液壓油質(zhì)特性對火箭炮高低調(diào)炮影響仿真研究

徐桐 曹立軍 馬萬鵬

摘要：為研究液壓油質(zhì)特性變化對火箭炮高低調(diào)炮的影響，以某火箭炮高低隨動系統(tǒng)為研究對象，基于MSC_ADAMS、EASY5仿真軟件建立高低隨動裝置機(jī)電液耦合動力學(xué)模型，并通過對比試驗(yàn)與仿真結(jié)果驗(yàn)證模型的可信性。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析液壓油溫與含氣量對火箭炮高低調(diào)炮的影響，同時針對液壓油污染導(dǎo)致的過濾器堵塞故障進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明：液壓油溫與含氣量對火箭炮高低調(diào)炮的影響不能忽略，過濾器堵塞故障隱蔽性較強(qiáng)不易察覺，通過改變液壓油質(zhì)特性進(jìn)行仿真可以獲得較完善的知識與樣本，為火箭炮液壓系統(tǒng)故障診斷與維修保障提供參考。

關(guān)鍵詞：液壓油;機(jī)電液耦合;油溫;含氣量;堵塞

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0153-08

收稿日期：2018-04-04;收到修改稿日期：2018-05-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51575523）

作者簡介：徐桐（1994-），男，甘肅秦安縣人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)仿真與虛擬樣機(jī)技術(shù)。

通信作者：曹立軍（1979-），男，山東海陽市人，副教授，研究方向?yàn)槲淦餮b備消耗規(guī)律與可靠性。

0 引言

在火箭炮武器系統(tǒng)中，高低隨動裝置主要用于驅(qū)動定向器束進(jìn)行縱向角度調(diào)整，其動力學(xué)涉及機(jī)、電、液、控等多領(lǐng)域，傳統(tǒng)的單領(lǐng)域仿真已經(jīng)無法滿足對該類系統(tǒng)進(jìn)行完整、準(zhǔn)確的分析要求[1]，必須建立多領(lǐng)域協(xié)同的仿真方案，充分考慮系統(tǒng)間的耦合效應(yīng)，從而提高仿真分析精度。其中液壓系統(tǒng)具有故障率高、形式隱蔽、維修困難等特點(diǎn)，而液壓系統(tǒng)故障的70%。是由液壓油引起的[2]，液壓油質(zhì)異常直接影響火箭炮調(diào)炮的工作性能，同時增大了功率損失，降低了元件使用壽命。

隨著多體動力學(xué)研究的不斷深入，針對大型復(fù)雜裝備液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性研究取得了一系列進(jìn)展。李偉等[3]利用MSC.ADAMS和EASY5仿真軟件建立了供料機(jī)機(jī)電液耦合動力學(xué)模型，通過設(shè)置不同液壓油溫度明確了油溫對供料機(jī)性能的影響規(guī)律;郭勇等[4]運(yùn)用MSC.ADAMS和AMESim軟件建立了負(fù)載獨(dú)立流量分配液壓系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，分析得到適當(dāng)增加固定參數(shù)能有效提高液壓系統(tǒng)動態(tài)特性與穩(wěn)定性;印寅等[5]采用功率鍵合圖法建立了結(jié)合起落架動力學(xué)和液壓系統(tǒng)的多學(xué)科協(xié)同仿真模型，詳細(xì)介紹了混合系統(tǒng)中各關(guān)鍵參數(shù)對起落架收放性能的影響。以上研究對大型復(fù)雜裝備液壓系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)具有一定的指導(dǎo)作用，而針對液壓油質(zhì)特性對系統(tǒng)工作性能的影響考慮不夠，無法全面準(zhǔn)確分析液壓系統(tǒng)的動力學(xué)特性。

