无人机车载液压弹射系统研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／2 01 6年 第 01 期 d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 1 0 无人机车载液压弹射系统研究 顾根泉 平高集团有限公司， 河南 平顶山4 6 7 0 0 1 摘 要 以无人机液压弹射系统为研究对象， 介绍了液压弹射系统的工作原理， 对高速运动系统的缓冲进行了研究 ， 建立了运动系统的 简化模型， 对弹射过程中液压系统与无人机的运动特性进行了计算分析， 为无人机液压弹射系统的研制提供理论依据。 关键词 无人机； 液压弹射； 运动特性 ； 计算分析 中图分类号 T H1 3 7 ． 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 1 0 0 4 0 - 0 5 Re s e a r c h o n U Ve hi c l e Hyd r a u l i c La u n c h S y s t e m GU Gen qu a n P i n g g a o Gr o u p C o ． ， L t d ． ， P i n g d i n g s h a n 4 6 7 0 0 1 ， C h i n a A b s t r a c t F o r u n ma n n e d a e r i a l v e h i c l e u a v h y d r a u l i c l a u n c h s y s t e m a s t h e r e s e a r c h o b j e c t ． t h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c l a u n c h s y s t e m wa s i n t r o d u c e d ． S tud i e d t h e b u f f e r o f h i g h s p e e d mo t o r s y s t e m． S i mp l i fie d mo d e l o f t h e mo t o r s y s t e m i s e s t a b l i s h e d ， T h e h y d r a u l i c s y s t e m i n t h e p r o c e s s o f l a u n c h a n d m o v e me n t c h a r a c t e r i s t i c s o f UA V h a s c a r r i e d o n t h e c a l c u l a t i o n a n d a n a l y s i s ． As t o p r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e d e v e l o p m e n t o f UHV h y d r a u l i c l a u n c h s y s t e m． Ke y wor ds u nma n ne d a e r i a l ve h i c l e； h yd r a ul i c l a unc h； m o ve me n t c ha r a c t e r i s t i c s； c al c ul a t i o n a nd a n a l y s i s 0 引言 无人机技术的迅速发展 ， 使之存社会各领域得到 了广泛应用 ， 而无人机是否能在各种条件下有效 、 安全 地起飞是无人机完成各项任务的前提 。无人机的起飞 方式常用的是 自主起飞或动力弹射起飞 ， 动力 弹射起 飞具有安全 、 隐蔽 、 经济 、 适应性好的特点 ， 弹射起飞的 动力 机构有多种 ， 对 中、 小型无人机采用车载液压弹射 装置 ， 可充分地利用液压机构操作功适 中、 弹射装置结 构紧凑的特点 ， 使整套装置运输方便 ， 机动灵活， 易于 管理 ， 操作迅速 ， 通过调节液压 系统压力 ， 可适用 于不 同起 飞重量和起飞速度无人机 的起 飞要求⋯ 。 1 车载液压弹射系统的组成 车载液压弹射系统 的组成见图 1 ， 整套弹射系统可 安装 于运载车辆①上 ， 主要 由液压动力系统② 、 滑轮增 速系统③、 缓冲系统④、 弹射轨道系统⑤， 滑车系统⑥ 及电气控制系统组成 。 