運(yùn)載火箭自動(dòng)對(duì)接連接器液壓系統(tǒng)研究

張　鑫,李志剛，徐　華，何　慶

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南京　210094; 2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上?！?01108)

?

運(yùn)載火箭自動(dòng)對(duì)接連接器液壓系統(tǒng)研究

張?chǎng)?,李志剛1，徐華2，何慶2

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南京210094; 2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海201108)

摘要：運(yùn)載火箭自動(dòng)對(duì)接連接器主要應(yīng)用于其發(fā)射前的燃料加注過(guò)程。以自動(dòng)對(duì)接連接器的液壓系統(tǒng)為研究對(duì)象，在AMESim環(huán)境中建立相應(yīng)的液壓系統(tǒng)模型，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了初始化設(shè)置。針對(duì)液壓缸活塞桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程，對(duì)液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真研究，得到了液壓缸進(jìn)出油口的流量、壓力指標(biāo)，明確液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)。仿真結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)優(yōu)化后系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，運(yùn)動(dòng)過(guò)程比較平穩(wěn)，在實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域能夠滿(mǎn)足性能要求，為整個(gè)液壓系統(tǒng)后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)對(duì)接連接器；建模與仿真；液壓系統(tǒng)；AMESim

Citation format:ZHANG Xin, LI Zhi-gang, XU Hua, et al.Research of Hydraulic System of Automatic Butt-Joint Connector for Carrier Booster[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):146-150.

運(yùn)載火箭作為一種高精尖的軍民兩用產(chǎn)品，不僅能夠增強(qiáng)我國(guó)的國(guó)防力量，同時(shí)對(duì)于宇宙空間資源的開(kāi)發(fā)利用也起到有力的推動(dòng)作用。目前運(yùn)載火箭發(fā)射前燃料填充采用手動(dòng)對(duì)接、管線連接冗雜、操作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等因素嚴(yán)重制約了運(yùn)載火箭的快速發(fā)展。自動(dòng)對(duì)接連接器是實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭燃料加注智能化、高效化、安全化的有力保障。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、高性能計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用以及設(shè)計(jì)理念的逐步完善提高，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)越來(lái)越多在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域流行開(kāi)來(lái)。本課題設(shè)計(jì)一套完整的液壓系統(tǒng)研究了自動(dòng)對(duì)接連接器的動(dòng)力執(zhí)行部分，在計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)中搭建物理模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)物模型。本課題的研究對(duì)于運(yùn)載火箭對(duì)接技術(shù)以及發(fā)射技術(shù)的發(fā)展能夠起一定的推動(dòng)作用，對(duì)我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展也有著重要意義。

AMESim廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、車(chē)輛、工程機(jī)械等多學(xué)科領(lǐng)域，為流體、機(jī)械、熱分析、電氣、電磁及控制等復(fù)雜系統(tǒng)提供了一個(gè)完善的建模和仿真優(yōu)化分析平臺(tái)，同時(shí)也是研究本課題的重要工具。

1AMESim軟件及其特點(diǎn)

1.1AMESim軟件

AMESim[1]是原法國(guó)Imagine公司于1995年開(kāi)發(fā)的一款多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真平臺(tái)，可以搭建和運(yùn)行多種物理場(chǎng)仿真模型，并進(jìn)行仿真計(jì)算和優(yōu)化分析。

1.2AMESim的幾個(gè)特點(diǎn)[2]

1) AMESim提供了齊全的分析工具，包括線性化分析工具、模態(tài)分析工具、頻譜分析工具以及模型簡(jiǎn)化工具等；

2) AMESim有多種仿真運(yùn)行模式，如動(dòng)態(tài)仿真、穩(wěn)態(tài)仿真、間斷連續(xù)仿真以及批處理仿真等，用戶(hù)可根據(jù)模型自身特點(diǎn)選擇適合的仿真模式；

3) 豐富的與其他軟件相連的接口，AMESim可與MATLAB、ADAMS、Flux以及iSIGHT等軟件連接。

1.3AMESim液壓建模常用的元件庫(kù)

