某自行火炮輸彈機(jī)液壓-控制系統(tǒng)故障仿真研究

馮廣斌, 陸繼山, 孫華剛, 張?jiān)品?/p>

(軍械工程學(xué)院 軍械技術(shù)研究所,石家莊　050003)

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某自行火炮輸彈機(jī)液壓-控制系統(tǒng)故障仿真研究

馮廣斌, 陸繼山, 孫華剛, 張?jiān)品?/p>

(軍械工程學(xué)院 軍械技術(shù)研究所,石家莊050003)

摘要：分析了輸彈機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)異常和電磁閥失靈、液壓系統(tǒng)泄漏等典型故障產(chǎn)生的原因，利用Matlab/Simulink、RecurDyn、AMESim軟件建立了輸彈機(jī)機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真平臺(tái)，對(duì)典型故障進(jìn)行了聯(lián)合仿真分析，得出了故障影響規(guī)律，并提出了相關(guān)改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：輸彈機(jī)；Matlab/Simulink；RecurDyn；AMESim；故障仿真

輸彈機(jī)是一種由液壓-控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行工作的裝置。液壓-控制系統(tǒng)作為輸彈機(jī)的重要?jiǎng)恿υ慈?，?duì)整個(gè)輸彈動(dòng)作起到極為重要的作用。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)異常、液壓系統(tǒng)漏液和電磁閥失靈是輸彈機(jī)在使用過(guò)程中液壓-控制系統(tǒng)常見(jiàn)的幾類(lèi)典型故障，這些故障的發(fā)生往往會(huì)使得輸彈機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)作不能在確定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)順利完成，直接導(dǎo)致輸彈不到位或輸彈停止[1-5]。本文擬利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn與控制系統(tǒng)仿真軟件Matlab/Simulink、液壓系統(tǒng)仿真軟件AMESim建立輸彈機(jī)機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真模型，對(duì)這幾類(lèi)典型故障進(jìn)行仿真分析，從中得出故障影響規(guī)律，并提出減小故障發(fā)生率的相關(guān)措施。

1故障原因

輸彈機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)異常故障主要有幾個(gè)方面的原因[6-9]:① 當(dāng)供電電壓不穩(wěn)定時(shí)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力矩不能始終滿(mǎn)足電機(jī)所需輸出轉(zhuǎn)矩的要求，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速忽快忽慢不能趨于穩(wěn)定；② 由于油液泄漏或溫度濕度變化的影響造成電機(jī)內(nèi)線(xiàn)路破損導(dǎo)致漏電或通電不順暢致使電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)；③ 由于輸彈機(jī)的機(jī)械構(gòu)件卡滯造成阻力矩急劇變大導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷變小。電磁閥失靈主要是由于元件制造工藝不夠高等原因?qū)е缕淇拐鹉芰档退?，?dāng)輸彈機(jī)在持續(xù)行軍或連續(xù)工作過(guò)程中受到車(chē)體顛簸碰撞或自振等因素影響時(shí)，導(dǎo)致電磁閥靈敏度下降甚至失效。輸彈機(jī)配流盤(pán)磨損及液壓馬達(dá)磨損則會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)漏液，進(jìn)而使得系統(tǒng)壓力供應(yīng)不足，導(dǎo)致輸彈不到位或者輸彈失敗。

2輸彈機(jī)剛體動(dòng)力學(xué)分析及求解

輸彈機(jī)的基本工作原理是在液壓驅(qū)動(dòng)力的作用下利用輸彈鏈頭將協(xié)調(diào)器傳送過(guò)來(lái)的彈丸推送至火炮的炮膛待發(fā)射位置。單從輸彈機(jī)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的角度出發(fā)，將輸彈機(jī)剛性化處理后，應(yīng)用剛體動(dòng)力學(xué)單自由度等效法對(duì)輸彈機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析[10-13]。機(jī)械部分所有元件的慣性特性和所受負(fù)載等效到液壓馬達(dá)軸上，形成一等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和一等效負(fù)載力矩，可以推算出等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je的表達(dá)式：

(1)

式中：vsj為第j個(gè)構(gòu)件的質(zhì)心速度；Jj為第j個(gè)構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωj為第j個(gè)構(gòu)件的角速度；ω為等效構(gòu)件的角速度，n為活動(dòng)構(gòu)件總數(shù)。

等效力矩Me為：

(2)

