某火炮彈協(xié)調(diào)器液壓系統(tǒng)的故障仿真

張學飛,徐亞棟,羊 柳

(南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094)

裝填系統(tǒng)是一個機械、電氣和液壓一體的復雜系統(tǒng),作為火炮的一個重要子系統(tǒng),其性能直接影響了火炮工作的可靠性和工作效率[1]。傳統(tǒng)的復雜系統(tǒng)設計研究主要是分別以不同的平臺對機械和液壓系統(tǒng)進行單獨研究,但是,在火炮裝填系統(tǒng)中,機械和液壓控制系統(tǒng)是強耦合的閉環(huán)系統(tǒng),單獨進行各子系統(tǒng)的研究很難準確地描述實際工作狀態(tài)[2]。

為更好地反映裝填系統(tǒng)的主要性能指標和運行特性,本文采用ADAMS和AMESim聯(lián)合仿真的方式,并以ADAMS為主控制軟件,建立了某火炮彈協(xié)調(diào)器的聯(lián)合仿真模型,并對其進行了動態(tài)分析。選取了幾種典型的故障形式(液壓泵內(nèi)泄漏、減壓閥堵塞、液壓缸內(nèi)泄漏),在修改仿真模型中相應故障參數(shù)的基礎上,分析了不同參數(shù)對協(xié)調(diào)過程的影響程度。

1 火炮彈協(xié)調(diào)器的工作原理

彈協(xié)調(diào)器的結構主要包括:協(xié)調(diào)油缸、協(xié)調(diào)臂、角度編碼器、擺動油缸、擺動連桿、行程開關等,裝填系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 彈協(xié)調(diào)器系統(tǒng)結構

彈協(xié)調(diào)器的工作原理:裝填系統(tǒng)工作的初始位置為協(xié)調(diào)臂與水平方向成40°的位置,當協(xié)調(diào)回路伺服閥接收到信號后,伺服閥開啟,閥芯正向移動,協(xié)調(diào)臂在協(xié)調(diào)油缸的驅(qū)動下繞耳軸旋轉,同時,位于耳軸處的角度編碼器將協(xié)調(diào)臂轉角實時反饋到控制回路中,經(jīng)過PID控制器的作用,最終將協(xié)調(diào)臂控制在預定角度。當協(xié)調(diào)動作完成后,擺動回路伺服閥接收到信號,在擺動油缸的驅(qū)動下,輸彈機通過擺動連桿擺動至與炮膛軸線對齊的位置,動作到位后,觸發(fā)行程開關,擺動回路伺服閥關閉。

2 聯(lián)合仿真模型的建立

2.1 動力學模型的建立

在三維建模平臺下建立裝填系統(tǒng)的三維模型并根據(jù)其相對位置和裝配關系進行裝配,然后將模型轉化為標準圖形模式(x_t格式),將模型導入到ADAMS中,以保證模型的準確性[3-4]。

本文主要研究裝填系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和擺動動作,將沒有相對運動的部件視為一個部件考慮,根據(jù)各相對運動部件間的運動關系,建立相應的約束副。為保證仿真模型的精確度,本文在三維建模平臺中對各部件進行質(zhì)量屬性的分析,將其質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉動慣量輸入至動力學分析平臺中。

為保證模型的正確性,在協(xié)調(diào)油缸和擺動油缸上添加作用力,定義協(xié)調(diào)油缸驅(qū)動力函數(shù)為step(time,0.1,4 000,0.2,5 000),對模型進行仿真,觀察協(xié)調(diào)臂和擺動機構的轉角。協(xié)調(diào)臂的轉角θ隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 在驅(qū)動力函數(shù)下協(xié)調(diào)臂轉角θ隨時間變化曲線

