外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)液壓驅(qū)動研究與應(yīng)用

王躍進(jìn)，楊衛(wèi)超，屈武斌，郭子鵬

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

隨著武器裝備的發(fā)展，高射速小口徑自動炮在末端防御、空中近距格斗、空對地壓制打擊等方面發(fā)揮著不可替代的作用，世界各國都在積極發(fā)展和提高小口徑自動炮的射速及其自動化程度。自動炮的核心是自動機(jī)，采用轉(zhuǎn)管原理(加特林原理)的自動機(jī)能有效提高火炮射速，相比傳統(tǒng)的單管自動機(jī)射速有了顯著提高，主要軍事強(qiáng)國都在競相發(fā)展轉(zhuǎn)管自動機(jī)技術(shù)。轉(zhuǎn)管自動機(jī)主要有內(nèi)能源、外能源和內(nèi)外能源耦合3種驅(qū)動方式。為穩(wěn)定射速，提高密集度，達(dá)到射速可調(diào)的目的，通常采用外能源驅(qū)動[1-3]。外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)傳統(tǒng)方法一般采用電機(jī)驅(qū)動，通常應(yīng)用于對耗電功率和體積要求不高的艦載武器系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是采用閉環(huán)控制，系統(tǒng)響應(yīng)快，控制精度高，但缺點(diǎn)是系統(tǒng)剛性較差，控制復(fù)雜，尤其耗電功率大，使得相關(guān)電站及電氣控制系統(tǒng)的研制難度增加，研制成本高，而難以應(yīng)用于對功耗、體積要求高的車載、機(jī)載等平臺。

針對上述問題，筆者提出了外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)液壓驅(qū)動與穩(wěn)速的解決方案，設(shè)計研發(fā)了恒功率脈沖動力源與基于電液比例節(jié)流控制相結(jié)合的閥控馬達(dá)開式驅(qū)動系統(tǒng)[4-6]，有效解決了外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)驅(qū)動耗電功率受限而難以應(yīng)用于車載、機(jī)載等平臺的技術(shù)問題。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成，其中液壓系統(tǒng)由電機(jī)、變量泵、液壓油箱總成、高壓蓄能器、電液比例控制閥組(由兩位兩通座閥、電液比例節(jié)流閥、壓力補(bǔ)償器、壓力開關(guān)集成)、補(bǔ)油緩沖閥組(由補(bǔ)油閥、背壓閥、緩沖閥集成)、液壓馬達(dá)、壓力表以及管路接頭等組成。變量泵由電機(jī)直接驅(qū)動，液壓馬達(dá)與轉(zhuǎn)管自動機(jī)的減速箱直接連接，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速直接反映了自動機(jī)的射速。電控系統(tǒng)主要由比例控制器、操作指令箱、控制軟件以及相關(guān)電纜等組成，實現(xiàn)對外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)的控制。外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1.2 工作原理

外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)采用高壓蓄能器與恒功率變量泵相結(jié)合驅(qū)動液壓馬達(dá)帶動身管組轉(zhuǎn)動和電液比例節(jié)流控制穩(wěn)速的技術(shù)方案。

射擊前，首先空載啟動油源電機(jī)驅(qū)動變量泵向高壓蓄能器充液建壓，在充液過程中，隨著系統(tǒng)壓力升高，當(dāng)恒功率變量泵的輸出功率達(dá)到設(shè)定的功率拐點(diǎn)后，恒功率變量泵斜盤自動擺小，變量泵按恒功率曲線運(yùn)行，變量泵輸出流量隨系統(tǒng)壓力的升高而不斷減小，期間保持變量泵(電機(jī))的功率恒定不變。在高壓蓄能器達(dá)到所需壓力后，系統(tǒng)壓力開關(guān)接通，高壓壓力指示燈點(diǎn)亮，同時變量泵的壓力切斷功能起作用，變量泵的斜盤瞬時擺至最小，將變量泵轉(zhuǎn)至恒壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)，維持液壓系統(tǒng)泄漏而保持泵出口壓力恒定，從而達(dá)到降低空載耗電功率、減小能耗的目的。