以某火箭炮高低隨動系統(tǒng)為研究對象，基于協(xié)同仿真技術(shù)建立其機(jī)電液耦合動力學(xué)模型，在驗(yàn)證模型可信性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究分析了液壓油溫、油液含氣以及油液污染導(dǎo)致過濾器堵塞等對火箭炮高低調(diào)炮性能的影響，明確了相關(guān)參數(shù)變化時的規(guī)律特征，為實(shí)際裝備的液壓油選擇與故障診斷提供了參考依據(jù)。

1 高低隨動系統(tǒng)調(diào)炮原理與液壓油質(zhì)分析

1.1 高低隨動系統(tǒng)組成及工作原理

火箭炮高低隨動系統(tǒng)由機(jī)械、液壓、控制三大系統(tǒng)組成，其中機(jī)械系統(tǒng)主要包括高平機(jī)、定向器束、起落架、夾板組等;液壓系統(tǒng)主要包括伺服泵總成、手動泵總成、控制閥組、鎖緊閥組等;控制系統(tǒng)主要包括火控計算機(jī)、隨動控制箱、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、測角裝置等。串行通信接口接收火控計算機(jī)發(fā)出的高低控制信號，并自動計算出該信號與火箭炮實(shí)際俯仰位置間的誤差及控制規(guī)律，通過功率放大器驅(qū)動電液伺服閥控制變量泵斜盤擺角和擺動方向，進(jìn)而控制高平機(jī)實(shí)現(xiàn)火箭炮高精度俯仰調(diào)炮與自動操瞄。其工作原理如圖1所示。

1.2 液壓油質(zhì)故障分析

液壓油是液壓系統(tǒng)傳遞能量的工作介質(zhì)，其性能的優(yōu)劣直接影響火箭炮高低調(diào)炮的工作性能。液壓油屬性主要包括油液溫度、粘度、含氣量及油液污染等。由文獻(xiàn)[6]可知，當(dāng)系統(tǒng)壓力不超過15MPa時，油液粘壓特性可以忽略，故本文只考慮油溫變化對油液粘性的影響。由于液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，火箭炮高低調(diào)炮的常見故障如調(diào)炮緩慢、爬行、機(jī)構(gòu)運(yùn)行不穩(wěn)或無法調(diào)到指定射角等，通常對應(yīng)一系列故障因素，故本文針對不同液壓油屬性所產(chǎn)生的實(shí)際故障，采用故障樹的形式對液壓油質(zhì)故障進(jìn)行故障分析，其故障樹分析圖如圖2所示。

其中油液溫度異常對火箭炮調(diào)炮影響較大，過高時會使油液粘度下降而增大泄流損失[7]，過低時會使油泵自吸能力下降而增大摩擦阻力，大幅降低了系統(tǒng)工作效能;油液污染會加速液壓泵及閥組等元件的磨損[8]，若雜質(zhì)堵塞過濾器則會使液壓泵吸油不足，直接導(dǎo)致調(diào)炮不平穩(wěn)甚至無法實(shí)現(xiàn)調(diào)炮;油液中混入一定空氣后，由減壓產(chǎn)生的“氣穴”現(xiàn)象會使油液呈不連續(xù)狀態(tài)，形成局部液壓沖擊[9]，導(dǎo)致調(diào)炮動作緩慢或出現(xiàn)爬行，同時伴隨強(qiáng)烈的振動與噪音。通過對液壓油質(zhì)特性故障樹分析可以看出，許多液壓系統(tǒng)故障都與液壓油息息相關(guān)，而液壓系統(tǒng)自身故障率高、可視差且不易拆卸，為明確液壓油屬性對火箭炮高低調(diào)炮的影響規(guī)律，采用建立虛擬樣機(jī)的方法，進(jìn)行不同油質(zhì)條件下的仿真分析。

2 高低隨動系統(tǒng)虛擬樣機(jī)建立與校核

2.1 高低隨動系統(tǒng)伺服控制理論

伺服系統(tǒng)采用典型的PID控制器，通過實(shí)現(xiàn)高平機(jī)的快速精準(zhǔn)定位來滿足火箭炮的戰(zhàn)斗性能。典型的PID控制器包括比例（P）、積分（1）、微分（D）3個環(huán)節(jié)[10]。傳統(tǒng)PID控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

