某火炮藥協(xié)調(diào)器液壓系統(tǒng)聯(lián)合仿真研究

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

0 引言

火炮藥協(xié)調(diào)器作為彈藥自動裝填中的一個重要組成部件，其功能是作為連接藥倉與輸藥器的紐帶，負(fù)責(zé)將接收到的模塊藥傳輸?shù)脚谖埠蟛?，使藥軸線與炮膛軸線對齊。藥協(xié)調(diào)器由機(jī)械臂、液壓系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)組成，是一個典型的機(jī)電液系統(tǒng)[1]。作為協(xié)調(diào)器的動力來源，液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能直接影響協(xié)調(diào)器的性能。

為了更好地對協(xié)調(diào)器液壓系統(tǒng)動態(tài)進(jìn)行分析和設(shè)計優(yōu)化，使之更加符合實際情況，本研究運(yùn)用ADAMS與AMEsim軟件平臺對火炮藥協(xié)調(diào)器進(jìn)行建模仿真，并對藥協(xié)調(diào)器的工作過程進(jìn)行動態(tài)分析[2-6]。

1 火炮藥協(xié)調(diào)器的結(jié)構(gòu)和工作原理

火炮藥協(xié)調(diào)器是火炮自動裝填系統(tǒng)的一個重要組成部分，負(fù)責(zé)將接受到的模塊藥協(xié)調(diào)到一定的角度后，再按預(yù)定軌跡擺動一定的角度，使模塊藥到達(dá)炮尾并與炮膛軸線同軸，再通過輸藥機(jī)將彈藥傳輸進(jìn)炮膛。藥協(xié)調(diào)器由協(xié)調(diào)臂機(jī)構(gòu)、擺動機(jī)構(gòu)組成，利用液壓油缸的伸出與收回，實現(xiàn)協(xié)調(diào)臂與擺動臂的轉(zhuǎn)動。其中協(xié)調(diào)臂負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)垂直方向，擺動裝置負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)水平方向[7-8]。根據(jù)相關(guān)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)，利用Creo軟件建立了藥協(xié)調(diào)器的三維模型如圖1所示。

圖1 藥協(xié)調(diào)器模型

1.1 協(xié)調(diào)臂的結(jié)構(gòu)和工作原理

為方便參數(shù)的標(biāo)注，對協(xié)調(diào)臂進(jìn)行簡化，協(xié)調(diào)臂的工作原理圖如圖2所示。協(xié)調(diào)臂與協(xié)調(diào)油缸通過轉(zhuǎn)動副與架體相連，協(xié)調(diào)臂在協(xié)調(diào)油缸的驅(qū)使下繞O點轉(zhuǎn)動，達(dá)到在垂直方向上協(xié)調(diào)的目的。設(shè)協(xié)調(diào)臂的質(zhì)量為m，轉(zhuǎn)動慣量為J，油缸推力為F，x軸方向垂直于紙面向外，重力方向為z軸負(fù)方向，其他參數(shù)見圖2。

圖2 協(xié)調(diào)臂的工作原理

由牛頓第二定律得協(xié)調(diào)臂的動力學(xué)方程為：

(1)

那么協(xié)調(diào)油缸的負(fù)載為：

(2)

(3)

1.2 擺動裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

在本文研究的藥協(xié)調(diào)器中，為使藥筒運(yùn)動到炮尾而不發(fā)生干涉，藥筒的運(yùn)動軌跡為拋物線。簡化的擺動裝置原理圖如圖3所示。擺動油缸通過轉(zhuǎn)動副與曲柄相連，曲柄另一端固連一滑塊，滑塊與搖桿相對滑動無相對轉(zhuǎn)動，搖桿下端通過一滾輪沿著曲線槽運(yùn)動，上端連接藥筒。

油缸驅(qū)動曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄通過滑塊使搖桿與曲柄以同樣的角速度轉(zhuǎn)動，因搖桿下端滾輪只能在固定的曲線槽運(yùn)動，使得搖桿與滑塊相對平動，進(jìn)而使藥筒以預(yù)定的拋物線軌跡運(yùn)動。

圖3 擺動機(jī)構(gòu)工作原理

以拋物線方程建立坐標(biāo)系(x′,y′)，再以重力方向為-y軸，水平方向為x軸建立坐標(biāo)系(x,y)，兩坐標(biāo)系原點都與炮尾中心重合。在坐標(biāo)系(x′,y′)下：