射擊時，電控系統(tǒng)按照事先擬合好的指令曲線打開并按比例無級調(diào)整電液比例節(jié)流閥的開度，瞬間高壓大流量油液驅(qū)動液壓馬達(dá)帶動自動機(jī)身管組瞬時加速至額定轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定射擊。射擊過程中，依靠壓力補(bǔ)償器穩(wěn)定電液比例節(jié)流閥的前后壓差而保證電液比例節(jié)流閥的輸出流量穩(wěn)定，使自動機(jī)的射速不受其負(fù)載變化的影響，從而達(dá)到穩(wěn)定射速的目的。當(dāng)改變電液比例節(jié)流閥的驅(qū)動電流，即可實現(xiàn)對外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)射速的調(diào)整。

2 閥控馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型

閥控馬達(dá)的方程式[4]，往往存在許多非線性因素，為了得到通用的數(shù)學(xué)模型，必須進(jìn)行線性化處理。閥線性化后的流量方程組可表示為：

進(jìn)入馬達(dá)的流量

Q1=KqXV-2KcP1，

(1)

馬達(dá)排出的流量

Q2=KqXV+2KcP2，

(2)

線性化流量方程

QL=(Q1+Q2)/2=KqXV-KcPL，

(3)

式中：QL為負(fù)載流量，L/s；負(fù)載壓力PL=P1-P2，MPa，P1為馬達(dá)高壓側(cè)壓力，P2為馬達(dá)低壓側(cè)壓力；Kq為閥的流量增益；Kc為閥的流量壓力系數(shù)。

考慮到外泄漏，上面所述閥的負(fù)載流量是表示通往馬達(dá)兩管道流量的平均值。

液壓馬達(dá)的流量方程：

(4)

利用Vt=2V0代入式(4)，并取拉普拉斯變換得：

(5)

式中：Vt為在壓力P1和P2作用下油的總體積，m3；Ctm為馬達(dá)的泄露系數(shù)。

馬達(dá)的拉普拉斯變換力矩方程：

DmPL=Jtmθms2+Bmθms+Gθm+TL.

(6)

將式(3)、(5)和(6)合并可求得馬達(dá)轉(zhuǎn)角θm的方程式：

(7)

假定無彈簧負(fù)載,則G=0，Bm?1，則式(7)化簡為：

(8)

對于以閥位移XV為輸入的傳遞函數(shù)：

(9)

動態(tài)柔度：

(10)

綜上所述，式(8)、(9)和(10)全面描述了閥控馬達(dá)的動態(tài)與靜態(tài)特性。

3 外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

3.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)轉(zhuǎn)管自動機(jī)的使用特點(diǎn)，結(jié)合載體平臺的要求，設(shè)計采用高壓蓄能器充液蓄能后與恒功率變量泵相結(jié)合,提供瞬時脈沖高壓大流量油液直接驅(qū)動液壓馬達(dá)帶動身管組加速啟動和電液比例節(jié)流控制穩(wěn)速的技術(shù)方案。其中高壓蓄能器與恒功率變量泵構(gòu)成瞬時脈沖動力源，射擊前以較低耗電功率蓄能，射擊時高液壓功率驅(qū)動，解決了外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)射擊時的大功率需求與小功率耗電的矛盾；采用緩沖閥解決自動機(jī)異常停射時的壓力沖擊；采用補(bǔ)油閥、背壓閥相結(jié)合解決自動機(jī)射擊結(jié)束后馬達(dá)慣性旋轉(zhuǎn)的補(bǔ)油問題，以防止氣穴現(xiàn)象，同時背壓閥還用于調(diào)整液壓馬達(dá)的回油背壓，消除或緩解自動機(jī)射擊時交變沖擊載荷帶來的射速波動；采用壓力補(bǔ)償器解決自動機(jī)帶彈射擊與空載試驗的射速一致性，使自動機(jī)的射速不受其負(fù)載變化的影響。各閥組采用集成化設(shè)計與分散布置的方式傳遞動力。高壓蓄能器的壓力油在非工作狀態(tài)下由電液比例節(jié)流閥與兩位兩通座閥保持，長期存放時可由兩位兩通座閥與安全閥實現(xiàn)泄壓。液壓系統(tǒng)原理示意如圖2所示。