由圖2可以看出,建立的動力學模型滿足系統(tǒng)工作要求,可進行進一步的仿真。

1—油箱;2—泵;3—電機;4—單向閥;5—油濾;6—減壓閥;7—電磁換向閥;8—比例環(huán)節(jié);9—PID控制器;10—減法器;11—信號發(fā)生器;12—協(xié)調(diào)平衡閥;13—協(xié)調(diào)油缸;14—傳感器;15—軟件接口模塊;16—擺動油缸;17—擺動雙向平衡閥;18—電磁換向閥;19—溢流閥。

2.2 液壓系統(tǒng)模型的建立

裝填系統(tǒng)的液壓分系統(tǒng)主要由油箱、液壓泵、驅(qū)動電機、單向閥、溢流閥、伺服閥、液壓鎖、油缸等組成,控制分系統(tǒng)主要由PID控制器及上位機等組成[5]。在AMESim系統(tǒng)建模和仿真平臺下,運用液壓庫、信號庫等模塊建立仿真模型,如圖3所示。

在子模型模式下,合理選擇元件類型,然后在參數(shù)模式下,對相關參數(shù)進行設置,主要參數(shù)如表1所示。

表1 液壓元件參數(shù)值定義

2.3 聯(lián)合仿真模型的建立

通過軟件接口技術將ADAMS模型和AMESim模型進行聯(lián)合,實現(xiàn)機械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和同步交流,聯(lián)合仿真過程如圖4所示。

圖4 聯(lián)合仿真流程圖

在AMESim中創(chuàng)建接口模塊,將協(xié)調(diào)油缸和擺動油缸的力(xt_force,bd_force)作為輸出,傳遞至ADAMS中,同時將協(xié)調(diào)油缸桿的伸出位移、協(xié)調(diào)臂的轉角和擺動臂的轉角作為輸入,由ADMAS傳入至AMESim中。在ADMAS中建立3個狀態(tài)變量,即協(xié)調(diào)油缸桿的伸出位移xt_gan_s,協(xié)調(diào)臂的轉角xt_angle和擺動臂的轉角bd_angle,然后利用ARYVAL函數(shù)將AMESim中傳遞的力的信號賦予油缸。通過在ADAMS中定義輸出數(shù)組、輸入數(shù)組、狀態(tài)數(shù)組和創(chuàng)建GSE狀態(tài)方程,完成聯(lián)合仿真模型的建立。

3 聯(lián)合仿真與結果分析

將ADAMS動力學模型和AMESim模型文件放在相同的工作路徑下,使用AMESim生成的dll文件作為ADAMS中求解器的外部執(zhí)行文件,并使用C++作為求解器來創(chuàng)建聯(lián)合仿真腳本。設置仿真時間為4 s,仿真步長為1 ms。

3.1 協(xié)調(diào)過程仿真分析

根據(jù)裝填系統(tǒng)的總體設計要求,彈協(xié)調(diào)器的接彈位置為協(xié)調(diào)臂與水平方向成40°的位置。為使協(xié)調(diào)臂能夠穩(wěn)定地停留在目標射角,該彈協(xié)調(diào)器采用PID控制,輸入信號為階躍信號。分別取身管不同射角進行仿真,輸入信號為20°時,協(xié)調(diào)臂的轉角θ隨時間變化曲線如圖5所示,協(xié)調(diào)油缸A腔、B腔的壓力變化如圖6所示。

圖5 輸入信號20°時協(xié)調(diào)臂轉角θ隨時間變化曲線

圖6 協(xié)調(diào)油缸A腔、B腔壓力隨時間變化曲線

從圖5中可以看出,在PID控制下,協(xié)調(diào)臂的轉角在0.9 s左右到達目標角度值20°,并保持穩(wěn)定,未出現(xiàn)超調(diào),滿足了協(xié)調(diào)精度的要求。從圖6壓力曲線可以看出,在伺服閥開啟瞬間,A腔壓力迅速增大,A腔壓力大于B腔壓力,然后A腔壓力逐漸下降,在活塞桿的推動下,協(xié)調(diào)臂運動到預定角度。