式中:Je為等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；φ為轉(zhuǎn)角；Me為等效力矩，Me=Md-Mr；Md為驅(qū)動(dòng)力矩，Mr為阻力矩。

根據(jù)式(1)、(2)，利用數(shù)值方法可以求得輸彈鏈輪的速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。

3輸彈機(jī)聯(lián)合仿真模型的建立及驗(yàn)證

AMESim、RecurDyn和Simulink這三款軟件是液壓系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)仿真領(lǐng)域廣泛使用且運(yùn)算速度較快的仿真軟件[14-17]，本文將利用AMESim、RecurDyn和Simulink建立聯(lián)合仿真平臺(tái)對(duì)輸彈機(jī)機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真模型進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果輸出以RecurDyn軟件Plot模塊作為顯示主屏，并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，力求得出準(zhǔn)確合理的輸彈機(jī)聯(lián)合仿真模型。

3.1一體化聯(lián)合仿真平臺(tái)的建立

3.1.1AMESim軟件與RecurDyn軟件之間的接口

首先在RecurDyn軟件中通過(guò)添加約束副和運(yùn)動(dòng)副建立機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，并通過(guò)動(dòng)態(tài)校核和靜態(tài)校核驗(yàn)證樣機(jī)模型的正確性，然后在RcurDyn/Communicator/Hydraulic中對(duì)Hydraulic Inputs行創(chuàng)建并定義相關(guān)表達(dá)式，定義Hydraulic outputs，具體做法是在Hydraulic/outputs菜單中定義輸出接口以及相關(guān)名稱(chēng)，然后對(duì)每一個(gè)確定的元素創(chuàng)建輸出表達(dá)式，同時(shí)定義ID。建立輸入輸出接口之后，也即完成了兩個(gè)軟件之間聯(lián)合仿真接口的創(chuàng)建，然后在AMESim軟件中建立液壓系統(tǒng)模型，通過(guò)軟件接口進(jìn)行連接，創(chuàng)建聯(lián)合仿真環(huán)境。然后進(jìn)行聯(lián)合仿真：首先運(yùn)行AMESim軟件，在AMESim軟件正常運(yùn)行后，對(duì)RecurDyn軟件中的模型進(jìn)行仿真，通過(guò)RecurDyn軟件中的Plot觀察輸出曲線(xiàn)變化情況。

3.1.2RecurDyn軟件與MATLAB/Simulink軟件之間的接口

在RecurDyn軟件中建立正確的輸彈機(jī)機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型后，通過(guò)RcurDyn/Communicator/Control中對(duì)plant inputs 和plant outputs進(jìn)行輸入和輸出的定義和創(chuàng)建，輸入和輸出的對(duì)象一般是速度、位移和加速度等。然后通過(guò)Communicator/Control/CoSim輸出相應(yīng)的M文件，在MATLAB中打開(kāi)M文件并運(yùn)行，同時(shí)在命令窗口輸入radlib命令，再運(yùn)行Simulink軟件，創(chuàng)建控制框圖。先在Simulink中運(yùn)行聯(lián)合仿真，待聯(lián)合仿真成功后，可以運(yùn)行RcurDyn在Plot中查看仿真結(jié)果。

3.1.3聯(lián)合仿真平臺(tái)

將RecurDyn軟件作為中間主屏，并分別與AMESim軟件MATLAB/Simulink軟件通過(guò)接口進(jìn)行聯(lián)結(jié)就實(shí)現(xiàn)了各軟件之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，建立聯(lián)合仿真平臺(tái)。

3.2聯(lián)合仿真模型的建立

將輸彈機(jī)的三維模型導(dǎo)入RecurDyn軟件，通過(guò)約束與載荷的添加及虛擬樣機(jī)校核等步驟建立其動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖1所示。同時(shí)在AMESim軟件和MATLAB/Simulink軟件中建立液壓-控制系統(tǒng)仿真模型，仿真模型結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，將所建立的模型導(dǎo)入聯(lián)合仿真平臺(tái)中即可建立輸彈機(jī)機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真模型。

圖1　輸彈機(jī)虛擬樣機(jī)模型Fig.1 The virtual prototype model of automatic feeding machine