為被控對象的傳遞函數(shù)，r（t）為系統(tǒng)輸入，e（t）為反饋偏差，u（t）為控制器輸出，d（t）為擾動，y（t）為系統(tǒng)輸出。PID控制器的輸出可列寫為：式中：K_p——比例系數(shù);

T_i——積分時間常數(shù);

T_d——微分時間常數(shù)。

在實(shí)際工程實(shí)踐中，PID 3個參數(shù)通常采用工程整定法確定，即通過不斷對建立模型的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整修改，從而滿足系統(tǒng)動態(tài)性能的要求。

2.2 高低隨動系統(tǒng)機(jī)電液耦合建模

考慮各子系統(tǒng)間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及邊界條件，采用MSC.ADAMS-EASY5聯(lián)合仿真的建模方法進(jìn)行建模。首先在三維實(shí)體建模軟件SolidWorks中根據(jù)實(shí)際裝備尺寸建立高低隨動裝置各機(jī)械零部件模型并裝配，導(dǎo)入ADAMS軟件定義模型材料與重力方向，根據(jù)零部件間的拓?fù)潢P(guān)系添加約束，完成隨動裝置機(jī)械部分建模;其次根據(jù)液壓控制回路組成與工作原理，利用EASY5軟件基礎(chǔ)庫及高級液壓庫中的標(biāo)準(zhǔn)元件，對液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)回路進(jìn)行建模[11]。高低隨動裝置系統(tǒng)間耦合關(guān)系如圖4所示。

為實(shí)現(xiàn)高低隨動裝置機(jī)電液聯(lián)合仿真，需在ADAMS軟件中創(chuàng)建設(shè)計變量（design variable），并通過ADAMS/Controls模塊將機(jī)械模型與EASY5拓展庫中的AD模塊對接，AD模塊中輸出的角位移量作為反饋信號輸入PID控制器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)火箭炮高低精準(zhǔn)調(diào)炮。根據(jù)系統(tǒng)機(jī)電液參數(shù)間的傳遞關(guān)系將各模塊進(jìn)行連接，最終建立的高低隨動系統(tǒng)機(jī)電液一體化虛擬樣機(jī)如圖5所示。

2.3 虛擬樣機(jī)可信性驗(yàn)證

針對所建立的高低隨動系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，只有滿足了可信性要求，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的液壓油特性仿真才具有應(yīng)用價值。對于復(fù)雜系統(tǒng)虛擬樣機(jī)驗(yàn)證方法的研究已較為深入，其中校核可信度的最佳途徑是將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比[12]。對于高低隨動系統(tǒng)模型的校核，根據(jù)現(xiàn)有裝備試驗(yàn)條件以及高低調(diào)炮的主要性能指標(biāo)，需測定實(shí)裝空載工況下俯仰調(diào)炮的動力學(xué)響應(yīng)，即通過高低旋變測試與系統(tǒng)壓力測試來驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性。

實(shí)裝測試方面：試驗(yàn)前對火箭炮進(jìn)行多次多角度自動調(diào)炮，在確定實(shí)際裝備性能狀態(tài)良好的同時達(dá)到熱機(jī)目的;將旋變記錄儀、壓力采集儀標(biāo)定零位后，設(shè)定采樣頻率為10000Hz，進(jìn)行600mil（360°=6000mil）自動調(diào)炮;為提高試驗(yàn)結(jié)果精度，采用觸發(fā)采集同步得到高低旋變信號與壓力信號，圖6為實(shí)際裝備試驗(yàn)裝置。

仿真實(shí)驗(yàn)方面：在EASY5軟件中設(shè)置調(diào)炮角度指令為600mil，同時在ADAMSNiew中仿真計算起落部分的高低角位移與角速度隨時間變化曲線，采用GSTIFF積分器和S12方程進(jìn)行求解，仿真時長25s，仿真步長0.001。