圖7 擺入過程擺動臂角位移θ變化曲線

3.2 擺入過程仿真分析

擺入時擺動臂的角位移θ如圖7所示,擺動油缸A腔、B腔壓力如圖8所示。

從圖7中可以看到,由于伺服閥輸入信號為梯形信號,約2.3 s開始,擺動臂加速擺動,在接近擺動油缸終點時,在輸入信號的作用下,電磁閥開口減小,擺動臂做減速運動,最終在3.0 s左右時,到達油缸行程終點并保持其位置狀態(tài)。對應的擺動油缸各腔壓力如圖8所示。

圖8 擺入過程擺動油缸A腔、B腔壓力隨時間變化曲線

4 協(xié)調(diào)過程典型故障仿真分析

裝填系統(tǒng)是一個復雜的機電液集成系統(tǒng),隱藏有多種故障類型,而且多種因素的耦合還會形成很多故障現(xiàn)象[6-8]。根據(jù)常見故障統(tǒng)計和故障機理分析,本文選取液壓泵內(nèi)泄漏、減壓閥堵塞、液壓缸內(nèi)泄漏3種典型故障,對協(xié)調(diào)過程進行故障分析。

4.1 液壓泵內(nèi)泄漏

當液壓泵工作狀態(tài)穩(wěn)定后,泵的實際流量為

(1)

由式(1)可知,液壓泵的主要故障包括由磨損引起的內(nèi)泄漏增加、出口流量減少以及泵容積效率降低等,本文選擇內(nèi)泄漏故障進行研究。通過在仿真模型中的液壓泵旁并聯(lián)一個節(jié)流孔模塊來實現(xiàn)液壓泵內(nèi)泄漏故障的模擬,如圖9所示。通過改變節(jié)流孔的孔徑大小來仿真模擬液壓泵不同程度的泄漏。

在AMESim系統(tǒng)建模和仿真平臺下改變節(jié)流孔的孔徑參數(shù)來模擬液壓泵的泄漏程度,選取不同節(jié)流孔孔徑d0,系統(tǒng)響應曲線與正常曲線對比如圖10所示,圖中,ω為協(xié)調(diào)角速度。

圖9 液壓泵故障模型

圖10 液壓泵不同泄漏程度下協(xié)調(diào)角速度ω隨時間變化曲線

從圖10中可以看出,液壓泵內(nèi)泄漏程度增大,導致系統(tǒng)流量減小,油缸的峰值速度降低,系統(tǒng)響應時間變慢。反映在協(xié)調(diào)角速度ω變化曲線上,角速度峰值明顯降低且存在一定的波動。

4.2 減壓閥堵塞

減壓閥的主要故障是由油液中混入雜質(zhì)等引起閥堵塞,運動不到位或彈簧故障引起的閥芯不能正常移動等現(xiàn)象。本文選擇減壓閥堵塞故障進行研究。通過在仿真模型中的減壓閥出口與換向閥之間串接一個節(jié)流孔模塊來實現(xiàn),如圖11所示。通過改變節(jié)流孔的孔徑大小來仿真模擬減壓閥不同程度的堵塞。節(jié)流孔的孔徑越小就意味著減壓閥的堵塞程度越大。

圖11 減壓閥堵塞故障模型

在AMESim系統(tǒng)建模和仿真平臺下改變節(jié)流孔的孔徑參數(shù)d0來模擬減壓閥的堵塞程度。不同節(jié)流孔孔徑時系統(tǒng)響應曲線與正常曲線對比如圖12所示。

圖12 減壓閥不同堵塞程度下協(xié)調(diào)角速度ω隨時間變化曲線

從圖12中可以看出,在不同的堵塞程度下,協(xié)調(diào)角速度隨時間變化的趨勢大致相同,但隨著減壓閥堵塞程度的增大,協(xié)調(diào)角速度的峰值減小,導致協(xié)調(diào)臂到位時間變慢。當堵塞超過一定程度時,協(xié)調(diào)臂將無法到達指定角度,導致協(xié)調(diào)失敗。

