供彈動力系統(tǒng)蓄能器參數(shù)分析與選擇

續(xù)彥芳，蘇鐵熊，顧亮先，崔俊杰

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.西北機(jī)電工程研究所,陜西 咸陽 712099)

在某炮大容量、可快速更換彈種的供彈系統(tǒng)的研制中，為解決利用小功率電機(jī)泵組，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)大功率多負(fù)載需求之間的矛盾，有效降低能源消耗的目的，采用定量泵加蓄能器和溢流閥相結(jié)合的液壓動力系統(tǒng)[1]。但將蓄能器作為獨(dú)立研究對象，按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取設(shè)計(jì)參數(shù)，其選用結(jié)果與動力系統(tǒng)的匹配性很難得到理想的結(jié)果。本文利用AMESim軟件建立了包括蓄能器在內(nèi)的供彈液壓動力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)分析了蓄能器容積和充氣壓力等參數(shù)對系統(tǒng)壓力波動及供彈速度的影響，并給出了在規(guī)定系統(tǒng)壓力下蓄能器參數(shù)的計(jì)算方法和選擇建議。

1 供彈液壓動力系統(tǒng)中蓄能器作用

1.1 供彈液壓動力系統(tǒng)

供彈液壓動力系統(tǒng)如圖1所示。

由單泵驅(qū)動3個(gè)并聯(lián)液壓馬達(dá)，按一定的順序協(xié)同動作，實(shí)現(xiàn)供彈過程中供彈系統(tǒng)機(jī)械部件的轉(zhuǎn)動、定位、推彈和更換彈種等動作。馬達(dá)4驅(qū)動大容量儲彈倉快速啟動、制動、定位；馬達(dá)6和馬達(dá)(6)驅(qū)動撥彈輪快速供彈，根據(jù)自動機(jī)射頻的節(jié)奏需求，在堵轉(zhuǎn)工況下自適應(yīng)工作。

在射擊準(zhǔn)備階段，調(diào)定系統(tǒng)供油壓力，給蓄能器充油，蓄能器的壓力將保持在主路供油壓力p附近；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入射擊狀態(tài)蓄能器將儲存在其中的壓力油釋放出來，與液壓泵同時(shí)給系統(tǒng)提供壓力油，驅(qū)動彈鼓轉(zhuǎn)動及推彈機(jī)構(gòu)向自動機(jī)供彈，彈鼓轉(zhuǎn)停一個(gè)工位及供彈堵彈時(shí)，油泵將繼續(xù)給蓄能器充油直至壓力到達(dá)系統(tǒng)最高壓力p2后停止。溢流閥10為系統(tǒng)設(shè)定壓力。

1.2 蓄能器的作用

蓄能器在供彈動力系統(tǒng)中主要有以下兩方面的作用。

1.2.1 在彈鼓停轉(zhuǎn)時(shí)儲存能量

在供彈系統(tǒng)供彈的每一個(gè)用油周期內(nèi)，在其用油高峰時(shí)，液壓泵與蓄能器同時(shí)供油，在非用油高峰時(shí)，液壓泵不停地為系統(tǒng)供油，多余部分再次把蓄能器充滿，使系統(tǒng)在下一個(gè)用油高峰時(shí)蓄能器保證正常供油。利用蓄能器循環(huán)充放油的過程，使蓄能器與泵同時(shí)把能量傳給系統(tǒng)，從而可減小液壓泵的排量和驅(qū)動功率，滿足供彈系統(tǒng)短時(shí)大流量之需求，實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)動慣量彈鼓和多路執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻繁快速啟動、制動的間歇式工作，適應(yīng)高速供彈系統(tǒng)的工作特點(diǎn)。

1.2.2 吸收壓力脈動

液壓動力系統(tǒng)負(fù)載由外負(fù)荷決定，瞬時(shí)大功率的系統(tǒng)工作特性造成了整個(gè)系統(tǒng)的流量和壓力幅值的波動，為保證供彈的及時(shí)性和可靠性，在流量脈動的一個(gè)周期內(nèi)，瞬時(shí)流量高于平均流量的部分被蓄能器吸收，而低于平均流量部分的油液則由蓄能器補(bǔ)充，削減系統(tǒng)的壓力波動保證壓力波動小于10%，起到穩(wěn)定系統(tǒng)恒壓效果。

