基于Simcenter 3D & 1D對某車載雷達翻倒機構(gòu)進行設(shè)計

周晨龍 李奔亮 劉 軒

(中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

車載雷達因其機動性靈活性好、戰(zhàn)場生存率比高等優(yōu)點，已越來越多地應(yīng)用于我國的作戰(zhàn)裝備中。但多數(shù)車載雷達為了滿足工作時的作戰(zhàn)高度要求和運輸狀態(tài)的限高要求，往往都會采用一套升降或翻倒機構(gòu)，使雷達在運輸狀態(tài)降下或翻倒，而工作狀態(tài)時升起或豎起[5]。

某車載雷達翻倒機構(gòu)(以下簡稱翻倒機構(gòu))是雷達天線座運輸/工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的執(zhí)行機構(gòu)，通過翻倒機構(gòu)動作，實現(xiàn)天線座的翻倒/豎起，以滿足火炮車的工作和運輸要求。本文著重從滿足功能要求、技術(shù)指標(biāo)及可行性等方面進行設(shè)計，并基于Simcenter 3D & 1D多學(xué)科聯(lián)合仿真軟件對相關(guān)參數(shù)及指標(biāo)進行驗證。

1 主要功能及技術(shù)指標(biāo)

通過翻倒機構(gòu)的翻倒/豎起動作，實現(xiàn)雷達天線座在3 min內(nèi)的0～110°工作狀態(tài)和運輸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

2 翻倒機構(gòu)的總體設(shè)計

翻倒機構(gòu)整體安裝于火炮托架上，受火炮托架尺寸限制，翻倒機構(gòu)內(nèi)部可用于安裝驅(qū)動機構(gòu)的空間有限，同時，為了滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求，本文采用雙液壓缸驅(qū)動的傳動形式，實現(xiàn)雷達天線的翻轉(zhuǎn)。

該翻倒機構(gòu)主要由托架、翻轉(zhuǎn)板、液壓傳動系統(tǒng)、速度傳感器及液壓控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中液壓傳動系統(tǒng)為翻倒機構(gòu)的動力系統(tǒng)，為翻倒機構(gòu)在翻到或豎起過程中提供動力；液壓控制系統(tǒng)通過速度閉環(huán)控制實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)或豎起過程中速度穩(wěn)定[4]。

圖1 翻倒機構(gòu)組成示意圖

翻倒機構(gòu)工作時，通過操作控制箱控制面板上的控制按鈕，控制系統(tǒng)通過運算，對液壓傳動系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)控制指令，液壓傳動系統(tǒng)根據(jù)指令輸出動力推動翻轉(zhuǎn)板進行0°～110°翻轉(zhuǎn)或110°～0°的豎起動作；速度傳感器實時反饋速度信號，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)板的速度控制。

同時，翻倒機構(gòu)也可以通過控制箱面板上的控制按鈕實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)板在任意角度翻轉(zhuǎn)、任意位置停止及到位自動停止等動作。翻轉(zhuǎn)板處于0°和110°狀態(tài)示意圖如圖2所示。

圖2 翻轉(zhuǎn)板處于110°和0°狀態(tài)示意圖

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計[1] [3]

液壓傳動系統(tǒng)為翻倒機構(gòu)的動力系統(tǒng)，工作時推動翻轉(zhuǎn)板進行翻倒/豎起，主要由集成型電動泵站、比例多路閥、手動泵、平衡閥、液壓缸、搖桿、單向、濾油器及管路等組成，原理圖如圖3所示，其中集成型電動泵站包括油箱和電動泵；比例多路閥具有電動和手動功能，用于控制系統(tǒng)中液壓缸的伸縮動作；手動泵主要用于手動狀態(tài)時給液壓系統(tǒng)提供液壓油。

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖

工作時，通過控制系統(tǒng)給液壓系統(tǒng)提供動力油，液壓油通過濾油器和單向閥組進入比例多路閥，比例多路閥在控制系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)動力油流速及方向的控制，液壓油通過比例多路閥及平衡閥后推動液壓缸1和液壓缸2的推桿伸出或收縮，從而推動天線座實現(xiàn)翻倒或豎起；當(dāng)翻倒機構(gòu)需要手動操作時，通過搖動手動泵給液壓系統(tǒng)提供動力油，然后操作比例多路閥上的手柄可實現(xiàn)液壓缸1和液壓缸2的伸縮運動，從而可實現(xiàn)天線座的翻倒或豎起。

本系統(tǒng)設(shè)計時采用兩個一級伸縮液壓缸并聯(lián)的連接形式，該形式一方面可使液壓缸實現(xiàn)其自適應(yīng)受力大小而交替工作，減小液壓缸的受力，降低系統(tǒng)的工作油壓，提高可靠性；另一方面，兩個液壓缸均安裝有平衡閥，降低了因液壓缸失效造成天線座的下墜的風(fēng)險，提高了系統(tǒng)的安全性。

