油氣懸架越野火箭炮的發(fā)射振動(dòng)性能

賈召敏，曹 兵，張?jiān)撇?，李文?/p>

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094）

油氣懸架越野火箭炮的發(fā)射振動(dòng)性能

賈召敏，曹 兵，張?jiān)撇?，李文?/p>

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094）

針對(duì)某型火箭炮在發(fā)射過(guò)程中的沖擊對(duì)越野車(chē)垂直和俯仰的振動(dòng)影響，基于數(shù)學(xué)模型和AMESim軟件分別搭建了前后兩車(chē)橋連通式油氣懸架和獨(dú)立式油氣懸架的仿真模型，研究了在發(fā)射過(guò)程中沖擊作用下對(duì)越野車(chē)的振動(dòng)性能影響，并與獨(dú)立式油氣懸架的越野火箭炮的振動(dòng)性能進(jìn)行對(duì)比，分析了這兩種油氣懸架剛度特性，研究表明:連通式油氣懸架能夠有效降低車(chē)身垂向振動(dòng)加速度和俯仰角加速度，平衡車(chē)橋載荷，快速保持發(fā)射后越野車(chē)的穩(wěn)定，減小對(duì)越野車(chē)的破壞性。

連通式油氣懸架，獨(dú)立式油氣懸架，火箭炮，AMESim

0 引言

油氣懸架將液壓傳動(dòng)控制和懸吊系統(tǒng)兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合，是發(fā)展現(xiàn)代特種車(chē)輛及大型車(chē)輛的關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍用車(chē)輛、工程機(jī)械、乘用車(chē)、油氣懸掛系統(tǒng)具有剛度漸變和非線性鉛垂線剛度特性，在崎嶇路面時(shí)，懸掛動(dòng)行程加大，懸掛剛度增大，可增加懸掛的抗沖擊能力，降低懸掛被擊穿的概率，提高車(chē)輛的越野行駛車(chē)速，同時(shí)，通過(guò)油路的溝通，油氣懸掛可以提高車(chē)身的側(cè)傾角剛度，在良好的路面狀況時(shí)，懸掛動(dòng)行程較小，懸掛剛度較小，可以減小上傳車(chē)身的垂直力，降低車(chē)身的垂直加速度，提高車(chē)輛的行駛平順性。

王欣［1］建立的同軸連通式油氣懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，基于Simulink分析了油氣彈簧參數(shù)對(duì)側(cè)傾角剛度和鉛垂線剛度的影響，林國(guó)問(wèn)［2］基于5自由度1/4導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)模型和AMESim軟件，對(duì)比分析了采用兩種懸架時(shí)在不同激勵(lì)下導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)的垂向振動(dòng)特性，莊德軍［3］建立了油氣彈簧非線性數(shù)學(xué)模型,對(duì)不同幅值和激振頻率下的油氣彈簧進(jìn)行仿真分析，縱觀已發(fā)表的文獻(xiàn)，對(duì)油氣懸架的研究主要集中在車(chē)輛平順性以及油氣懸架數(shù)學(xué)模型建立與仿真分析等方面。

連通式油氣懸架系統(tǒng)有別于獨(dú)立式油氣懸架系統(tǒng)，它是利用油管將兩車(chē)橋上的油氣懸架系統(tǒng)的油室或者氣室相連，可以使越野車(chē)各車(chē)橋在不平路面或者發(fā)射時(shí)使兩軸載荷分配上保持均衡，使兩車(chē)橋輪胎產(chǎn)生較大的位移，接地性能良好。

本文研究的某高機(jī)動(dòng)越野火箭炮前后兩個(gè)車(chē)橋，其上的油氣懸架系統(tǒng)共兩組，同側(cè)兩車(chē)橋上的油氣懸架連通為一組，即左前與左后、右前與右后兩個(gè)組，鑒于整個(gè)系統(tǒng)建模復(fù)雜，本文利用專業(yè)的液壓軟件AMESim搭建了其中一組2橋連通式油氣懸架系統(tǒng)，并基于此基礎(chǔ)上構(gòu)建了1/2車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型，為了加以比較，文中還構(gòu)建了一組2橋獨(dú)立式油氣懸架系統(tǒng)。通過(guò)給車(chē)體施加不同的激勵(lì)，分別研究了兩種類型的越野火箭炮的垂向振動(dòng)、俯仰振動(dòng)。