由于實(shí)際裝備存在個體差異與偶然誤差，一次調(diào)炮試驗(yàn)不具有普遍性和一般性，因此需對狀態(tài)良好的火箭炮進(jìn)行多次多角度調(diào)炮試驗(yàn)。旋變測試方面以完成一次調(diào)炮所需時間與調(diào)炮過程最大角速度作為誤差指標(biāo)，將不同角度調(diào)炮得到的調(diào)炮時間與最大角速度平均值與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，如表1所示;壓力測試以完成一次調(diào)炮過程時高低機(jī)升腔壓力峰值與蓄能器油腔壓力值作為誤差指標(biāo)，求取試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的平均值后進(jìn)行對比，如表2所示。

通過對比分析可知，實(shí)際裝備調(diào)炮的動態(tài)特性與仿真模型基本相同，選取的評價指標(biāo)誤差均低于5%。故可以認(rèn)為所建機(jī)電液一體化虛擬樣機(jī)模型與實(shí)際裝備具有較高的重合度與可信度，利用該仿真平臺進(jìn)行液壓油質(zhì)特性研究是可行的。

3 液壓油質(zhì)特性仿真分析

液壓油質(zhì)特性仿真是在分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，利用滿足可信性要求的虛擬樣機(jī)模型，通過改變油液屬性設(shè)置進(jìn)行仿真計算與模擬再現(xiàn)的過程，研究的難點(diǎn)在于向虛擬樣機(jī)模型注入油質(zhì)故障的方式是否準(zhǔn)確有效。根據(jù)液壓油屬性從內(nèi)部關(guān)系到外部特征的分析，本文采用參數(shù)化和等效的注入方法改變液壓油質(zhì)特性[13]：

1）參數(shù)化法：分析液壓油數(shù)學(xué)模型，確定相關(guān)參數(shù)對液壓油質(zhì)特性的影響，對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行變量化處理，實(shí)現(xiàn)液壓油屬性更改。

2）等效法：分析液壓油污染引起的堵塞故障與系統(tǒng)內(nèi)部間的等效關(guān)系，建立等效堵塞模型，實(shí)現(xiàn)對堵塞類故障的注入。

根據(jù)前文對液壓油質(zhì)的故障樹分析，基于所建立的高低隨動系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，主要針對不同油液溫度、油液含氣量以及油液污染所造成的過濾器堵塞故障進(jìn)行仿真計算，分析對比不同故障條件下的調(diào)炮角位移、角速度及高平機(jī)人口壓力，確定不同油質(zhì)條件對火箭炮高低調(diào)炮的影響規(guī)律。值得注意的是，在改變虛擬樣機(jī)模型油質(zhì)特性的過程中，必須保證模型其他結(jié)構(gòu)及參數(shù)不發(fā)生變化。

3.1 油液溫度

火箭炮液壓系統(tǒng)在工作過程中由于系統(tǒng)內(nèi)部壓力損失、克服摩擦阻力等一系列因素將產(chǎn)生能量消耗，這些損耗的能量絕大部分被轉(zhuǎn)化為熱能導(dǎo)致液壓油溫度升高，當(dāng)油溫高于40℃時油液粘度急劇下降[14]。粘度變化會使系統(tǒng)各運(yùn)動部件磨損加劇，泄流損失增大，泄流功率又使油液溫度升高，進(jìn)一步增加泄流量從而陷入惡性循環(huán)。由于火箭炮液壓系統(tǒng)管路遍及火力系統(tǒng)各個組成部分，很難構(gòu)建龐大的實(shí)裝試驗(yàn)環(huán)境來精確改變液壓油的溫度，同時為避免外界環(huán)境條件影響，采用仿真手段研究具有明顯優(yōu)勢。由于本文研究的高低隨動液壓系統(tǒng)在工作時壓力小于15MPa，因此只考慮粘度隨溫度的變化，公式可表示為：

