某火箭彈發(fā)射裝置自適應(yīng)平衡機原理方案研究*

方 航 王敏毅 黃朝學(xué)

(中國船舶重工集團公司第710研究所 宜昌 443003)

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某火箭彈發(fā)射裝置自適應(yīng)平衡機原理方案研究*

方 航 王敏毅 黃朝學(xué)

(中國船舶重工集團公司第710研究所 宜昌 443003)

為增大某型火箭彈發(fā)射裝置高低射角,特將定向器耳軸設(shè)計于尾部,由此產(chǎn)生的較大且變化的質(zhì)量偏心矩依靠平衡機解決。負載質(zhì)量偏心矩直接受高低角、剩余載彈量、火箭彈種、火箭彈布置位置等因素影響,該新型平衡機輸出平衡力矩需實時動態(tài)準(zhǔn)確平衡質(zhì)量偏心負載。論文從機電結(jié)合的角度提出帶控制單元的自適應(yīng)平衡機,將力矩平衡經(jīng)機構(gòu)轉(zhuǎn)化為液壓力平衡問題,控制系統(tǒng)接收測量參數(shù)并實時解算出理論輸出壓力,與測量實際負載壓力比較得出壓力差構(gòu)成負反饋調(diào)節(jié)電液伺服閥開度,直至負載完全平衡。理論分析該系統(tǒng)方案可行,協(xié)同主平衡機可以實現(xiàn)質(zhì)量偏心矩動態(tài)平衡,有效提高發(fā)射裝置快速響應(yīng)性能。

平衡機; 主動雙向平衡; 自適應(yīng); 控制系統(tǒng)

Class Number TJ01

1 引言

采用傾斜發(fā)射方式的某發(fā)射裝置定向器(起落部分)通過耳軸和高低機安裝在回轉(zhuǎn)底盤上,瞄準(zhǔn)時定向器在高低機的驅(qū)動下繞耳軸轉(zhuǎn)動至預(yù)期高低角。在發(fā)射裝置總體設(shè)計時為了滿足大仰角要求且防止定向器尾部在較大射角的情況下與裝置底盤干涉,耳軸一般都設(shè)置在定向器尾部,這樣定向器成了一個以耳軸為支點的懸臂梁,定向器的重量以及其上裝載的彈藥總重量相對耳軸會產(chǎn)生一個較大的質(zhì)量偏心矩M。高低射角、剩余載彈量、彈種、火箭彈布置位置也使得M跟隨上述四種參數(shù)變化,工程中將面臨實時動態(tài)平衡負載質(zhì)量偏心矩的難題。此外,由于耳軸位置靠后,當(dāng)高低角為較小銳角與較大銳角甚至直角時,質(zhì)量偏心矩相對耳軸轉(zhuǎn)動方向相反,即質(zhì)量偏心矩M出現(xiàn)雙向的情況。裝置變換射角時,起落部分俯仰運動需克服很大的質(zhì)量偏心矩M,使得高低機的結(jié)構(gòu)尺寸,功率參數(shù)等較大,整個系統(tǒng)慣性大、響應(yīng)速度慢、精度低。為解決較大質(zhì)量偏心矩問題,多數(shù)發(fā)射裝置均采用平衡機以提供一個與質(zhì)量偏心矩M大小相近、變化規(guī)律相似、方向相反的平衡力矩,以降低高低機工作負荷和動力傳動扭矩,保證高低機打高快速,打低平穩(wěn)。

實際工程應(yīng)用中,出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)類型的被動式平衡機。被動式平衡機大都只能平衡部分質(zhì)量偏心矩且為靜態(tài)平衡,很少能在變動負載條件下動態(tài)平衡質(zhì)量偏心矩M問題的主動平衡的自適應(yīng)式平衡機。國內(nèi)張景華、丁宏民提出了液體氣壓式平衡機自動補償系統(tǒng)[1],但僅限于導(dǎo)彈發(fā)射裝置的安裝,且只能單向平衡質(zhì)量偏心矩。由于質(zhì)量偏心矩M與起落部分空載質(zhì)量、高低角、裝載彈種和載彈量、彈位(不同彈種及同一彈種在不同的發(fā)射管產(chǎn)生的偏心力矩不同)等因素均相關(guān)。當(dāng)裝置工作時,質(zhì)量偏心矩M實際上不斷變化,交變的載荷對裝置的壽命、效率,可靠性等方面產(chǎn)生極大的副作用。在該背景下,若采用適應(yīng)負載變化的自適應(yīng)平衡機理論上能夠較好的平衡質(zhì)量偏心矩M,發(fā)射裝置的性能預(yù)期將得到提高。本文針對某類發(fā)射裝置提出一種自適應(yīng)平衡機的方案,并分析其優(yōu)點及關(guān)鍵技術(shù)。