在進(jìn)行與液壓方面相關(guān)的仿真時(shí)，下列幾個(gè)元件庫(kù)會(huì)經(jīng)常用到：

1) 標(biāo)準(zhǔn)液壓庫(kù)(HYD)通過(guò)庫(kù)內(nèi)典型液壓元件進(jìn)行液壓系統(tǒng)仿真。

2) 液壓閥庫(kù)(HSV)HYD庫(kù)的擴(kuò)充，提供完整的控制閥模型。

3) 液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)(HCD)由基本幾何單元結(jié)構(gòu)組成的基本元素庫(kù)，根據(jù)幾何形狀和物理特性詳細(xì)構(gòu)建各類(lèi)液壓元件[3]。

2自動(dòng)對(duì)接連接器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1自動(dòng)對(duì)接連接器執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型

自動(dòng)對(duì)接連接器主要應(yīng)用于汽車(chē)、船舶、航空航天等工程機(jī)械領(lǐng)域，在工業(yè)信息化、集成化、自動(dòng)化迅速發(fā)展的今天發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。圖1所示是一部自動(dòng)對(duì)接連接器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文以其為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出一套相應(yīng)的液壓系統(tǒng)，然后通過(guò)軟件仿真分析驗(yàn)證系統(tǒng)的合理性。

自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)總體包括自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)與隨動(dòng)系統(tǒng)以及臍帶連接器系統(tǒng)兩部分，而對(duì)接系統(tǒng)與隨動(dòng)系統(tǒng)又主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)及信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)地面連接器面板與箭體連接器面板的對(duì)接、隨動(dòng)和分離等功能。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用3-PSS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，主要由底座支架、動(dòng)平臺(tái)、定平臺(tái)框架、連桿(球鉸連接)以及3組液壓缸系統(tǒng)共同組成。3組液壓缸提供主要?jiǎng)恿?lái)源，實(shí)現(xiàn)水平位置的伸縮平動(dòng)。而且該自動(dòng)對(duì)接連接器采用位置信號(hào)檢測(cè)器檢測(cè)出箭體的位置，完成初步對(duì)接，然后依靠空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)的柔順效能實(shí)現(xiàn)連接器的主動(dòng)柔順和被動(dòng)柔順。

圖1　自動(dòng)對(duì)接連接器執(zhí)行機(jī)構(gòu)

自動(dòng)對(duì)接連接器液壓系統(tǒng)采用了空間位置閉環(huán)控制[4]，其特點(diǎn)如下：① 安裝位置傳感器，在3組液壓缸活塞桿的末端分別安裝位置傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓缸的伸出長(zhǎng)度；② 安裝信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在定平臺(tái)上安裝信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)連接器與箭體的空間位置誤差，然后反饋到控制系統(tǒng)，及時(shí)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)響應(yīng)；③ 安裝溢流閥，調(diào)定系統(tǒng)最高額定壓力，起到溢流保壓的作用，保護(hù)系統(tǒng)安全正常的運(yùn)行。

2.2液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算

執(zhí)行機(jī)構(gòu)與液壓站系統(tǒng)結(jié)合組成一套完整的液壓系統(tǒng)[5]，其原理圖如圖2所示。

1.油箱； 2.恒壓變量泵； 3.三相異步電機(jī)； 4.普通單向閥； 5.氣囊式蓄能量； 6.壓力表； 7、19.濾油器； 8、9、10.電液伺服閥； 11、13、15.雙作用單桿液壓缸； 12、14、16.位移傳感器； 17.溢流閥； 18.散熱器

圖2液壓系統(tǒng)原理

根據(jù)自動(dòng)對(duì)接連接器的設(shè)計(jì)性能要求，3組液壓缸的工作行程為400 mm，且通過(guò)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真得到液壓缸活塞桿承受的工作負(fù)載[6]為6 500 N，最大伸縮速度0.4 m/s，初選系統(tǒng)工作壓力為6 MPa。且3組液壓缸內(nèi)部的流量壓力基本保持一致，所以只計(jì)算一組液壓缸的情況。

2.2.1液壓缸參數(shù)確定

由負(fù)載和工作壓力可以得到液壓缸[7]無(wú)桿腔一側(cè)的有效工作面積

(1)