η=η₀e^{λ（T-T₀）}（2）式中：η₀——油液初始粘度，Pa·s;

T₀——油液初始溫度，K;

λ——粘溫系數(shù)。

針對油溫特性采用參數(shù)化的方式改變液壓油屬性：在所建液壓系統(tǒng)模型中，通過修改油液屬性模塊FP中的溫度參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。設(shè)定參數(shù)為30℃、50℃（正常）、70℃，模型中其他參數(shù)不變，分別進(jìn)行600密位高低調(diào)炮仿真計算，得到調(diào)炮角位移、角速度及高平機(jī)人口壓力隨時間的變化曲線如圖7～圖9所示，將圖9局部放大如圖10所示。由圖可知，油液溫度為30℃時，由于粘度增大使得管流阻力增大，調(diào)炮速度稍有下降，人口壓力增大了0.7MPa，增加了功率損失;油液溫度為70℃時，由于粘度降低內(nèi)泄量增大，導(dǎo)致調(diào)炮動作緩慢，調(diào)炮到位時間延長，仿真計算結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

3.2 油液含氣

液壓油不可避免的會含有一定量的空氣，其中少部分可以溶解在液壓油中，部分以氣泡形式混合在液壓油中。當(dāng)某處壓力低于空氣分離壓力時，溶解于液壓油中的空氣就會以氣泡的形式分離出來，直接導(dǎo)致調(diào)炮動作不穩(wěn);當(dāng)壓力降至油液飽和蒸汽壓力以下時，油液中的空氣就會以極快的速度釋放出來[15]，同時伴隨強(qiáng)烈的振動與噪聲。油液中存在“氣穴”將會腐蝕金屬表面，降低元件使用壽命，“氣穴”中的氣泡流動到高壓區(qū)將會迅速破裂凝結(jié)成液體形成真空，周圍高壓油迅速補(bǔ)充造成局部液壓沖擊，從而導(dǎo)致高低調(diào)炮出現(xiàn)爬行、無法調(diào)到指定射角等故障。由于油液含氣對裝備的損傷較大，故在實(shí)際裝備的日常維護(hù)中通常采用控制預(yù)防與定期檢測相結(jié)合的方法，同時針對服役條件設(shè)置有相應(yīng)的換油期限。

相比于使用實(shí)際裝備進(jìn)行油液含氣量試驗(yàn)，基于虛擬樣機(jī)的仿真技術(shù)可有效控制含氣量參數(shù)，同時避免含氣量注入對裝備造成的破壞損傷。仿真軟件中油液含氣比與油液有效密度的關(guān)系可表示為：式中：ρE——油液有效密度，kg·m^-3;

e——油液含氣比;

P₀——1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;

T₀——283K溫度;

T——實(shí)際溫度，K;

P——實(shí)際壓強(qiáng)，Pa;

ρ_a——實(shí)際空氣密度，kg·m^-3;

ρ_f——理想油液密度，kg·m^-3。

針對油液含氣量特性采用參數(shù)化的方式改變液壓油屬性：在所建液壓系統(tǒng)模型中，通過修改油液屬性模塊FP中的含氣比這一參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。設(shè)定參數(shù)為0.5%、2%、10%，模型中其他參數(shù)不變，分別進(jìn)行600密位高低調(diào)炮仿真計算，得到調(diào)炮角位移、角速度、高平機(jī)人口壓力及流量隨時間的變化曲線如圖11～圖14所示。由仿真曲線可知，含氣量在0.5%和2%時，系統(tǒng)動力學(xué)特性均滿足裝備性能設(shè)計指標(biāo)，說明油液正常含氣雖不可避免但對系統(tǒng)影響也十分有限;隨著油液含氣比增大，“氣穴”現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，當(dāng)含氣量為10%時，調(diào)炮角速度出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，調(diào)炮到位時間明顯延長，同時在系統(tǒng)壓力起始階段出現(xiàn)長時間大幅度的振蕩，極大降低了系統(tǒng)性能，使之無法滿足要求的性能指標(biāo)，仿真結(jié)果與理論分析十分相符。