1 越野火箭炮物理模型與數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

本文研究對(duì)象是某高機(jī)動(dòng)越野多管火箭炮，主要由柔性車(chē)梁，連通式油氣懸架，回轉(zhuǎn)臺(tái)，底座，儲(chǔ)運(yùn)發(fā)射箱，定向器，多管火箭彈等組成，該多管火箭炮的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某高機(jī)動(dòng)越野火箭炮的結(jié)構(gòu)示意圖

油氣懸架主要由蓄能器和液壓缸組成。氣室中有油氣隔膜，將氣室分開(kāi)，一側(cè)設(shè)有充氣閥，充入高壓工業(yè)氮?dú)?；另一?cè)與液壓缸的內(nèi)腔相通，充滿減振液。液壓缸主要由阻尼閥、活塞及缸筒等組成，兩端分別與車(chē)橋和車(chē)架相連接，當(dāng)載荷增加時(shí)，液壓缸活塞上移，使內(nèi)腔容積減小，迫使減振液進(jìn)人氣室一側(cè)，推動(dòng)油氣隔膜向另一側(cè)移動(dòng)，壓縮其中的氣體，使壓力升高。此壓力的反作用力又通過(guò)減振液傳給活塞，使之與懸架承受的載荷相平衡，越野車(chē)運(yùn)行中，當(dāng)車(chē)架與車(chē)橋產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞在液壓缸筒內(nèi)上下滑動(dòng)，推動(dòng)減振液在液壓缸與氣室之間經(jīng)過(guò)阻尼閥流動(dòng)使振動(dòng)迅速衰減，從而起減振器的作用，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單氣室油氣彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)油氣懸架的工作原理可知，在外界激勵(lì)作用下，油氣懸架的輸出作用力主要由氣體彈性力Fs、油液阻尼力FR和摩擦力Ff3部分組成，在工程應(yīng)用上，由于摩擦力Ff占比重小，可忽略運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力Ff，則輸出作用力：,朱孫科［4］得到的油氣懸架的氣體彈性力Fs、油液阻尼力FR分別為：

式中：為蓄能器平衡位置時(shí)氣體壓強(qiáng)；為蓄能器平衡位置時(shí)氣體體積；為液腔I腔的截面面積；為液腔II腔的截面面積。

式中：sign為符號(hào)函數(shù)，定義油氣懸架伸張行程為正方向，當(dāng)油氣懸架處于壓縮行程時(shí)，速度x＜0,sin（x）=-1，當(dāng)油氣懸架處于伸張行程時(shí)，速度 x＞0，sin（x）=1；ρ為油液密度；A液II為液腔II腔的截面面積；Cd1為阻尼孔的流量系數(shù)；A01為阻尼孔的截面積；Cd2為單向閥的流量系數(shù)；A02為單向閥的有效過(guò)流面積；除阻尼力FR和相對(duì)速度外，式中其他參數(shù)均為定值。

根據(jù)簡(jiǎn)化的平面模型，推導(dǎo)出1/2越野車(chē)振動(dòng)微分方程為：

上式中m為1/2越野車(chē)懸掛質(zhì)量；J為1/2越野車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；lj（j=1，2）分別為兩個(gè)車(chē)橋到質(zhì)心的距離；mj（j=1，2）分別為兩個(gè)簧下質(zhì)量；kj（j=1，2）為兩個(gè)輪胎的等效非線性彈性系數(shù)；Cj（j=1，2）為兩個(gè)輪胎的等效非線性阻尼系數(shù)；X為懸掛質(zhì)量位移；Xj（j=1，2）為簧下質(zhì)量垂向位移；Cii（i=1，2）為油氣懸架剛度系數(shù)；q為油氣懸架阻尼系數(shù)；θ為路面輸入；為車(chē)身俯仰角［5］。

