于 A ME S i m 的导弹起 竖系统 建模 与仿真[ J ] ． 流体传动 与控制 ， 2 0 0 9 ， 5 ． 【 6 ] 张强 ， 姜毅 ， 傅德 彬， 等． 基 于容腔节点 法的液压 起竖 系统仿 真『 J 】 ． 机床 与液压 ， 2 0 1 0 ， 1 1 ． [ 7 】 高钦 和 ， 黄先祥 ． 多级缸起 竖系统运动过程 的建模与仿真 【 J J ． 系统仿真学报 ， 2 0 0 5 ， 7 ． [ 8 】 雷天觉． 新编液压工程手册[ M] ． 北京 北京理工大学， 1 9 9 9 ． [ 9 ] 陆元 章． 现代机 械设备设 计手册 【 M】 ． 北京 机 械工业 出版 社， 1 996 O O O 0 O 0 T ∞ ． 山 ＼ 越斑 5