4.3 液壓缸內(nèi)泄漏

在對火炮液壓系統(tǒng)進行泄漏檢測時,大面積的外泄漏通過常規(guī)方式一般很容易檢測,而內(nèi)泄漏不易發(fā)現(xiàn)且難以檢測[9]。液壓缸內(nèi)泄漏主要發(fā)生在活塞與活塞桿之間的靜密封部分以及活塞與缸壁之間的動密封部分中。由于活塞與活塞桿之間的密封是固定密封,因此,只要設計合理并經(jīng)過適當處理,就完全可以防止泄漏;而活塞與缸壁在使用中會因為磨損而內(nèi)泄漏嚴重[10]。因此,可以忽略液壓缸的活塞與活塞桿之間靜密封部分的內(nèi)泄漏,而主要考慮活塞與缸壁間隙處的內(nèi)泄漏。

由于液壓缸與活塞之間的間隙為環(huán)狀間隙,根據(jù)同心環(huán)狀間隙的流量公式,可計算液壓缸的內(nèi)泄漏量,即

(2)

式中:q為液壓缸的泄漏量,單位為m3/min;d為液壓缸的直徑,單位為mm;h為間隙高度,單位為mm;μ為油液的動力黏度,單位為Ν·s/m2;l為間隙長度,單位為mm;Δp為A腔與B腔之間的壓力差,單位為MPa。

調(diào)用AMESim中液壓元件設計庫(HCD)中相應模塊構建液壓缸,通過Bap2模塊建立液壓缸的2個容積腔,在2個腔體之間添加Baf1模塊,通過改變Baf1中的環(huán)形間隙參數(shù),可模擬液壓缸的內(nèi)泄漏故障,Bhc1模塊用來實現(xiàn)對容積變化的模擬仿真,MAS010RT表示活塞和活塞桿的總質(zhì)量。設置泄漏模塊模擬液壓缸的內(nèi)泄漏,故障模型如圖13所示。

圖13 液壓缸故障模型

設置液壓缸活塞與缸壁間正常間隙為0.04 mm,通過改變間隙高度h來模擬不同程度的內(nèi)泄漏,間隙高度越大,內(nèi)泄漏程度越大。不同泄漏程度的系統(tǒng)響應曲線與正常曲線的對比如圖14、圖15所示。

圖14 液壓缸不同泄漏程度時協(xié)調(diào)角速度ω隨時間變化曲線

圖15 液壓缸不同泄漏程度時A腔壓力隨時間變化曲線

從圖14中可以看出,在一定的內(nèi)泄漏程度下,協(xié)調(diào)角速度與正常曲線相比只有輕微減小。但圖15中,在大流量下,A腔壓力pA隨時間的變化大致相同;但在小流量時,即協(xié)調(diào)到位前的減速段時,油缸的內(nèi)泄漏導致A腔油液向B腔泄漏,B腔壓力升高,同時在反饋調(diào)節(jié)的作用下,A腔的壓力也有所增大。當繼續(xù)增大內(nèi)泄漏程度時,系統(tǒng)將無法正常工作,無法滿足協(xié)調(diào)指標要求。

5 結論

本文建立了火炮彈協(xié)調(diào)器機械系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型,得出以下結論:

①對協(xié)調(diào)和擺動動作進行仿真分析,仿真結果表明,相關指標滿足設計要求;

②對液壓泵內(nèi)泄漏、減壓閥堵塞、液壓缸內(nèi)泄漏3類故障進行了仿真研究,研究結果表明,各種故障對系統(tǒng)產(chǎn)生不同形式的影響,為后續(xù)故障診斷提供了理論基礎,有利于進一步提高火炮彈協(xié)調(diào)器液壓系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。