式中：A為無(wú)桿腔有效工作面積；F為系統(tǒng)負(fù)載；p為系統(tǒng)工作壓力；ηm為機(jī)械效率，取值0.9；D為液壓缸缸徑。

最后得到液壓缸缸徑D≈39.15 mm，圓整得D=40 mm。參考液壓工程手冊(cè)后，為了保證活塞桿的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性，取D=0.7d，可以得到活塞桿桿徑d=28 mm。

2.2.2液壓缸最大流量確定

已知液壓缸無(wú)桿腔的面積及活塞桿的最大移動(dòng)速度，可以得到液壓缸的最大流量

(2)

式中：q為液壓缸流量；A為無(wú)桿腔有效工作面積；v為活塞桿最大移動(dòng)速度；D為液壓缸缸徑。得到q=30 L/min。

2.2.3電液伺服閥的選取

在電液伺服系統(tǒng)中，作為將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)的接口元件，同時(shí)也是功率放大元件，因此不同類(lèi)型電液伺服閥選取對(duì)液壓系統(tǒng)有著極其重要的作用。本文選取型號(hào)為D633、額定流量為40 L/min的MOOG伺服閥。

2.2.4液壓泵及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的確定

由于變量泵具有提高系統(tǒng)工作效率以及減少發(fā)熱和工作成本等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)考慮到液壓系統(tǒng)自身流量多次發(fā)生變化的情況，選擇恒壓變量泵較為適宜。

為了驅(qū)動(dòng)液壓泵正常工作，電機(jī)功率P應(yīng)該滿(mǎn)足

(3)

式中：P為電機(jī)功率；ps為液壓泵最高工作壓力，ps=10 MPa；qp為泵實(shí)際輸出流量，qp=49.5 L/min；ηp為液壓泵效率，取值0.85。最后得到電機(jī)的功率P=5.8 kW。

3液壓模型的建立與仿真的運(yùn)行

在AMESim平臺(tái)中建立該液壓系統(tǒng)模型，由于自動(dòng)對(duì)接連接器中的3組液壓缸輸入輸出基本保持一致，故本文僅考慮一組液壓缸問(wèn)題。

3.1建立模型

進(jìn)入AMESim的草圖模式，在信號(hào)控制庫(kù)、機(jī)械庫(kù)以及液壓庫(kù)中選擇合適的元件建立起圖3所示的執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)仿真模型。

其中，超級(jí)元件7的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中，f(x)=1-0.05x2是一個(gè)以時(shí)鐘參數(shù)為變量的階躍函數(shù)，f(x,y)=x*y是一個(gè)乘積函數(shù)，輸出的信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果作為控制信號(hào)。

3.2選擇數(shù)學(xué)模型

在完成整個(gè)液壓模型的搭建后就進(jìn)入子模型模式，給具有多個(gè)子模型的元件按照實(shí)際工況選擇合適的子模型。AMESim提供了優(yōu)選子模型功能，既可以方便用戶(hù)快速的選擇各元件的子模型，同時(shí)也能夠簡(jiǎn)化仿真的運(yùn)算過(guò)程。

圖3　執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)仿真模型

圖4　超級(jí)元件

3.3設(shè)置各元件參數(shù)

開(kāi)始仿真前，還需要在參數(shù)模式下對(duì)每個(gè)元件的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括液壓環(huán)境、電機(jī)轉(zhuǎn)速、液壓泵流量、單向閥背壓、溢流閥調(diào)定壓力、蓄能器工作容積以及管道通徑等。部分元件的仿真主要參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1所示，其他值均選擇默認(rèn)值。

表1　仿真參數(shù)設(shè)置

3.4開(kāi)始仿真

完成參數(shù)設(shè)置后就可以進(jìn)入仿真階段。仿真開(kāi)始前，需要在運(yùn)行模式下設(shè)置仿真時(shí)間、通訊間隔、運(yùn)行類(lèi)型、積分器類(lèi)型以及仿真模式。設(shè)置仿真時(shí)間為100s，通訊間隔為0.01s，仿真模式為動(dòng)態(tài)仿真。