2 蓄能器工作原理及參數(shù)的選取

2.1 蓄能器工作原理

蓄能器是根據(jù)力的平衡原理，利用其內(nèi)部工作介質(zhì)(常為液壓油)的體積發(fā)生變化，達(dá)到儲存和釋放液壓能。由隔膜或氣囊將蓄能器分為氣腔和液腔，當(dāng)系統(tǒng)壓力大于蓄能器氣腔壓力時(shí)，為充液狀態(tài)，氣囊容積變??；當(dāng)系統(tǒng)壓力小于蓄能器氣腔壓力時(shí)，為排液狀態(tài)，氣囊膨脹容積增大。

2.2 充氣壓力p0的確定

1)從使蓄能器總?cè)莘eV0最小，單位容積儲存能量最大的角度出發(fā)選取，充氣壓力p0應(yīng)等于0.47倍的最高工作壓力p2[2]。

2)從保護(hù)皮囊并延長其使用壽命的角度出發(fā)來選取，充氣壓力p0應(yīng)在系統(tǒng)最低工作壓力p1的90%和系統(tǒng)最高工作壓力p2的25%之間選取[3-4],即p0=0.25p2～0.9p1。

2.3 蓄能器總?cè)莘eV0的確定

(1)

(2)

式中：C為常數(shù);p0為充氣壓力；V0為充氣容積，即蓄能器的總?cè)莘e；p1為最低工作壓力；V1為壓力為p1時(shí)氣體的容積；p2為最高工作壓力；V2為壓力為p2時(shí)氣體容積；ΔV為有效排油量；k為多變指數(shù)。

3 蓄能器動態(tài)數(shù)學(xué)模型

3.1 蓄能器充、放液流量動態(tài)數(shù)學(xué)模型

蓄能器充、放液動態(tài)特性取決于蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)、充氣壓力及充液起始狀態(tài)等。假設(shè)蓄能器進(jìn)油口無節(jié)流效應(yīng)，(p0,V0)為系統(tǒng)調(diào)定壓力下蓄能器的穩(wěn)定工作點(diǎn)，則蓄能器氣腔容積有：

(3)

式中：p為蓄能器內(nèi)任意時(shí)刻氣體壓力；相應(yīng)氣體體積為V；k為氣體的多變過程指數(shù)，無量綱，絕熱過程取1.4，等溫過程取1。

對式(3)求導(dǎo)得：

(4)

氣體在工作點(diǎn)附近作微幅變化時(shí)，p、V變化很小，即有p≈p0，V≈V0,得:

(5)

設(shè)蓄能器充放油流量為q，則有:

(6)

由式(5)、(6)得:

(7)

3.2 蓄能器充、放液壓力動態(tài)數(shù)學(xué)模型

(8)

對式(7)積分，得:

(9)

4 蓄能器參數(shù)分析

利用AMESim平臺的Powertrain、Signal control and observers和Mechanical模塊[5]，針對供彈系統(tǒng)復(fù)雜性，建立了其參數(shù)化仿真模型，如圖2所示。

4.1 蓄能器有效放油量

供彈系統(tǒng)液壓泵排量為8 mL/r，電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 r/min，系統(tǒng)最低工作壓力p1=10.0 MPa，最高工作壓力p2=14.0 MPa確定的前提下，為保證蓄能器工作容積的充分利用，不考慮其容積變化量和變化次數(shù)[2]。在系統(tǒng)壓力建立起來后，蓄能器和液壓泵同時(shí)供液應(yīng)滿足供彈系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)中峰值流量的需求，根據(jù)系統(tǒng)在一個(gè)工作循環(huán)中流量的瞬態(tài)變化情況，確定供彈系統(tǒng)峰值流量，由峰值流量與液壓泵流量之凈差確定蓄能器有效放油量ΔV。分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在供彈系統(tǒng)的一個(gè)工作循環(huán)中，蓄能器有多次充、放油過程，其最大放油量為0.12 L，按充放液過程為絕熱過程，多變指數(shù)k取1.4，預(yù)充氣壓力取9.0 MPa，由公式(1)計(jì)算取整得V0=0.6 L。