2.2 設(shè)計計算

2.2.1 翻倒機構(gòu)負載重力矩的計算

翻倒機構(gòu)的負載為翻轉(zhuǎn)板和天線座，在工作過程中需要克服二者產(chǎn)生的重力矩，實現(xiàn)翻倒/豎起。翻倒機構(gòu)的受力簡圖如圖4所示。

圖4 天線座在翻轉(zhuǎn)過程中的受力簡圖

由圖4可推出，翻轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的重力矩為

T0=-M·L·g·cos(θ+63°)

(1)

式(1)中：T0——重力矩，單位N·m；M——天線座及翻轉(zhuǎn)板總重量；g——重力加速度；L——天線座重心距翻轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)軸距離；θ——翻轉(zhuǎn)角度。

計算出負載的重力矩為

T0=-4790×cos(θ+63°)

(2)

其中負號代表為逆時針方向，正號為順時針方向。

2.2.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)計算

液壓系統(tǒng)設(shè)計時，主要考慮系統(tǒng)油壓和系統(tǒng)流量兩個參數(shù)，在本方案中油壓決定著液壓缸1和液壓缸2的推力，液壓油的流量決定著液壓缸1和液壓缸2伸縮桿的伸縮速度，從而決定了負載的重量及翻轉(zhuǎn)時間。

根據(jù)托架內(nèi)腔空間的尺寸，確定出液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸

經(jīng)理論計算，系統(tǒng)的最高工作壓力為12.49 MPa，翻轉(zhuǎn)時間為1.5 min時系統(tǒng)的工作流量為Q=0.852 L/min。

3 液壓系統(tǒng)的仿真與分析

隨著近年來工業(yè)仿真軟件的不斷發(fā)展，多學(xué)科聯(lián)合仿真越來越多地應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計中，將1D系統(tǒng)仿真與3D虛擬樣機建模結(jié)合起來進行機電液一起化是當(dāng)前航空產(chǎn)品開發(fā)的趨勢和迫切需求，其發(fā)展和應(yīng)用方興未艾[6]。本文基于西門子公司的Simcenter 3D和AMESim多學(xué)科聯(lián)合仿真軟件進行聯(lián)合仿真，該軟件可以實現(xiàn)仿真過程中數(shù)據(jù)的實時交互，即將液壓系統(tǒng)的1D模型與翻倒機構(gòu)的3D模型的仿真數(shù)據(jù)進行實時交換，使仿真數(shù)據(jù)的可信度提高。

3.1 模型的搭建

本文的模型主要包括液壓系統(tǒng)1D模型的搭建和翻倒機構(gòu)3D模型的搭建，根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，基于AMESim軟件對液壓系統(tǒng)進行1D建模[2]，如圖5所示，對模型中的相關(guān)參數(shù)按照實際理論設(shè)計的數(shù)值進行設(shè)定，其中，翻轉(zhuǎn)板的翻轉(zhuǎn)角速度設(shè)定為翻轉(zhuǎn)板翻轉(zhuǎn)全行程(0°～110°)用時1.5min時的平均速度。

圖5 液壓傳動系統(tǒng)1D仿真模型

基于Simcenter 3D軟件仿真建模如圖6所示，其中，模型中天線的重量及重心位置與實際天線的保持一致，翻倒機構(gòu)的相關(guān)尺寸及參數(shù)與理論設(shè)計值保持一致。

圖6 翻倒機構(gòu)3D仿真模型

3.2 仿真分析

經(jīng)過仿真分析，得到翻轉(zhuǎn)和豎起過程中的仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8可以看出翻轉(zhuǎn)過程中系統(tǒng)壓力小于豎起過程中的系統(tǒng)壓力，而翻轉(zhuǎn)過程中的系統(tǒng)流量大于豎起過程中的系統(tǒng)流量，翻轉(zhuǎn)和豎起過程中系統(tǒng)的最大工作壓力約為12 MPa，最大工作流量約為0.8 L/min；兩個液壓缸為交替工作，即液壓缸1工作結(jié)束后液壓缸2開始工作；同時，可以看出為滿足翻轉(zhuǎn)板翻倒或豎起過程中角速度的恒定，控制系統(tǒng)根據(jù)角度傳感器數(shù)據(jù)反饋，控制比例閥的開度大小[4]，使兩個液壓缸在伸縮過程中系統(tǒng)壓力和流量均隨著翻轉(zhuǎn)角度的變化而變化。

圖7 翻轉(zhuǎn)過程中的仿真結(jié)果

圖8 豎起過程中的仿真結(jié)果

結(jié)合上文對液壓系統(tǒng)、液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸及翻倒機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)相關(guān)計算，仿真分析的數(shù)據(jù)與理論設(shè)計基本吻合，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

本文對某車載雷達翻倒機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及液壓傳動系統(tǒng)進行了設(shè)計計算，同時應(yīng)用仿真軟件Simcenter3D和AMESim軟件對液壓傳動系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性進行了仿真驗證，滿足設(shè)計要求；同時，該翻倒機構(gòu)已經(jīng)過實際樣機驗證，相關(guān)參數(shù)均與理論設(shè)計及仿真分析吻合，取得了預(yù)期的設(shè)計效果。