圖2　液壓-控制系統(tǒng)原理框圖Fig.2 The structure of the hydraulic control system

3.3聯(lián)合仿真模型的驗(yàn)證

選擇實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為在火炮射角為45°，火炮位于水平面上且處于靜止?fàn)顟B(tài)的工作狀況下進(jìn)行試驗(yàn)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為校核參考值，對(duì)輸彈機(jī)仿真模型仿真計(jì)算的角度選擇也為45°，且整個(gè)系統(tǒng)均處于水平面上的靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。可以得出彈丸在輸彈機(jī)中運(yùn)動(dòng)的各個(gè)階段速度變化情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比曲線(xiàn)，從圖3中可以明顯的看出，兩者的取值范圍非常接近。即所建立的聯(lián)合仿真模型具有較高的精度，可用于故障仿真研究。

圖3　彈丸速度變化曲線(xiàn)Fig.3 The projectile velocity contrast

4液壓-控制系統(tǒng)典型故障仿真研究

4.1故障判別準(zhǔn)則

在研究液壓-控制系統(tǒng)典型故障之前，應(yīng)該首先確定輸彈機(jī)發(fā)生故障的具體判別準(zhǔn)則。根據(jù)輸彈機(jī)的工作特點(diǎn)以及工作要求，一般把輸彈機(jī)輸送的彈丸不能到達(dá)指定位置這一現(xiàn)象作為輸彈機(jī)出現(xiàn)故障的主要特征和表現(xiàn)形式來(lái)判別輸彈機(jī)工作過(guò)程中是否為故障狀態(tài)。在研究過(guò)程中，只要彈丸能夠被輸送到目標(biāo)位置，即使輸送過(guò)程中輸彈鏈條或彈丸速度、受力等出現(xiàn)較大波動(dòng)，還是可以將其視為正常狀態(tài)。

4.2電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)異常故障仿真分析

利用故障注入技術(shù)建立電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)故障模型，主要通過(guò)設(shè)置其轉(zhuǎn)速變化改變轉(zhuǎn)矩的方法改變信號(hào)輸入的強(qiáng)度和頻率。電機(jī)正常模型和故障模型對(duì)應(yīng)的參數(shù)如表1、表2所示。其中表1所列出的參數(shù)表示正常值及額定輸出值。表2所給出的參數(shù)范圍表示相關(guān)的故障參數(shù)可以在這一范圍內(nèi)浮動(dòng)變化，其數(shù)值的輸出變化是不規(guī)則的動(dòng)態(tài)變化。

表1　 電機(jī)正常模型參數(shù)

表2電機(jī)故障模型參數(shù)

Tab.2 The abnormal parameters of motor

通過(guò)參數(shù)設(shè)置和計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入功率大于或小于額定功率并在一定的區(qū)間范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，輸入電壓、電流、轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)也會(huì)在一定的區(qū)間內(nèi)發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而可以計(jì)算并確定電機(jī)轉(zhuǎn)速異常的故障仿真模型。通過(guò)不斷的仿真實(shí)驗(yàn)和計(jì)算發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生的輸入電壓最小和最大臨界點(diǎn)27 V、36 V，在電機(jī)從正常值逐漸變化至這兩個(gè)電壓模式下，分別對(duì)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真分析得出小鏈輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力、速度變化情況故障仿真結(jié)果與正常結(jié)果的對(duì)比曲線(xiàn)如圖4、圖5所示。

圖4　13號(hào)鏈輪受摩擦力變化曲線(xiàn)(虛線(xiàn)表正常值，實(shí)線(xiàn)表故障值)Fig.4 The stress changes of 13th sprocket

圖4中反映的是當(dāng)電壓從正常值逐漸變小到臨界點(diǎn)最小值時(shí)13號(hào)鏈輪所受摩擦力變化的情況。在正常情況下，13號(hào)鏈輪在0.5 s和0.7 s分別達(dá)到受力峰值，這是小鏈輪與大鏈輪脫離接觸轉(zhuǎn)換到輸彈槽時(shí)受到兩次沖擊力所致；而在電機(jī)故障時(shí)，由于液壓泵受電機(jī)故障影響不能提供穩(wěn)定的輸出，導(dǎo)致沖擊力出現(xiàn)峰值的時(shí)間明顯滯后。