系統(tǒng)所要達(dá)到的性能指標(biāo)：在仿真時(shí)間內(nèi)，動(dòng)態(tài)跟蹤誤差不超過(guò)0.015m，穩(wěn)態(tài)誤差不超過(guò)0.000 5m。

4仿真結(jié)果分析

整個(gè)仿真過(guò)程[8]對(duì)液壓缸活塞桿的伸出動(dòng)作進(jìn)行了分析研究，得到相關(guān)的壓力、位移以及動(dòng)態(tài)跟蹤曲線，找到系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的原因，在滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)際工況的前提下調(diào)整控制參數(shù)減小動(dòng)態(tài)跟蹤誤差[9]。

從圖5和圖6可以看到：① 油缸開(kāi)始工作瞬間液壓沖擊較大，油口壓力出現(xiàn)了較大波動(dòng)；② 系統(tǒng)工作結(jié)束后，進(jìn)油口壓力14MPa大于了溢流閥的調(diào)定壓力8MPa；③ 液壓缸活塞桿在伸出過(guò)程結(jié)束后，由于控制信號(hào)沒(méi)有該表，因此伸出長(zhǎng)度保持在0.4m；④ 出油口壓力相較于進(jìn)油口波動(dòng)幅度較大，且達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間更長(zhǎng)。

圖5　液壓缸活塞桿伸出進(jìn)油口和出油口壓力

圖6　活塞桿位移

通過(guò)圖7能夠得到液壓缸活塞桿在伸出的過(guò)程中，實(shí)際位移曲線與期望值一直存在誤差。其差值曲線如圖8所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)上面曲線的分析可以看出：首先，系統(tǒng)的最終壓力穩(wěn)定在一個(gè)超過(guò)溢流壓力的值，這對(duì)于液壓系統(tǒng)是極不安全的；其次，出油口的壓力未降低為零，造成較大的能量損失；最后，系統(tǒng)的控制信號(hào)不滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)跟蹤誤差，且穩(wěn)態(tài)誤差也未達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。針對(duì)上述存在的問(wèn)題，對(duì)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[10]、液壓元器件參數(shù)、油路連接路徑等逐漸檢查，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)回油路上的過(guò)濾器和散熱器都存在2.1MPa的壓降，這對(duì)系統(tǒng)的工作壓力產(chǎn)生較大的影響。換向閥到油箱的油路之間存在較大的背壓，而且超級(jí)元件里階躍函數(shù)信號(hào)的系數(shù)設(shè)置不合理，對(duì)反饋控制產(chǎn)生不利影響。

圖7　液壓缸活塞桿期望輸出與實(shí)際輸出值

圖8　實(shí)際位移與期望位移差值曲線

考慮到伺服系統(tǒng)的響應(yīng)能力主要由執(zhí)行元件與負(fù)載的動(dòng)態(tài)限制，即決定于液壓系統(tǒng)的固有頻率ωh和阻尼比δh，要提高響應(yīng)速度就需要提高固有頻率和阻尼比。而且液壓缸死區(qū)油量越大，油液可壓縮性越明顯，系統(tǒng)越不穩(wěn)定?；谏鲜鎏卣?，對(duì)相關(guān)元器件的參數(shù)進(jìn)行修改：降低液壓缸死區(qū)容積，將默認(rèn)的50cm3改為10cm3，增大過(guò)濾器和散熱器的孔徑，由5mm改為10mm，提高最大流量系數(shù)到10；在超級(jí)元件中，降低階躍信號(hào)的幅值，同時(shí)提高放大器增益值。

完成參數(shù)修改后，得到液壓系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的仿真曲線如圖9～圖11。

圖9　改進(jìn)后液壓缸活塞桿伸出進(jìn)出油口壓力

圖10　改進(jìn)后活塞桿位移

圖11　改進(jìn)后實(shí)際位移與期望位移差值曲線

圖9表明改進(jìn)后的系統(tǒng)最終穩(wěn)定在溢流壓力8MPa，保證了系統(tǒng)的安全性，從圖10可以看出相比于原始系統(tǒng)，改進(jìn)后活塞位移曲線更加平滑，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，圖11直觀地顯示了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差0.001 37m，小于設(shè)定值，穩(wěn)態(tài)誤差0.000 48m也低于設(shè)定的初始值。說(shuō)明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差均在許可范圍。