拋物線方程為：

y1=ax12+bx1

(4)

曲線槽軌跡方程為：

(5)

(6)

(7)

L0為藥筒中心(x1,y1)到搖桿滾輪(x2,y2)的距離；R為優(yōu)化曲線引入的常數(shù)。

式(6)、(7)中：

其中(xA,yA)為曲柄旋轉(zhuǎn)中心A點的坐標(biāo)。

2 火炮藥協(xié)調(diào)器的建模

2.1 建立藥協(xié)調(diào)器動力學(xué)模型

在三維軟件Creo中建立藥協(xié)調(diào)器的三維模型，保存為x_t或者stp等中間格式，然后導(dǎo)入ADAMS中，根據(jù)各個零部件的運(yùn)動關(guān)系，搭建協(xié)調(diào)器虛擬樣機(jī)動力學(xué)模型。其中，搖桿下端滾輪與曲線槽添加接觸約束，為簡化模型計算，曲柄與搖桿的作用關(guān)系簡化為移動副約束。另外，軟件將自動計算各零部件的質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動慣量。這里因模塊藥在creo中建模時進(jìn)行過配重處理，故所有部件直接采用材料steel處理即可。

分別在協(xié)調(diào)油缸和擺動油缸上添加驅(qū)動力F為(1 000+200×TIME)，運(yùn)行仿真，檢查動力學(xué)模型建立無誤。

根據(jù)仿真試運(yùn)行結(jié)果可以看出，協(xié)調(diào)器動力學(xué)模型建模正確，驅(qū)動力F在液壓缸活塞提供的平衡力附近，這為后面液壓系統(tǒng)建模參數(shù)提供參考。

2.2 建立藥協(xié)調(diào)器液壓系統(tǒng)模型

液壓系統(tǒng)在建模仿真時，根據(jù)仿真元件庫的情況和避免系統(tǒng)太過繁瑣，為了提高動態(tài)仿真的準(zhǔn)確程度，現(xiàn)對液壓系統(tǒng)原理圖進(jìn)行簡化，對仿真結(jié)果影響不大的環(huán)節(jié)進(jìn)行一些適度的更改。其主要是由壓力源、溢流閥、比例閥、油缸、液壓鎖和PID控制器等組成。

基于藥協(xié)調(diào)器液壓原理圖，直接運(yùn)用AMEsim中的液壓元件庫搭建的藥協(xié)調(diào)器機(jī)液聯(lián)合仿真液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 藥協(xié)調(diào)器機(jī)液聯(lián)合仿真液壓系統(tǒng)原理

2.3 建立協(xié)調(diào)器的聯(lián)合仿真模型

建立AMEsim與ADAMS的模型接口。研究的藥協(xié)調(diào)器中，動力學(xué)模型有較為復(fù)雜的曲線結(jié)構(gòu)，而液壓系統(tǒng)模型相對簡單，若將ADAMS模型集成到AMEsim中求解，AMEsim求解器往往會遇到一些問題，難以求解，故選擇ADAMS作為主控程序的交互式仿真模式。在此模式中，將AMEsim模型導(dǎo)入ADAMS中求解，AMEsim子模型將作為ADAMS一個通用狀態(tài)方程(GSE)模塊，模型間通過動態(tài)鏈接庫進(jìn)行通信。

在AMEsim中，創(chuàng)建接口模塊，將油缸的力作為輸入，傳遞到ADAMS中，將ADAMS中油缸伸長量和速度作為輸出，傳遞到AMEsim中。

在ADAMS中，分別建立兩個觀測量：油缸活塞的位移d和藥筒的轉(zhuǎn)角θ。然后，建立兩個狀態(tài)變量，填入前面建立觀測量。再分別定義輸出數(shù)組、輸入數(shù)組、狀態(tài)數(shù)組。在輸入數(shù)組中，填入狀態(tài)變量θ和d。

然后采用ADAMS中ARYVAL函數(shù)將驅(qū)動力F與輸出數(shù)組連接起來。

最后，創(chuàng)建狀態(tài)方程(GSE)模塊。設(shè)置與AMEsim模型生成的動態(tài)鏈接庫的鏈接，完成聯(lián)合仿真的接口設(shè)置。