3.3 油液污染

液壓油質(zhì)量是保障液壓系統(tǒng)工作可靠性、經(jīng)濟(jì)性最重要的因素。油液中顆粒污染主要來自空氣中的塵土及沙粒，同時包括加工殘留的金屬屑等，雜質(zhì)在液壓油工作過程中會引起摩擦副的磨損，進(jìn)而導(dǎo)致液壓油氧化污染整個系統(tǒng)，因污染積累造成的油路堵塞還會引起部分零部件嚴(yán)重變形，甚至出現(xiàn)卡死停機(jī)現(xiàn)象。液壓油污染具有隱蔽性強(qiáng)與隨機(jī)性等特點(diǎn)，利用實(shí)體元件進(jìn)行仿真試驗(yàn)很容易造成油液污染且消耗大量時間，故利用仿真手段模擬過濾器堵塞故障更為高效。模型中油液流經(jīng)過濾器時產(chǎn)生的壓力降可表示為：式中：η——油液動力粘度，Pa·s;

Q——過濾器額定流量（通流能力），L·min^-1;

α——過濾器單位面積通流能力，L·min^-1;

A——有效過濾面積，m²。

針對油液污染造成的過濾器堵塞故障，采用等效化的方式實(shí)現(xiàn)：在過濾器出口串聯(lián)限流器元件，通過更改限流器流通孔徑模擬堵塞故障。設(shè)定限流器孔徑參數(shù)為10mm（正常）、6mm、4mm，過濾器額定初始壓降為0.06MPa，模型中其他參數(shù)不變，分別進(jìn)行600密位高低調(diào)炮仿真計算，得到過濾器人口及出口壓力隨時間的變化曲線如圖15、16所示，人口壓力局部放大如圖17所示。由壓力曲線圖可以看出，隨著過濾器通流能力的降低，過濾器人口壓力不斷增大，而出口壓力未發(fā)生變化，這是由于過濾器為阻性元件而非容性元件，出口壓力只取決于系統(tǒng)負(fù)載且不受流通狀況的影響;當(dāng)流通孔徑為6mm時，最大人口壓力約為10MPa，壓降約為。一14MPa，是額定初始壓降的2.3倍;當(dāng)流通孔徑為4mm時，最大人口壓力為10.9MPa，壓降約為1.04MPa，是額定初始壓降的17.3倍，屬于嚴(yán)重堵塞故障。一般情況下，過濾器合理降壓區(qū)間為0.06～0.35MPa，故可以判定堵塞程度40%的過濾器仍可繼續(xù)使用，而堵塞程度達(dá)60%的過濾器已經(jīng)超出了其額定使用壽命，需要及時更換，仿真結(jié)果與理論分析比較吻合。

4 結(jié)束語

1）以某火箭炮高低隨動系統(tǒng)為研究對象，運(yùn)用仿真分析軟件ADAMS-EASY5建立了機(jī)電液耦合動力學(xué)模型，并通過實(shí)裝試驗(yàn)對模型進(jìn)行了可信性驗(yàn)證。

2）針對液壓油質(zhì)特性進(jìn)行了故障樹分析，并通過參數(shù)化法與等效法對油液溫度、油液含氣及油液污染造成的過濾器堵塞故障進(jìn)行了仿真分析，明確了不同油質(zhì)條件下火箭炮高低調(diào)炮的動態(tài)特性及運(yùn)動規(guī)律，為液壓系統(tǒng)故障研究與維修保障工作提供了一定指導(dǎo)。

3）在實(shí)際工程中，高低隨動系統(tǒng)通常由電液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其位置及速度控制，在下一步工作中需針對控制系統(tǒng)進(jìn)行建模優(yōu)化研究，為實(shí)現(xiàn)火箭炮高低精準(zhǔn)調(diào)炮奠定理論基礎(chǔ)。

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（編輯：商丹丹）