弹射无人机时 ， 液压动力 系统中液压缸 内的活塞 杆向左快速运动 ， 活塞杆与绕有钢丝绳的滑轮组连接 ， 通过滑轮增速系统增速 ， 使钢丝绳的另一端拉动滑车 及无人机在弹射轨 道上作加速运动 ， 当滑车及无人机 运动到弹射架 的左端时， 达到无人机的起飞速度 ， 滑车 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 2 7 作者简介 顾根泉 1 9 6 3 一 ， 男， 河南平顶山人， 高级工程师， 从事液压机 构研发设计 。 4 0 触碰缓 冲器减速 ， 无人机脱离滑车 起 飞， 同时， 液压缸内部设置的缓冲器使活塞杆减 速并停止运动。 4 j 2 3 5 6 图 1 车载液压弹射 系统 2 液压动力系统的组成及工作原理 弹射系统的核心元件是液压动力系统 ， 弹射装置 在弹射无人 机时 ， 液压缸 中的活塞杆采用 回收 的T作 方式 ， 以保证细长活塞杆 的稳定性。 液压动力系统的T作 原理 图见 图 2 。弹射无人机 前 ， 对液压系统适当蓄能， 使弹射系统在初始位置图 2 a ， 用锁扣机构将滑车及无人机锁扣在初始位置， 再将 控制阀位置 转换至 图2 b ， 然后启 动电机蓄能至工作压 力 。油泵采用 的是高压柱塞泵 ， 由电机带动油泵运转 ， 通过油泵内柱塞的往复运动， 油箱内的低压油经过滤 器被吸出并通过逆止进入高压系统内。进入高压系统 的液压油经管路再进入蓄能器的充油端及液压缸内活 塞 的右侧 ， 锁扣机构通过钢丝绳及滑轮增速系统将活 塞杆拉在右端 。蓄能器采用 的是活塞 隔离式 蓄能器 ， 一 端预先充有一定压力的高纯氮气 ， 进入蓄能器充油 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 1 ． 2 0 1 6 端的高压油推动活塞运动 ， 压缩另一侧的氮气蓄存能 量 。当液压 系统压力升高到设定值时 ， 油压开关动作 ， 切 断电机控 制回路 ， 电机停止打压 。此时液压缸活塞 左端与油箱连通 ， 活塞在右端高压油的作用下使弹射 系统处于待发射状态 ， 见图2 b 。 1 一 油箱2 一 过 滤器3 一 油泉4 一 电机 5 一 逆止阀6 一 安 全阀7 一 高压放油 阀8 一 控制 阀 9 一 液压缸1 0 一 油压 开关1 卜油压 表1 2 一 蓄能器 图 2 液压 系统 工作原 理图 弹射无人机 时 ， 通过 电气控制 回路使 锁扣机构上 的电磁铁带电吸合， 电磁铁铁芯触动锁扣机构， 使锁扣 机构解锁脱扣1 3 ， 将滑车释放 ， 滑 车及无人机开始运动 ， 液压缸活塞在右端高压油 的推动下 ， 向左运动 ， 活塞杆 通过滑轮增速系统拉动滑车及无人机加速运动。 当滑车运动到弹射架的左端时， 滑车触碰缓冲器 减速， 在液压缸内部还设置有缓冲器， 使高速运动的活 塞杆减速并停止运动 ， 避免产生过大的冲击振动 ， 提高 弹射系统的机械可靠性 。 滑车的缓冲采用图 3 所示的笛形缓冲器 ， 当滑车进 入缓冲行程时， 推动缓冲器 1 内的活塞向左运动， 活塞 左侧的液压油只能通过缓冲缸2 t-_ 的4 , f L IIE 出， 使缓冲 缸内的压力升高， 缓冲缸内的压力随活塞运动速度的 高低而变化 ， 使滑车平缓减速并停止运动 。 ， l 图3笛形缓冲器 液压缸 内的缓 冲采用图4 所示 的阶梯形缓 冲器 ， 液 压缸右端装有一个缓冲套 1 ， 活塞 的左端带有一个缓冲 活塞 2 ， 缓冲活塞采用阶梯 轴的形式 ， 当活塞杆进入缓 冲行程后 ， 缓 冲活塞进入缓冲套 的孔 中， 活塞左侧 的液 压油只能通过缓冲活塞与缓冲套之间的缝隙排出， 使 活塞左端 的压力升高 ， 缓 冲压力 随活塞杆 的运动速度 与缓冲问隙的变化而变化 ， 使活塞杆作减速运动。 I 2 图4 阶梯形 缓冲器 本文中的弹射系统未采用电液控制阀控制液压缸 进行 弹射动作的方式 ， 而采用脱扣机构控制弹射系统 的动作 ， 其对比将在后面讨论。 3 运动特性计算分析 3 ． 1 基本参数及要求 1 无人机重量 1 2 0 k g ， 滑车重量 8 0 k g ； 2 无人机弹射许用加速度3 5 r n ／ s 可调 ； 4 无人机起飞发射角度 l 0 。 ～2 5 。 可调 。 3 ． 2 弹射系统动力学分析 无人机 弹射时的许用加速度要求小于6 0 m ／ s ， 要达 到 3 5 m ／ s 以上的起飞速度 ， 考虑实际加速度的动态变化 及 风向 、 风速 的影响 ， 滑车需要较长 的加速行程 ， 液压 缸有效行程也较长 ， 选取增 速机构的增速倍数 n 8 。蓄 能器的预充氮气压力为 1 8 M P a ， 工作压力根据所发射 无人机的重量 、 滑车重量及许用加速度计算确定 。 考虑运动系统的复杂性 ， 可将整个系统分成如下 三个部分进行分析， 再联合进行计算。 