2 自適應(yīng)平衡機設(shè)計方案提出

2.1 國內(nèi)現(xiàn)有平衡機的原理方案

平衡力矩一般由彈性元件提供,根據(jù)彈性元件不同,主要分彈簧式[2]、鏈條式、扭桿(疊板)式[3]、氣壓式、氣液式和彈簧液體式。根據(jù)對起落部分施力情況不同分為拉式平衡機、推式平衡機、也有變行程和考慮起落部分質(zhì)心位置變化的萬能平衡機。主要類型[4]簡短介紹如下:

圖1 拉式平衡機

圖2 推式平衡機

1) 彈簧式平衡機:如圖1、圖2所示,它是由彈簧提供平衡力矩的平衡裝置,隨著仰角的增大(減小),彈簧壓縮量相應(yīng)減小(增大),平衡機即可向起落部分提供一個隨仰角變化的平衡力矩。此類平衡機結(jié)構(gòu)簡單、工作性能不受氣溫變化的影響、便于維修,應(yīng)用較廣。

2) 扭桿式平衡機:如圖3、圖4所示,它是由彈性桿件的扭轉(zhuǎn)變形而產(chǎn)生平衡力矩的平衡裝置,彈性桿件可以是圓截面的整體式扭桿也可以是多層疊板式,為縮短扭桿的軸向尺寸,可與扭力筒串聯(lián)[5]使用,而成為扭桿一扭筒式平衡機。此類平衡機結(jié)構(gòu)緊湊、維修簡單、壽命較低,此外還有扭桿為多件平行并聯(lián)的結(jié)構(gòu),構(gòu)造復(fù)雜但傳遞扭矩較大。

圖3 并聯(lián)扭桿式平衡機

圖4 串聯(lián)扭桿式平衡機

3) 氣壓式平衡機:被壓縮的氣體產(chǎn)生平衡力矩,當(dāng)裝置起落部分高低射角改變時,活塞桿與外筒相對移動,筒內(nèi)容積及氣體壓強隨高低射角改變而產(chǎn)生相應(yīng)變化。該類型的平衡機優(yōu)點是重量較輕,加工和調(diào)試比較容易,但缺點是氣壓易受到溫度變化的影響,且配備氣動系統(tǒng)。

4) 液體氣壓式平衡機:它是利用壓縮氣體作儲能介質(zhì),由液體傳遞氣體壓力而產(chǎn)生平衡力矩的平衡裝置。主體部分包括活塞桿、活塞、接續(xù)器、液壓室、缸體、氣壓室,蓄力器和柔性軟管等。柔性軟管一端連接蓄力器,另一端連接接續(xù)器入口。該類平衡機具有摩擦阻力小,密封性好等優(yōu)點,但總體結(jié)構(gòu)不緊湊。

上述敘述的平衡屬于被動式平衡,大都只能應(yīng)對發(fā)射裝置高低角變化引起的質(zhì)量偏心矩變化,當(dāng)高低角不變,載彈量改變,彈位和彈種改變時平衡機的輸出平衡力矩大都是固定值,始終無法實時跟蹤并平衡負載,變化的負載力矩還得由高低機解決。主動式平衡機是能實時跟蹤質(zhì)量偏心矩M的變化,在控制系統(tǒng)的控制規(guī)律作用下實時調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)使輸出扭力矩接近負載力矩,達到最佳平衡效果的新型平衡機,相對上述被動式平衡機又被稱為自適應(yīng)平衡機。理想情況下,自適應(yīng)副平衡機配合主平衡機協(xié)同工作可完全解決負載力矩,高低機只起到啟動制動作用。