4.2 蓄能器參數(shù)對系統(tǒng)的影響

4.2.1 蓄能器容積V0對系統(tǒng)的動態(tài)影響

在蓄能器充氣壓力(p0=9.0 MPa)不變，不同蓄能器容積V0對系統(tǒng)壓力及儲彈倉轉(zhuǎn)動速度的影響結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：安裝不同容積的蓄能器，對系統(tǒng)的壓力波動幅值影響較大，對儲彈倉轉(zhuǎn)動速度的穩(wěn)定性有一定影響，但對速度超調(diào)量影響不大。

隨著蓄能器容積的增大系統(tǒng)壓力波動幅值逐漸減小，儲彈倉轉(zhuǎn)速逐漸趨于穩(wěn)定。蓄能器容積為0.6 L時(shí)，系統(tǒng)壓力波動幅值達(dá)4.3 MPa，蓄能器容積為2.5 L時(shí)，系統(tǒng)壓力波動幅值減小為1.15 MPa；但隨著蓄能器容積的增大，蓄能器預(yù)充液時(shí)間由0.38 s變?yōu)?.65 s，逐漸變長。

4.2.2 蓄能器預(yù)充氣壓力對系統(tǒng)的動態(tài)影響

在蓄能器容積為2.0L時(shí)，在不同預(yù)充氣壓力對系統(tǒng)壓力、儲彈倉轉(zhuǎn)動速度及蓄能器有效容積的影響結(jié)果如圖5和圖6所示。

由圖5可知：預(yù)充氣壓力p0對系統(tǒng)壓力波動幅值影響較大，對速度穩(wěn)定性影響不大。隨著預(yù)充氣壓力的增加壓力波度幅值逐漸較小。

當(dāng)蓄能器氣腔體積預(yù)充氣壓力由4 MPa逐漸增加到11 MPa，壓力波度幅值由2.3 MPa逐漸減小為1.2 MPa。但由圖6知，隨著預(yù)充氣壓力的提高，蓄能器的有效體積逐漸減小，由1.02 L減小到0.3 L。

蓄能器在充、放液過程中，其容積和預(yù)充氣壓力對系統(tǒng)壓力及供彈速度有較大影響，在相同流量累積下為減小系統(tǒng)壓力和速度波動，宜選用較大容積的蓄能器，預(yù)充氣壓力應(yīng)在系統(tǒng)最低壓力的90%與系統(tǒng)平均壓力(p1+p2)/2之間選取。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在對高炮供彈系統(tǒng)與自動機(jī)對接的試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，綜合考慮效能及結(jié)構(gòu)布置，采用隔膜式2.0 L蓄能器，預(yù)充壓力10.0 MPa，進(jìn)行了點(diǎn)射、短連射及長連射射擊試驗(yàn)，系統(tǒng)供彈及時(shí)、可靠無故障。其系統(tǒng)壓力波動的試驗(yàn)測試結(jié)果如圖7所示。

由圖可知，采用2.0 L蓄能器，預(yù)充壓力10.0 MPa可以有效減小壓力波動幅值，壓力波動系數(shù)αΔp/p2=1.28 MPa/13.8 MPa=9.3%<10%。與圖5(a)相同條件的仿真值對比，系統(tǒng)壓力波動測試值比仿真值略大，最大誤差值為0.24 MPa，誤差比為2.5%，這主要是由于仿真時(shí)未考慮管路脈動對系統(tǒng)壓力的影響。

6 結(jié) 論

1)蓄能器容積對系統(tǒng)壓力及供彈速度有較大影響，在相同流量累積下為減小系統(tǒng)壓力和速度波動，宜選用較大容積的蓄能器。

2)當(dāng)蓄能器的總?cè)莘e確定后預(yù)充氣壓力對系統(tǒng)壓力及供彈速度有較大影響。在相同蓄能器容積下，預(yù)充氣壓力選取在系統(tǒng)最低工作壓力的90%與系統(tǒng)平均壓力(p1+p2)/2之間時(shí)，既可以最大程度地吸收壓力波動,又能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。

3)選用2.0 L隔膜式蓄能器，預(yù)充氣壓力為10.0 MPa時(shí)，系統(tǒng)壓力波動小于10%，可滿足系統(tǒng)節(jié)能高效運(yùn)行，保證供彈及時(shí)、可靠。

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