1 将液压动力系统按图 5 进行简化。当弹射系统 运动时 ， 由液压缸 中的活塞杆带动动滑轮组运动 ， 活塞 杆的动力学方程为 P S 一 P S 一 ∑r - f , m a 。 1 式 中 m运动部分归化到活塞杆上的总质量 ； P 活塞有杆侧的瞬时压力 ； P ， 活塞无杆侧的瞬时压力； s ． 活塞有杆侧的作用面积 ； s ， 活塞无杆侧的作用面积 ； ∑ 7 1 动滑轮上钢丝绳总的作用力 ； ETT 1 ． 活塞杆运动时的摩擦力。 蓄能器 内氮气 的初始压力 为P 。 ， 初始体积为 ， 弹 射过程 中蓄能器 的排油量为A V ， 氮气 的压力可按绝热 4 1 液 压 气 动 与 密 封 ／2 O 1 6年 第 0 1 期 过程处理 ， 绝热指数 r -- - 1 ． 4， 则蓄能器 的瞬时压力p 按 下式计算 。 图 5 液压动力 系统简化模型 从蓄能器到液压缸有杆侧供油管路 的压力损 失为 。 从液压缸到油箱排油管路 的压力损失为 lp j ---- 去 式中 、 ． 供 、 排油管路 的压力损失系数 ； ．、O J， 供 、 排油管路中的流速 ； 油的重度 ； 重力加速度 。 所 以 P ． p一 。 P2 △ p 0 ． 1 2 将滑轮增速系统按图 6 进行简化 ， 考虑弹射过 程中细长钢丝绳的弹性变形 ， 将钢丝绳等效成弹簧m “ 1 ， 其运动质量归化至滑轮上。 4 2 图6 滑轮增速 系统 简化模型 取其中任一组滑轮如图7 ， 其动力学方程为 一 三 图7 滑轮简化模 型 一 ． 尺一 M J e 掣 工 JJ M ． t x T r T． 式中 、 钢丝绳拉力 ； 滑轮半径 ； ． 滑轮轴承摩擦转矩 ； ．， 滑轮转动惯量 ； 滑轮角加速度 ； E钢丝绳弹性模量 ； 4钢丝绳截面积 ； ， J ． 、 钢丝绳长度 ； Ax． 、 钢丝绳变形量 ； 滑轮轴承摩擦系数 ； r 滑轮轴承半径。 3 将滑车及无人机按图8 进行简化 。 2 图8 滑 车及 无人机简化模型 滑车及无人机的重量为M g ， 弹射过程中除受到钢 线绳的拉力 、 轨道的支持力Ⅳ及摩擦力_厂 夕 ， 还有无 人机的推力P 、 空气的升力 l ， 及阻力 ， 其动力学方 程为 P～ mg 一】 ， s i n 0 一 RC O S 0 一 -厂 Ma 2 3 l ， 寺 c p s 厶 1 R 告 c P ．s 式 中 钢丝绳的拉力 ； P发动机的推力 ； 滑车及无人机的质量 ； g重力加速度 ； 弹射架角度 ； l ， 、R无人机 的升力和阻力。 口卑二 L ] 曼一＼～ ～ Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 1 ． 2 01 6 C 、C 无人机的升力系数和阻力系数 ； P空气密度 ； 无人机速度 ； ．s 机翼参考面积 ； 厂 轨道摩擦力 ； 口 无人机弹射加速度。 3 ． 3 弹射 系统运动计算方法 以上对 弹射 系统进行 了动力学分 析 ， 所得 到的动 力学方程组很难用严密的解析方法求解， 本文采用逐 次近似的解法， 即将各变量与时间的关系分段线性近 似求解 ， 在分成足够 的n 段 区间内 ， 每一小段时间 内 各参数的变化近似是线性的 ， 计算 时应该使任一段 的 起始条件等于上一段的终端条件， 时间 的选取对计 算精度有较大影 响。 这样弹射过程的初始条件是已知的， 求解上述各 方程 ， 计算 出运动系统的初始加速度 0 ， 利用运动学 的 知识计算 出在 时问 内运动系统的速度及位移 ， 再计 算 出各作用力的变化 ， 只要 取的足够小 ， 采用逐步计 算 的方法便可连续计算 出整个动作时间内运动系统 的 加速度 、 速度和位移。 4 计算结果与分析 计算结果见图9 ～图1 1 。 图 9中， 曲线 1 对应液压缸 内活塞杆的行程 一 时间 变化， 曲线2 对应滑车的行程一 时间变化 ， 曲线3 对应无 人机的行程一 时间的变化 ， 可以看出液压缸的有效行程 在 1 ． 5 米 、 滑车及无人机的加速行程在 1 2 米 以上时才能 达到无人机的起飞要求， 加上缓冲行程 ， 液压缸、 滑车 及无人机的加速行程均较长。 一薰 。 5 图 9 位移 一 时间 曲线 图 1 0 速度一 时间曲线 7 O 6 0 5 0 1 0 0 0 图 1 1 加速度一 时间 曲线 图 1 0中， 曲线 1 为活塞杆在弹射过程中的速度一 时 间变 化 ， 活塞 杆在进入缓 冲前速度达 到最 大值 ， 约为 4 ．5 ri d s ， 进入缓冲后活塞杆的速度平缓下降。曲线2 为 滑车在弹射过程 中的速度一 时 问变化 ， 曲线 3 为无人机 在弹射过程 中的速度一 时间变化 。