由于輸彈機(jī)的輸彈過(guò)程一般需要經(jīng)歷先加速、再勻速、后減速的基本過(guò)程，在0～0.5 s之間，屬于輸彈鏈條的加速運(yùn)動(dòng)階段，0.5～0.8 s之間，屬于輸彈鏈條的勻速運(yùn)動(dòng)階段，0.8 s以后屬于輸彈鏈條的減速運(yùn)動(dòng)階段，在0.8 s以后，受到大鏈輪對(duì)輸彈鏈條的強(qiáng)力制動(dòng)作用，13號(hào)鏈輪所受的摩擦力將變?yōu)?，而13號(hào)鏈輪由于受到慣性力作用其速度將出現(xiàn)一次較大波動(dòng)，然后逐漸減為0。也能從圖4中觀察得出這一規(guī)律。

圖5　13號(hào)鏈輪速度變化曲線(xiàn)(虛線(xiàn)表正常值，實(shí)線(xiàn)表故障值)Fig.5 The speed changes of 13th sprocket

圖5顯示的是電機(jī)故障模式下當(dāng)電壓從正常值逐漸變大到臨界點(diǎn)最大值時(shí)13號(hào)鏈輪速度變化情況，從圖中可以看出，在啟動(dòng)階段，故障值速度變幅大于正常值的速度變幅，表明此時(shí)的故障轉(zhuǎn)矩大于正常轉(zhuǎn)矩，尤其在0.75 s和0.95 s時(shí)，鏈輪速度出現(xiàn)兩次較大的峰值，速度明顯大于正常值，無(wú)法達(dá)到精確輸彈的效果。

4.3電磁閥失靈故障仿真分析

電磁閥組在輸彈機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中扮演著極為重要的角色，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)力矩需要經(jīng)過(guò)電磁閥組的協(xié)調(diào)和控制合理的分配到每一個(gè)動(dòng)力執(zhí)行構(gòu)件，電磁閥常常因?yàn)檩^強(qiáng)的振動(dòng)沖擊等原因出現(xiàn)失靈甚至失效，在一體化仿真平臺(tái)下分別給電磁閥注入失靈(控制效率僅為正常值的1、2)和失效(控制率為0)故障，然后進(jìn)行故障仿真分析，分別得出故障值與正常值的對(duì)比曲線(xiàn)如圖6、圖7所示。

圖6　內(nèi)鏈板角速度變化曲線(xiàn)(虛線(xiàn)表正常值，實(shí)線(xiàn)表故障值)Fig.6 The voids changes of the within chain

從圖6中可以看出，正常狀態(tài)下，內(nèi)鏈板的角速度在0.3 s左右達(dá)到穩(wěn)定值，大小為70 rad/s，而在電磁閥失效時(shí)，在0～0.05 s之間內(nèi)鏈板角速度出現(xiàn)較大的變幅，穩(wěn)定時(shí)其穩(wěn)定值為58 rad/s，這說(shuō)明其速度達(dá)不到輸彈要求，可能導(dǎo)致輸彈失敗。

圖7　鏈板受力變化曲線(xiàn)(虛線(xiàn)表正常值，實(shí)線(xiàn)表故障值)Fig.7 The stress changes of the sprocket

圖7為電磁閥失效時(shí)內(nèi)鏈板受力變化情況，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩此時(shí)不受控制，因此，內(nèi)鏈板受到兩次較大的沖擊力，這種狀態(tài)很可能導(dǎo)致掉彈或卡彈的故障發(fā)生。

4.4液壓馬達(dá)泄漏故障仿真研究

液壓馬達(dá)是重要的能量轉(zhuǎn)換裝置，然而由于系統(tǒng)長(zhǎng)期處在惡劣的環(huán)境中工作，常常會(huì)出現(xiàn)馬達(dá)磨損導(dǎo)致漏液的情況發(fā)生，對(duì)模型注入馬達(dá)漏液量的故障仿真因素，通過(guò)計(jì)算可以得出，泄漏量達(dá)到124 ml時(shí)，輸彈機(jī)的輸彈動(dòng)作會(huì)出現(xiàn)明顯變化，其中正常狀態(tài)下和故障狀態(tài)下輸彈鏈頭在XYZ方向上的速度變化情況如圖8所示。

(a) 彈丸在X方向速度變化(b) 彈丸在Y方向速度變化(c) 彈丸在Z方向速度變化圖8 彈丸速度變化情況Fig.8Thespeedchangeofprojectile