圖3 1/2連通式油氣懸架模型

圖4 1/2獨(dú)立式油氣懸架模型

2 仿真模型建立

當(dāng)懸架結(jié)構(gòu)和外界負(fù)載確定時(shí)，油氣彈簧剛度取決于每個(gè)氣室氣柱高度之和，相比獨(dú)立式油氣懸架系統(tǒng)，連通式油氣懸架系統(tǒng)其兩車(chē)橋上的油室是相連通，隨著車(chē)體的振動(dòng)，在一定時(shí)間內(nèi)油缸中的油液壓力是基本相等的，但由于液壓管路較長(zhǎng)，壓力的相位會(huì)有一定的滯后時(shí)間，此時(shí)，每個(gè)油氣彈簧的剛度均相等且取決于總的氣柱高度，如果總的氣柱高度不發(fā)生變，單個(gè)油氣彈簧的剛度也不發(fā)生變;當(dāng)氣柱高度發(fā)生變化時(shí)，每個(gè)油氣彈簧的剛度會(huì)相應(yīng)的變化但相等，連通式油氣懸架系統(tǒng)表現(xiàn)為串聯(lián)的性質(zhì)，由于仿真時(shí)間較短，可以認(rèn)為系統(tǒng)是在靜止?fàn)顟B(tài)下受到到階躍信號(hào)的激勵(lì)，同時(shí)，文中研究的是兩個(gè)車(chē)橋上的油氣彈簧相互連通，因此，系統(tǒng)的整體剛度相較于獨(dú)立式有所下降，對(duì)改善系統(tǒng)的垂向振動(dòng)和俯仰振動(dòng)性能有明顯的作用［6］。

在多管火箭炮發(fā)射過(guò)程中，其后坐力會(huì)對(duì)車(chē)身產(chǎn)生突加載荷，文中研究了突加載荷的激勵(lì)下越野車(chē)的垂向振動(dòng)和俯仰振動(dòng)響應(yīng)，在0 s~0.5 s時(shí)，車(chē)身保持穩(wěn)定，在0.5 s時(shí)施加幅值為2X103N的階躍載荷來(lái)模擬突加載荷，以模擬多管火箭炮發(fā)射式時(shí)瞬時(shí)產(chǎn)生的后坐力,考慮到路面不平和輪胎的彈性變形，用正弦信號(hào)來(lái)模擬其對(duì)連通式油氣懸架的影響，幅值為50mm，頻率為2Hz,其中前橋的輸入激勵(lì)比后橋相位上超前180°，仿真時(shí)間為5 s，步長(zhǎng)為0.001s,重要的仿真模型參數(shù)如表1所示［7］，其中蓄能器的初始充氣壓力需要特別注意，在仿真的時(shí)候要調(diào)整到使車(chē)身保持平衡狀態(tài)，阻尼孔直徑的大小直接關(guān)系到系統(tǒng)對(duì)階躍相應(yīng)的衰減速度。

表1 仿真模型參數(shù)

由于兩軸連通式油氣懸架系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，利用解析方法求解很難解決，目前處理這方面的方法基本上都是采用定性分析或者計(jì)算機(jī)仿真，文中通過(guò)液壓軟件AMESim搭建了包含兩軸連通式油氣懸架系統(tǒng)的多管火箭炮越野車(chē)連通式油氣懸架的仿真模型，為了對(duì)比分析，同時(shí)也搭建了多管火箭炮越野車(chē)獨(dú)立式油氣懸架仿真模型［8］，文中搭建仿真模型的同時(shí)，考慮了油管長(zhǎng)度對(duì)壓力損失的影響，橡膠管彈性模量和管路長(zhǎng)度在表1中詳細(xì)的列出，以盡可能建立符合實(shí)際工況下的油氣懸架系統(tǒng)，搭建的連通式油氣懸架仿真模型如圖5所示，獨(dú)立式油氣懸架仿真模型如圖6所示。