滑车在接触缓冲器 前 ， 速度 已大于3 5 m ／ s ， 随后无人机与滑车分离 ， 在发动 机推力的作用下平稳起飞 ， 高速运动的滑车在缓冲器的 作用下速度快速下降 ， 末速度变化平缓， 可靠 的实现了 “ 软着陆” ， 避免了出现大的冲击和振动。在整个加速过 程中， 液压缸内的活塞杆 、 滑车及无人机运动 比较平稳。 图 1 1 中 ， 曲线为无人 机在运动过程 中的加速度一 时间变化。在弹射过程中无人机的加速度存在小幅的 振荡 ， 无人机的最大加速度出现在运动开始时 ， 随后振 荡下降， 最大加速度值小于无人机的许用加速度值。 对图 6 所示 的滑轮增速系统 ， 因钢丝绳细长 、 且 弹 性模 量较小 ， 在 弹射过程 中需考虑细长钢丝绳弹性变 形 的影 响， 将钢丝绳等效成 弹簧 ， 这样 图6 所示的运动 系统就是一个二 阶振动 系统 ， 如液压动力系统采用常 用的电液控制阀控制液压缸进行弹射动作的方式 ， 则 活塞杆输出的作用力近似为阶跃激励载荷 ， 二阶振动 系统在阶跃激励载荷的作用下， 其位移、 速度和加速度 将产生幅值较大的振荡， 位移、 速度和加速度振荡变化 过大不利于无人机平稳起飞 ， 加速度幅值超过许用值 时， 将会因过载造成无人机损坏。因此， 本文中的弹射 系统采用预先加载 、 由锁扣机构控制弹射动作 的方式 ， 可根据无人机的许用加速度值， 方便的计算确定液压 动力系统的工作压力， 保证运动系统的最大加速度值 小于无人机的许用加速度值 。 同时 ， 计算结果表明弹 射系统 的位移 、 速度及加速度振荡的幅值均有效减小 ， 这不仅提高 了弹射系统的机 械可靠性 ， 也提高 了动力 传动系统的效率。 5 结论 计算表明， 采用液压弹射系统可以满足无人机弹 射起飞 的要求 。采用脱 扣弹射的工作方式 ， 在加速 弹 射过程 中， 加速度波动小 ， 无人机运动平稳 ， 承受的冲 液 压 气 动 与 密 ． ,-t d - ／2o l 6年 第 O l 期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 1 1 磨料水射流冲蚀工件仿真及实验研究 苗新刚 ， 武美萍 ， 缪小进 1 ． 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室 ， 江苏 无锡2 1 4 1 2 2 ； 2 ． 江南大学 机械T程学院， 江苏 无锡2 1 4 1 2 2 摘要 工业陶瓷、 钢材等高硬脆材料由于其硬度大、 脆性高等特点， 传统加T方法极容易产生细小裂纹 ， 从而影响1 件的寿命及综合 性能。磨料水射流加丁技术具有无热影响区、 加T范围广、 加_ l 柔性高等优点， 可实现对硬脆材料的精细加T。该文利用A N S Y S ／ L S D Y N A有限元分析软件对磨料水射流加丁过程进行了仿真， 将仿真结果与对应的实验结果进行对比分析 ， 得⋯仿真结果与实验结 果 有很好的⋯ 致性 。 关键词 磨料水射流； T岂参数； 材料去除率； 有限元分析 中图分类号 T Hl 3 7 ； T HI 6 ； T G 7 3 文献标 志码 A 文章 编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 1 0 0 4 4 0 4 Si mul a t i o n a n d Ex pe r i me n t a l Re s e a r c h o f Ab r a s i v e 匀f e r J e t Er os i o n W o r k p i e c e MI AOXi n - g a n g 。 ， WUMe i - pi n g 。 ， M1 A0Xi a o -j i n ‘ 1 ． J i a n g s u Ke y La b o r a t o r y o f Ad v a n c e d F o o d Ma n u f a c t u r i n g Eq u i p me n t T e c h n o l o g y , Wu x i 2 1 41 2 2 ， Ch i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， J i a n g n a n U n i v e r s i t y , Wu x i 2 1 4 1 2 2 ， C h i n a ； Abs t r a c t I n d u s t r i a l c e r a mi c s ，s t e e l s u c h a s h a r d b r i t t l e m a t