從圖8可以看出，由于馬達(dá)內(nèi)油液泄漏導(dǎo)致系統(tǒng)油液總量不斷變化，于是輸出力矩不能穩(wěn)定且逐漸下降，導(dǎo)致輸彈鏈頭的速度變幅較大，大約在0.65 s時(shí)，輸彈停止。

4.5液壓泵配流盤(pán)磨損故障仿真研究

當(dāng)液壓泵配流盤(pán)發(fā)生磨損時(shí)，常常導(dǎo)致輸出油量的損失和不足，通過(guò)配流盤(pán)端面面積大小與輸出液量的計(jì)算關(guān)系可以確定磨損量的大小與損失流量的計(jì)算關(guān)系，進(jìn)而確定損失驅(qū)動(dòng)力的大小。通過(guò)故障注入仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液壓泵流量損失達(dá)到90 ml時(shí)，輸彈機(jī)的彈丸無(wú)法被輸送到位，按損失流量可以計(jì)算得出此時(shí)的磨損量為1.1 mm。其中彈丸及鏈頭的相關(guān)速度變化如圖9、圖10所示。

圖9表示正常狀態(tài)下，輸彈機(jī)輸彈鏈頭和彈丸的運(yùn)動(dòng)速度變化情況，按照輸彈機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，彈丸速度不能低于3.2 m/s，顯然正常狀態(tài)下滿(mǎn)足這一條件。圖10則表示故障狀態(tài)下彈丸速度變化曲線(xiàn)，從圖中可以看出，彈丸的穩(wěn)定速度大約在2.95 m/s左右，無(wú)法將彈丸輸送到位。

因此，在使用過(guò)程中出現(xiàn)液量不足導(dǎo)致輸彈不到位的情況時(shí)，可以檢查液壓泵配流盤(pán)端面磨損情況并對(duì)其進(jìn)行檢修。

圖9　輸彈鏈頭及彈丸速度變化情況Fig.9 The speed change of projectile and chain head

圖10　磨損狀態(tài)彈丸速度變化情況 Fig.10 The speed change of projectile when hydraulic pump wear

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)輸彈機(jī)機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真模型故障仿真研究，可以得出以下結(jié)論及措施：

(1) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)異常、液壓系統(tǒng)漏液和電磁閥失效是輸彈機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)常見(jiàn)的典型故障。

(2) 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩不能穩(wěn)定輸出，造成在輸彈過(guò)程中彈丸受力變化幅值較大，姿態(tài)不穩(wěn)，且速度偏小，可能導(dǎo)致輸彈故障或輸彈停止，可以通過(guò)更換輸出更穩(wěn)定的電機(jī)或者檢查線(xiàn)路受損情況等進(jìn)行糾正和解決。

(3) 當(dāng)電磁閥失效時(shí)，會(huì)使得輸出力矩不受合理控制和分配，彈丸輸送過(guò)程中受力不均勻，致使輸彈不能到位?？梢酝ㄟ^(guò)選擇抗震性能較好的電磁閥組或者增加相應(yīng)的減震裝置來(lái)解決。

(4) 在使用過(guò)程中出現(xiàn)液量不足導(dǎo)致輸彈不到位的情況時(shí)，可以檢查液壓泵配流盤(pán)端面和液壓馬達(dá)磨損情況并對(duì)其進(jìn)行檢修。

(5) 建立了正確的輸彈機(jī)機(jī)電液一體化仿真模型，可用于未來(lái)對(duì)輸彈機(jī)機(jī)械或液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及深入研究提供參考。

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收稿日期：2015-04-24修改稿收到日期：2015-07-28

通信作者陸繼山 男，碩士生，1988年生

中圖分類(lèi)號(hào):TJ8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.14.021

Failure simulation of the hydraulic control system of an automatic feeding machine

FENG Guang-bin, LU Ji-shan, SUN Hua-gang, ZHANG Yun-feng

(Ordnance Technical Institution, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract:The typical failure causes, such as the abnormalities of motor rotation, the cylinder leakage and the failure of solenoid were analyzed for the control system of a shell-conveyer. The software Matlab/Simulink and RecurDyn, AMESim were combinedly used to build an integrated platform. The three typical faults mentioned were analyzed, the regularity of the influencing factors of faults was concluded and improvement measures were put forward.

Key words:shell-conveyer; Matlab/Simulink; RecurDyn; AMESim; failure simulation

第一作者 馮廣斌 男，研究員，博士生導(dǎo)師，1965年生