5結(jié)論

本文利用AMESim平臺(tái)對(duì)自動(dòng)對(duì)接連接器液壓系統(tǒng)進(jìn)行了一系列建模仿真，通過(guò)仿真可以看出：①AMESim模塊化的建模方式簡(jiǎn)化了建模過(guò)程，可以讓用戶(hù)更加直觀地了解所建模型；② 文中搭建的液壓模型屬于閉環(huán)式位置反饋系統(tǒng)，有很好的控制精度；③ 利用AMESim軟件建模仿真，重點(diǎn)在于元器件參數(shù)的設(shè)置，尤其是管道特性、壓縮特性等；④ 對(duì)比仿真曲線圖能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的存在問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]付永領(lǐng)，齊海濤.LMSImagine.LabAMESim系統(tǒng) 建模和仿真—實(shí)例教程[M].北京：北京航空航天 大學(xué)出版社，2011：1-3.

[2]高欽和，龍勇，馬長(zhǎng)林,等.機(jī)電液一體化系統(tǒng)建 模與仿真技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012:110-128.

[3]李文強(qiáng).六自由度運(yùn)動(dòng)臺(tái)電液伺服裝置設(shè)計(jì)及其 試驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009:10-26.

[4]宋志安，曹連民，黃靖,等.MATLAB/Simulink與 液壓控制系統(tǒng)仿真[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 2012：12-14.

[5]何禮冬.鋼軌除銹機(jī)整體方案與液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都：西南交通大學(xué)，2011:57-62.

[6]YAOJY,JIAOZX,YAOB.RobustControlforStaticLoadingofElectro-hydraulicLoadSimulatorwithFrictionCompensation[J].ChineseJournalofAeronautics,2012(25):954-955.

[7]臧克江.液壓缸[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2009:15-20.

[8]趙志國(guó)，余洋，魯冰.基于AMESim的軌道架線 車(chē)升降平臺(tái)液壓系統(tǒng)仿真[J].機(jī)床與液壓， 2010(38)：61-68.

[9]楊叔子，楊克沖.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005：97-104.

[10]劉海波，楊軍宏，尚建忠.混合推進(jìn)水下機(jī)器人液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析[J].機(jī)床與液壓， 2012(40)：70-71.

(責(zé)任編輯唐定國(guó))

Research of Hydraulic System of Automatic Butt-Joint Connector for Carrier Booster

ZHANG Xin1, LI Zhi-gang1, XU Hua2, HE Qing2

(1.School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2.Shanghai Institute of Aerospace System Engineering, Shanghai 201108, China)

Abstract:The automatic butt-joint connector for carrier booster is mainly applied to the process of the refueling before the launch of the rockets. Taking system of the automatic butt-joint connector as the research project, we set up relevant model of it in the environment of AMESim and initialized settings of related parameters. Aiming at the kinetic process of the piston rods in the hydraulic cylinders, we got the indexes of flow and pressure at the holes of hydraulic cylinders after proceeding simulation at the virtual model of the hydraulic system and figured out the working state of the hydraulic system. The result of simulation shows: the speed of responding of the system is fast after optimization and the proceed of the motion is steady, and the hydraulic system can fulfill the demand of performance in the field of practical engineering, and it lays a foundation for the subsequent optimized design of the entire hydraulic system.

Key words:the automatic butt-joint connector; modeling and simulation; hydraulic system: AMESim

文章編號(hào)：1006-0707(2016)03-0146-05

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ768.2；TH137.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.035

作者簡(jiǎn)介：張?chǎng)?1991—)，男，碩士，主要從事機(jī)電液一體化研究。

收稿日期：2015-09-08；修回日期：2015-09-26

本文引用格式：張?chǎng)?李志剛，徐華，等. 運(yùn)載火箭自動(dòng)對(duì)接連接器液壓系統(tǒng)研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(3):146-150.

【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】