2.2 自適應(yīng)平衡機創(chuàng)新點分析

該自適應(yīng)平衡機方案上是可行的,與傳統(tǒng)的被動式平衡機有較大區(qū)別。傳統(tǒng)的平衡機只能在一定范圍內(nèi)或者改變某幾個特定參數(shù)來改善平衡機的性能,盡可能減小不平衡力矩,調(diào)整量有局限,而且不能克服摩擦力矩和其他阻力矩的不利影響,因此整體性能有缺陷,無法動態(tài)平衡質(zhì)量偏心矩。然而,自適應(yīng)平衡機引入機電控制單元,接收影響質(zhì)量偏心矩M變化的所有參數(shù),自動的實時解算出理論壓力pt,與實際檢測結(jié)果比較分析并用該偏差值控制該系統(tǒng)。

1) 該系統(tǒng)針對理論壓力pt與實際壓力的偏差值,將溫度與氣體多變對系統(tǒng)的影響考慮在內(nèi),使得分析簡化。其他被動式平衡機如氣壓式平衡機通常設(shè)計溫度與氣壓控制單元維持氣壓穩(wěn)定,無疑造成設(shè)計成本提高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性與可維護性降低。

2) 該自適應(yīng)平衡機考慮了各種因素造成的壓力偏差,如:摩擦力矩、摩擦力、液壓缸油泄漏等,這是傳統(tǒng)平衡機不能解決的。

3) 該自適應(yīng)平衡機可以雙向平衡質(zhì)量偏心矩M,發(fā)射裝置可以滿足大仰角工況的需求。同時減輕主平衡機的工作負擔(dān),有利于延長主平衡機的使用壽命與縮短維修周期。

4) 平衡原理新穎。該主動平衡器將力矩平衡問題轉(zhuǎn)化為力平衡問題,進一步轉(zhuǎn)化為壓力平衡。在力矩平衡向力平衡過程中,引入的等效搖桿滑塊機構(gòu)將不平衡力一大部分傳遞給地基,剩余水平方向上的小部分力由液壓平衡,極大地降低油缸的工作負荷,對裝置輕型化、響應(yīng)速度高,精度高將發(fā)揮重要作用。

5) 系統(tǒng)工作平穩(wěn)、振動小。液壓傳動傳遞力或力矩大,傳動平穩(wěn),在相同原理下如果使用純機械傳動,可能會引起系統(tǒng)振動、噪音,同時不方便控制。該平衡機比較適合該類型發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu),有利于整體布局安裝,配合被動式主平衡機協(xié)調(diào)工作,理論上會產(chǎn)生較好的效果,對裝置的總體性能發(fā)揮促進作用。

3 自適應(yīng)平衡機原理方案設(shè)計

3.1 自適應(yīng)平衡機數(shù)學(xué)模型

以某類型發(fā)射裝置為研究對象,為滿足最佳質(zhì)量偏心矩M在高低機不直接參與的條件下的平衡效果,提高系統(tǒng)響應(yīng)速度與精度,避免低速爬行,減小振動,該發(fā)射裝置使用串聯(lián)扭桿式平衡機與自適應(yīng)平衡機兩級平衡。其中將串聯(lián)扭桿式平衡機作為主平衡機,自適應(yīng)平衡機作為副平衡機,二者配合高低機完成起落部分俯仰運動。假設(shè)待平衡的質(zhì)量偏心矩為M、起落部分空載質(zhì)量為m、主平衡機提供的平衡力矩記作Tm、自適應(yīng)平衡機提供的平衡力矩為Ta,高低機只解決慣性力矩,忽略各運動副摩擦阻力矩,建立力學(xué)[9]方程:

M=f(m,s,n,θ,Bb)

(1)

M=Tm+Ta

(2)

(3)

式中l(wèi)1為實心圓柱形扭桿有效長度;l2為空心圓柱形扭桿有效長度;G為剪切彈性模量;d為實心扭桿截面圓直徑;d2為空心扭桿外徑;d1為空心扭桿內(nèi)徑;g(θ)為主平衡機通過四連桿與耳軸相連接,串聯(lián)扭桿的合成扭轉(zhuǎn)角是高低角θ的函數(shù)。