3.2 主要組件選型與設(shè)計

某外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)被驅(qū)動的運(yùn)動構(gòu)件轉(zhuǎn)動慣量大、轉(zhuǎn)速高、射擊時阻力矩大，穩(wěn)定射擊所需驅(qū)動功率大。綜合權(quán)衡載體平臺電站總功率與系統(tǒng)反應(yīng)時間，在降低自動機(jī)耗電功率的同時又不影響系統(tǒng)反應(yīng)時間。按照上述設(shè)計，射擊時的能源主要依靠蓄能器提供，通過分析計算，某外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)選用額定功率10 kW的電機(jī)驅(qū)動恒功率變量泵匹配性較好。根據(jù)自動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量、加速特性以及額定射速，要求自動機(jī)的驅(qū)動扭矩大于800 N·m，轉(zhuǎn)速大于600 r/min，因此，自動機(jī)所需驅(qū)動功率大于50 kW.選定系統(tǒng)工作壓力范圍為15～20 MPa，根據(jù)液壓馬達(dá)與自動機(jī)的減速比，計算液壓馬達(dá)的排量:

(11)

式中：ΔP為液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓差；T為自動機(jī)驅(qū)動扭矩，N·m；Vg為液壓馬達(dá)排量,mL；η為減速機(jī)效率，取η=0.95；i為液壓馬達(dá)與自動機(jī)的減速比；ηm為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率，取ηm=0.95.

依據(jù)上述計算所得液壓馬達(dá)排量，計算額定工況下馬達(dá)所需流量Q：

(12)

式中：n為馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/min；ηv為液壓馬達(dá)容積效率，ηv=0.95.

蓄能器用于瞬時輸出流量，蓄能器容積VA的大小由蓄能器初始注氣壓力pA、工作中要求輸出的油液體積Vw(按最長射擊時間計算)、系統(tǒng)最高工作壓力p1和最低工作壓力p2決定。

蓄能器的容積VA的計算公式為：

(13)

式中：pA≈(0.8～0.9)p2；n為絕熱多變指數(shù)，取n=1.25.

4 試驗驗證

某外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)計與試制加工，與自動機(jī)聯(lián)調(diào)聯(lián)試后，首先在實驗室進(jìn)行了自動機(jī)空載驅(qū)動試驗，試驗測試曲線如圖3所示；隨后又進(jìn)行了靶場射擊試驗，連續(xù)射擊30發(fā)，試驗測試曲線如圖4所示。

試驗結(jié)果表明，某外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)耗電功率≤10 kW，在空載和帶載兩種狀態(tài)下射速穩(wěn)定，系統(tǒng)加速快，剛性大、體積小、受自動機(jī)射擊時的交變沖擊載荷影響小，滿足載體平臺的各項指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)的驅(qū)動功率是其武器平臺的重要參數(shù)指標(biāo)，隨著射速的提高，自動機(jī)消耗功率也不斷加大，而車載、機(jī)載平臺提供的電源功率有限，制約著外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)在車載、機(jī)載等平臺的搭載應(yīng)用。通過外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)液壓驅(qū)動系統(tǒng)的研究和試驗，結(jié)果表明，外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)采用液壓驅(qū)動的方式，能有效降低耗電功率，可柔性傳遞動力，驅(qū)動系統(tǒng)剛性大，射速穩(wěn)定可調(diào)，有效解決了外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)應(yīng)用于車載、機(jī)載等平臺功率受限的問題，提高了外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)適裝性，為外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)驅(qū)動開辟了新的技術(shù)途徑，具有一定的參考價值。