圖5 連通式油氣懸架仿真模型

圖6 獨(dú)立式油氣懸架仿真模型

通過(guò)對(duì)兩種模型的仿真分析，可以分別得到連通式油氣懸架與獨(dú)立式油氣懸架情況下車(chē)身的垂向位移變化曲線和加速度變化曲線，如圖7、圖8所示；車(chē)身的俯仰角度變化曲線和角加速度變化曲線，如圖9、圖10所示。

圖7 車(chē)身垂向位移變化曲線

圖8 車(chē)身垂向加速度變化曲線

圖9 車(chē)身俯仰角度變化曲線

圖10 車(chē)身俯仰角加速度變化曲線

3 結(jié)論

文中分別建立了兩橋連通式油氣懸架系統(tǒng)和兩橋獨(dú)立式油氣懸架系統(tǒng)的越野車(chē)仿真模型，在發(fā)射沖擊的作用下，研究了連通式油氣懸架系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛的垂向和俯仰的振動(dòng)性能影響，并與獨(dú)立式油氣懸架系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛的振動(dòng)性能影響進(jìn)行了比較，主要得出以下結(jié)論。

通過(guò)對(duì)比車(chē)身的垂向位移曲線和俯仰角度曲線，可以明顯看到連通式油氣懸架相比獨(dú)立式油氣懸架更能有效減少車(chē)身振動(dòng)，快速使車(chē)身保持穩(wěn)定，平衡車(chē)橋載荷，這對(duì)火箭炮多管連續(xù)發(fā)射有重要的意義，可以有效提高火箭炮的射擊密集度。

連通式油氣懸架系統(tǒng)相比獨(dú)立式，其垂向加速度和俯仰角加速度幅值較小，可以有效減小對(duì)車(chē)輛的破壞，提高車(chē)輛的使用壽命。

連通式油氣懸架系統(tǒng)的剛度特性和獨(dú)立式油氣懸架系統(tǒng)的剛度特性是不同的，且前者的剛度小于后者的剛度。

通過(guò)仿真分析和理論公式的對(duì)比，本文通過(guò)AMESim軟件搭建系統(tǒng)模型并進(jìn)行系統(tǒng)性能研究，表明其對(duì)復(fù)雜液壓系統(tǒng)研究是一種行之有效的方法。

［1］王欣，方新，高順德.連通式油氣懸掛系統(tǒng)剛度特性分析［J］.機(jī)床與液壓，2012，40（9）：55-57.

［2］林國(guó)問(wèn)，馬大為，朱忠領(lǐng).基于多軸連通式油氣懸架的導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)振動(dòng)性能研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2013，32（12）：144-148.

［3］莊德軍，柳江，喻凡，等.汽車(chē)油氣彈簧非線性數(shù)學(xué)模型及特性［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39（9）：1441-1444.

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［5］過(guò)學(xué)迅，吳濤.多軸油氣平衡懸架振動(dòng)性能研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29（1）：30-32.

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Vibration of a Rocket Artillery w ith Hyd-ropneumatic Vehicle Suspension

JIA Zhao-min，CAOBing，ZHANGYun-bo，LIWen-bo
（School ofMechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Considering influence of impact of rocket artillery during the launch to the off-road vehicle vertical and pitching vibration’s vibration characteristic，the simulation models of an interconnected HPSof two bridge from front and back and an independent HPSwere built based on the mathematic model and AMESim software，studied the impact and vibration effects on the off-road vehicle in the emission process，and compared with that with an independent HPS，analyzed the stiffness characteristics of the two type of hydro pneumatic suspension，research shows that:the interconnected hydro-pneumatic suspension can effectively reduce the vertical vibration acceleration and pitch angular acceleration，balance different axle load，keep stable for off-road vehicle quickly after emission，reduce the destruction on the off-road vehicle.

interconnected hydro-pneumatic suspension，independenthydro-pneumatic suspension，rocketartillery，AMESim

TJ713

A

1002-0640（2015）11-0163-04

2014-09-05

2014-11-12

賈召敏（1986- ），男，陜西寶雞人，碩士研究生。研究方向：機(jī)電一體化。