從式(1)～為(3)分析知,主平衡機在高低角θ確定時,輸出平衡力矩為定值,且有極值要求,尤其是載彈量n、剩余彈種s及彈位Bb改變時,變動的剩余質(zhì)量偏心矩只能由高低機平衡,造成高低機工況惡劣、疲勞壽命降低,所以假若另外設(shè)計一平衡機輸出平衡力矩Ta能適應(yīng)θ、n、s、Bb的改變而自動調(diào)整,配合主平衡機工作,則高低機負載將極大降低,真正適應(yīng)打高快速,打低平穩(wěn)的現(xiàn)代作戰(zhàn)需求。

該自適應(yīng)平衡機將要平衡的力矩通過等效搖桿滑塊機構(gòu)轉(zhuǎn)變成平衡力F,液壓缸凈輸出壓力為p。假設(shè)驅(qū)動滑塊右行程為正、逆時針轉(zhuǎn)矩為正,反之為負。通過力學(xué)分析:

(4)

(5)

(6)

p=pl-pr

(7)

根據(jù)式(6),實際中存在摩擦阻力,摩擦力在起落部分上升運動中起反作用,而在下降中其實起到正面衰減作用,在工程中可加以利用。若為減小摩擦力,可在驅(qū)動滑塊與滑槽之間采用靜壓潤滑的方式,保證滑塊行程方向的摩擦力最小,耗損能量最低。

自適應(yīng)平衡機將變力矩平衡問題通過搖桿滑塊機構(gòu)等效為力平衡問題,進而通過控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為壓力與流量控制問題?？刂葡到y(tǒng)接收θ、s、n、Bb和其他參數(shù),控制電磁閥和液壓泵自動調(diào)整工作腔的油壓pr或者pl。

3.2 氣液式自適應(yīng)平衡機設(shè)計方案

通過分析發(fā)射裝置工作過程,結(jié)合《機械原理》[6]知識,提出自適應(yīng)平衡機的方案,如圖5所示。

圖5 氣液式自適應(yīng)平衡機原理圖

符號及參數(shù)說明:1為彈炮通訊識別器(剩余載彈量識別傳感器、彈種識別傳感器、彈位識別傳感器等);2為耳軸;3為角位移傳感器;4為起落部分(定向器);5為支撐桿;6為驅(qū)動滑塊;7為液壓缸;8為壓力油;9為發(fā)射裝置底盤;10為三通管;11為儲能器;12為壓力傳感器;pl為左儲能器氣腔的壓力值;pr為右儲能器氣腔的壓力值;u為控制系統(tǒng)輸入電壓信號;n為發(fā)射管剩余載彈量(枚);s為彈種(共架發(fā)射裝置可以發(fā)射不同類型火箭彈,各自質(zhì)量不同);θ為高低角;Bb為彈位(不同位置的發(fā)射管);其他符號參見液壓系統(tǒng)手冊[7]。

3.3 自適應(yīng)平衡機工作原理

假定忽略油缸泄漏、流體摩擦及其他機械摩擦:

1) 當(dāng)高低角θ改變,彈種與載彈量s、n、Bb不變。控制器接收實時狀態(tài)參數(shù)并自動解算出自適應(yīng)平衡機需要平衡的力矩Ta及理論油壓pt。假若M順時針,則控制三位四通電磁閥左端得電,受控油泵給液壓缸右腔供油,此時油缸左腔卸荷,左腔理論壓力值pl=0Mpa,左右儲能器兩端的壓力傳感器檢測油缸兩端壓力并反饋到控制系統(tǒng)。當(dāng)ppt,則平衡機儲能器實際壓力過剩,控制系統(tǒng)控制電磁閥排放液壓油,直到二者相等。由于現(xiàn)代作戰(zhàn)裝備對大仰角的需求,起落部分質(zhì)心遠離耳軸,當(dāng)高低角θ增大到一定界限,質(zhì)量偏心矩M會反向。此時電磁閥右端通電,油缸右腔卸荷,左腔供油,pr=0Mpa,工作原理同上。

2) 當(dāng)θ不變,彈種與載彈量s、n、Bb改變。起落部分位置與姿態(tài)固定,質(zhì)量偏心矩M改變,對應(yīng)的平衡壓力也需改變。傳感器實時自動檢測s、n、θ、Bb并反饋至控制系統(tǒng),系統(tǒng)解算出理論壓力pt。當(dāng)負載力矩M為順時針,受控油泵向油缸右腔供油,直到滿足壓力平衡。當(dāng)負載力矩為逆時針時,受控油泵向油缸左腔供油,經(jīng)過反復(fù)比較,最終達到壓力平衡。