e ria l s b e c a u s e o f i t s h i g h h a r d n e s s ， h i g h b rit t l e n e s s e t c ，t r a d i t i o n a l p r o c e s s i n g me t h o d v e r y e a s y t o p r o d u c e t i n y c r a c k ， w h i c h a ff e c t s t h e l i f e o f t h e wo r k p i e c e a n d t h e c o mp r e h e n s i v e p e r f o r ma n c e ． Ab r a s i v e wa t e r j e t ma c h i n i n g t e c h n o l o g y h a s n o h e a t a ffe c t e d z o n e ， h i g h ma c h i n i n g r a n g e ， fl e x i b l e ， a n d c a n r e a l i z e t h e fi n e ma c h i n i n g o f h a r d b rit t l e ma t e r i a l s ． T o o b t a i n t h e i n fl u e n c e l a w o f t h e p r o c e s s p a r a me t e r s t o a b r a s i v e wa t e r j e t ma c h i n i n g e ffic i e n c y , we s i mu l a t e d t h e p r o c e s s o f a b r a s i v e wa t e r j e t ma c h i n i n g wi t h ANS YS ／ LS - DYNA． W e r e a c h e d d i ffe r e n t c u r v e s a n d a n a l y z e d t h e m． F i n a l l y , we c a me t o t h e i n fl u e n c e l a w． T h e c o n c l u s i o n p r o v i d e s a r e f e r e n c e a n d b a s i s f o r a b r a s i v e wa t e r j e t ma c h i n i n g ． Ke y w o r d s a b r a s i v e wa t e r j e t ； p r o c e s s p a r a me t e r s ； ma t e r i a l r e mo v a l r a t e ； fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s 0 前言 工业陶瓷 、 钢材等高硬脆材料 由于其硬度大 、 脆性 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 7 0 3 基金项 目 国家 自然 科学 基金 5 1 2 7 5 2 1 0 作者简介 苗新刚 1 9 8 9 一 ， 男 ， 汀苏徐州人， 硕士研究牛， 研究方向为先 进机械设 计及制 造。 高等特点， 传统加工方法容易产生细小裂纹 ， 很难实现 对他们的精 密加工 ， 从而影 响了工件材料 的寿命及综 合性能⋯ 。 磨料水射流加T技术作 为一种非传统 的冷加T技 术 ， 近 2 O 多年来得到了迅速发展-z ’ 。相对于其他 的传统 加T技术而言 ， 磨料水射流加工技术具有无 热影 响区 、 在液压弹射系统的设计 中 ， 不能忽略无人机对许 [ 3 】 苑舜． 山压断路器弹簧操动机构[ M 】 北京 机械T业 版社， 要 孽 妻 施2 0 0文 1耀． ．开 关 液 压 机 构 [M E 京 机 械 工 业 m 版 社 ’19 9 0 ． ， 要 ．萋 篓 n ；． 奋 乏 ” 加 速 到 要 求 的 起 飞 速 度 。 特 别 是 对 车 载 系 统， 弹 射 轨 6 素 荔 研 究 与 仿 真 Ⅲ ． 道的长度不能过长 ， 设计时需充分考虑许用加速度对 机床与液压 ，2 01 4 ， f 2 2 1 3 0 - 1 3 2 ． 无人机加速行程的影响， 并尽量提高动力传动系统的 [7 1 吴沂隆． 钢丝绳弹性模量研究fJ l _福建林业科技 ，2 0 0 3 ， 3