3 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過以上準(zhǔn)備工作，現(xiàn)進(jìn)行聯(lián)合仿真。根據(jù)表提供的參數(shù)，進(jìn)行液壓系統(tǒng)元器件參數(shù)設(shè)置。設(shè)置完畢后進(jìn)入仿真模式。設(shè)置仿真時間1.5 s，間隔0.001 s，點擊仿真運(yùn)行按鈕，啟動聯(lián)合仿真。在ADAMS中可實時查看系統(tǒng)運(yùn)動情況。

3.1 協(xié)調(diào)仿真分析

根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，俯仰射角范圍θ=-3°～70°，協(xié)調(diào)臂的輸入信號為階躍信號，分別取不同的θ運(yùn)行仿真，觀察結(jié)果。輸入信號為30°時的響應(yīng)如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器射角30°時的響應(yīng)

可看出在1 s內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差不足1 mil，系統(tǒng)沒有超調(diào)量，說明協(xié)調(diào)臂不會超過給定射角指令的位置，協(xié)調(diào)精度滿足設(shè)計要求。

3.2 擺入仿真分析

為了使擺動臂在凸輪槽里運(yùn)動相對平穩(wěn)，采用PID控制，目標(biāo)信號為斜坡信號。擺入時擺動油缸AB腔壓力變化如圖6所示，藥筒轉(zhuǎn)角θ隨時間變化如圖7所示。啟動瞬間，AB腔壓力迅速增大，A腔壓力大于B腔，油缸負(fù)載為正。此時A腔壓力稍有震蕩，分析原因可能于初始時刻擺動臂凸輪在凸輪槽里的運(yùn)動受力不穩(wěn)定有關(guān)。約0.4 s后，A腔壓力小于B腔，約0.5 s后擺動油缸合力為負(fù)，此時機(jī)構(gòu)重心在曲柄中心左側(cè)，油缸受到負(fù)負(fù)載作用。0.8 s后機(jī)構(gòu)開始制動，此時伺服閥接近關(guān)閉，B腔受壓壓力增高，A腔壓力為零或是負(fù)壓。擺入動作結(jié)束后，伺服閥處于關(guān)閉狀態(tài)，液壓鎖將油缸AB腔鎖死，使藥筒能穩(wěn)定可靠的停留在擺入末位。

圖6 擺入時擺動油缸AB腔壓力變化

圖7 擺入時藥筒轉(zhuǎn)角θ隨時間變化

3.3 擺出工況仿真分析

擺出工況與擺入類似，油缸負(fù)載先正后負(fù)。擺出時擺動油缸AB腔壓力變化如圖8所示，藥筒轉(zhuǎn)角θ隨時間變化如圖9所示。1.8 s時伺服閥反向開啟，此時液壓鎖打開，油缸A腔與回油管路連通，

圖8 擺出時擺動油缸AB腔壓力變化

壓力迅速下降。油缸B腔與壓力油路連通，壓力上升，使機(jī)構(gòu)加速運(yùn)動，隨之A腔因回油阻力壓力上升。在擺出過程中，隨著負(fù)載變化，B腔壓力逐漸降低，在2.3 s左右油缸合力變向。在2.6 s開始制動，A腔壓力增大，油缸合力始終保持在一個相對穩(wěn)定的值。B腔壓力也增大且趨勢相對于A腔存在一定的滯后性，分析其原因可能是擺出與擺入的工況不相同，在受力狀況不好的擺入初位，制動過程相對較長，B腔壓力不會因負(fù)負(fù)載形成零壓或真空。

圖9 擺出時藥筒轉(zhuǎn)角θ隨時間變化

4 結(jié)束語

針對某型號火炮藥協(xié)調(diào)器，建立了火炮藥協(xié)調(diào)器液壓系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，深入分析了藥協(xié)調(diào)器的工作原理，對協(xié)調(diào)、擺動過程進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果與實測相符，相關(guān)指標(biāo)滿足理論設(shè)計要求。得到了相應(yīng)的壓力與位移曲線。同時在此基礎(chǔ)上分析了擺動裝置在動作過程中存在的運(yùn)動不平穩(wěn)、壓力震蕩等情況，根據(jù)實際情況可采取相應(yīng)措施，如優(yōu)化PID控制輸入信號曲線、優(yōu)化擺動曲線槽結(jié)構(gòu)等，為藥協(xié)調(diào)器液壓系統(tǒng)進(jìn)一步的改進(jìn)和調(diào)試提供參考，具有一定實際意義。

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