4 自適應(yīng)平衡機待解決關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前國內(nèi)發(fā)射裝置需要配置平衡機的場合普遍采用被動式平衡機,無法滿足平衡機輸出跟隨發(fā)射裝置工作參數(shù)改變而改變,即無法滿足自適應(yīng)平衡的要求。國內(nèi)當(dāng)前對該方面的研究文章數(shù)量也極少,滿足發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)特點的新型自適應(yīng)主動平衡機研究應(yīng)該得到相關(guān)人員的重視。

本文提出的自適應(yīng)平衡機在實際應(yīng)用中,需要解決以下關(guān)鍵技術(shù):

1) 考慮運動副機械摩擦力、摩擦力矩、液壓油泄漏等,隨其他參數(shù)輸入控制單元解算出接近實際模型的理論平衡壓力pt。

2) 當(dāng)高低角改變、質(zhì)量偏心矩換向時,液壓缸進油通路改變,由于慣性原因,油缸左腔或右腔某一腔壓力將成為背壓而阻礙裝置運動,如何解決背壓問題值得深入研究。

3) 副平衡機與主平衡機協(xié)同工作,如何分配各自承擔(dān)的平衡負載,保證發(fā)射裝置總體的性能最優(yōu)。

4) 自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計。該主動平衡機相對被動式平衡機最大的區(qū)別是引入了控制單元并采用壓力偏差負反饋的形式糾正偏差。系統(tǒng)的控制算法與軟硬件設(shè)計以滿足系統(tǒng)最終的響應(yīng)速度、精度,穩(wěn)定性要求是難點。

5) 發(fā)射裝置在工作模式下要求響應(yīng)快速,液壓系統(tǒng)能否滿足速度和精度要求;同時,整個系統(tǒng)安裝在裝置方向回轉(zhuǎn)底盤上,會不會產(chǎn)生油液振蕩、對系統(tǒng)的響應(yīng)精度有何影響值得深入考慮。

5 結(jié)語

平衡機是大仰角發(fā)射裝置的重要組成部分,極大影響裝置的總體性能。本文提出的自適應(yīng)平衡機的方案,理論上是可行的,在應(yīng)用中能解決第4節(jié)提到的關(guān)鍵技術(shù)。同時,帶機電控制的平衡機在國內(nèi)并不常見,主動平衡的自適應(yīng)平衡機創(chuàng)新點突出,設(shè)計原理新穎,對新型火箭彈發(fā)射裝置研制具有一定借鑒和促進意義。

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《艦船電子工程》編輯部

Study on Decoy Launching Device Adaptive Balancing Machine Principle Scheme

FANG Hang WANG Minyi HUANG Chaoxue

(No.710 Research and Development Institute, CSIC, Yichang 443003)

In order to increase the pitching angle of a certain type of rocket launchers, the directional trunnion was designed in the tail and the resulting great changes and eccentric torque was balanced by balancing machine. Heavy load torque was directly influenced by the pitching angle, the residual amount of payload, the species and layout position of rockets and so on. This new type of balancing machine output torque must dynamically balance quality eccentric load accurately and real-time. The adaptive balancing machine equipped with control unit was proposed in this paper, which can be thought as combination of mechanical and electrical technology. The moment balance was transferred into hydraulic pressure balance problem. Control system recelived the measurement parameters, calculated the theoretical output in real time and compares with the actual load pressure, the differential pressure constituted a negative feedback which can be used to regulate the opening of electrohydraulic servo valve until it was balanced totally. The system scheme was feasible after theoretical analysis, the adaptive balancing machine can achieve quality eccentric torque dynamic balance and improve the launcher fast response performance with the help of main balancing machine.

equilibrator, active bi- balancing, adaptive, control system

2015年3月12日,

2015年4月29日

方航,男,碩士研究生,研究方向:機電一體化系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用。王敏毅,男,研究員,碩士生導(dǎo)師,研究方向:武器系統(tǒng)運用。黃朝學(xué),男,高級工程師,碩士生導(dǎo)師,研究方向:機械系統(tǒng)設(shè)計。

TJ01

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.013