仿真技術(shù)在發(fā)射裝置氣壓作動筒故障分析中的應(yīng)用

李娟

（航空工業(yè)鄭州飛機裝備有限責(zé)任公司，河南 鄭州450005）

1 概述

發(fā)射裝置是軍用戰(zhàn)機的重要組成部分。執(zhí)行任務(wù)時，發(fā)射裝置必須保證安全懸掛，并且按飛機指令可靠投放，一旦發(fā)生故障將直接影響載機的安全和作戰(zhàn)任務(wù)的完成。它主要由氣壓作動筒、連桿機構(gòu)等組成。氣壓作動筒是導(dǎo)彈發(fā)射裝置機械部分的動力源,氣體通過作動筒使連桿機構(gòu)動作,將導(dǎo)彈推離發(fā)射裝置,并在彈離結(jié)束后收回彈射機構(gòu)。作動筒的動特性影響導(dǎo)彈離機的最佳參數(shù),即導(dǎo)彈的離機時間、速度、角速度及最大加速度等。由于發(fā)射裝置氣壓作動筒故障存在耦合性、隱蔽性、隨機性等特點，因此,對作動筒進行深入分析和研究具有重大實用價值。

目前，國內(nèi)外對發(fā)射裝置氣壓作動筒故障分析的理論研究還較少，常用的方法是根據(jù)經(jīng)驗進行故障定性判定，然后通過試驗進行特性分析[1]。根據(jù)對作動筒的結(jié)構(gòu)和工作原理分析，作動筒實現(xiàn)功能主要靠氣體流動和機械作動。其中保證氣體流動的主要因素為通流截面，包括節(jié)流孔和密封面；其中保證機械作動的主要因素為：銜鐵、閥芯和內(nèi)筒。如果氣體流動或者機械作動受到影響，則可能導(dǎo)致作動筒無法正常運動，從而影響發(fā)射裝置開鉤。本文以發(fā)射裝置氣壓作動筒為研究對象，運用AMESim 中的PCD 庫進行建模仿真，考慮作動筒氣體流動和機械作動受到影響的因素，分析在先導(dǎo)閥閥芯、主閥閥芯、節(jié)流孔在不同故障參數(shù)輸入情況下，作動筒的動態(tài)響應(yīng)特性。

2 作動筒數(shù)學(xué)原理[2-3]

作動筒活塞腔內(nèi)氣體狀態(tài)方程：

其中Ge、Πe是流入活塞腔的氣體質(zhì)量及單位質(zhì)量氣體能量，Gl、Πl(fā)是流出活塞腔的氣體質(zhì)量。在排氣桿運動到位之前，活塞腔內(nèi)不流出氣體。

懸掛物運動方程：

vb是懸掛物和活塞運動線速度，SQ是活塞截面積，WQ0是活塞腔初始容積，Sc是散熱面積，PQ是活塞腔內(nèi)壓力，Pa為大氣壓，g 是重力加速度，ωb是懸掛物轉(zhuǎn)動角速度，φb是懸掛物轉(zhuǎn)動角度，Mb是懸掛物質(zhì)量，MP是活塞質(zhì)量，Jb是懸掛物轉(zhuǎn)動慣量。

3 作動筒AMESim 模型

運用CAE 仿真軟件對產(chǎn)品在非正常工作條件下的性能做出預(yù)估，或?qū)收线M行仿真研究。首先建立初步的部件產(chǎn)品和系統(tǒng)模型，利用正常工作條件下的試驗結(jié)果修正模型參數(shù)，在修正后的模型上加上“異?！惫ぷ鳁l件，得到仿真結(jié)果即是出現(xiàn)的故障現(xiàn)象[4]。AMESim 提供了一個系統(tǒng)及工程的完整平臺，從其豐富的氣動庫和氣動元件設(shè)計庫可以搭建氣路系統(tǒng)[5]。但是，其中的氣路控制閥門種類較為單一，不能滿足氣動系統(tǒng)設(shè)計要求，需要根據(jù)氣路控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，利用PCD 庫（氣動元件庫）的子模型組合建立控制閥的模型。通過PCD 庫建立的發(fā)射裝置氣壓作動筒仿真模型，如圖1 所示。

圖1 作動筒系統(tǒng)仿真模型

4 仿真分析

設(shè)定圖1 氣壓作動筒的參數(shù)，其中作為輸入信號的環(huán)境參數(shù)氣瓶壓力分別為7MPa，容積2L，開鉤力2000N，開鉤行程20mm。分別假設(shè)先導(dǎo)閥閥芯卡滯總行程的20%、50%、80%；通往主閥芯腔的先導(dǎo)閥節(jié)流孔堵塞通流截面積的20%、50%、80%；主閥閥芯卡滯總行程的20%、50%、80%；作動筒導(dǎo)向錐處的節(jié)流孔堵塞通流截面積的20%、50%、80%時，分析作動筒的動態(tài)響應(yīng)特性。

從圖2 可以看出：先導(dǎo)閥閥芯運動總行程的20%，作動筒150ms 解鎖掛鉤；先導(dǎo)閥閥芯運動總行程的50%，作動筒91ms解鎖掛鉤；先導(dǎo)閥閥芯運動總行程的80%，作動筒78ms 解鎖掛鉤。

圖2 先導(dǎo)閥卡滯故障模式仿真分析

從圖3 可以看出：通往主閥芯腔的先導(dǎo)閥節(jié)流孔變?yōu)樵娣e的20%，作動筒保持不動作；通往主閥芯腔的節(jié)流孔變?yōu)樵娣e的50%，作動筒89ms 解鎖掛鉤；通往主閥芯腔的節(jié)流孔變?yōu)樵娣e的80%，作動筒73ms 解鎖掛鉤。

圖3 先導(dǎo)閥節(jié)流孔堵塞故障模式仿真分析

從圖4 可以看出：主閥閥芯運動總行程的20%，作動筒73ms 解鎖掛鉤；主閥閥芯運動總行程的50%，作動筒78ms 解鎖掛鉤；主閥閥芯運動總行程的80%，作動筒78ms 解鎖掛鉤。

從圖5 可以看出：作動筒導(dǎo)向錐處的節(jié)流孔堵塞原面積的20%，作動筒199ms 解鎖掛鉤；作動筒導(dǎo)向錐處的節(jié)流孔堵塞原面積的50%，作動筒105ms 解鎖掛鉤；作動筒導(dǎo)向錐處的節(jié)流孔堵塞原面積的80%，作動筒82ms 解鎖掛鉤。

圖4 主閥卡滯故障模式仿真分析

圖5 作動筒導(dǎo)向錐處的節(jié)流孔堵塞故障模式仿真分析

5 結(jié)論

通過AMESim 對發(fā)射裝置氣壓作動筒進行建模和仿真，得出了先導(dǎo)閥閥芯、主閥閥芯、節(jié)流孔在不同故障參數(shù)對氣壓作動筒動態(tài)品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，先導(dǎo)閥閥芯、主閥閥芯卡滯行程越長，節(jié)流孔通流面積堵塞越大，作動筒開鉤時間越長；只要閥芯不在初始位置卡滯，節(jié)流孔有氣流通過，作動筒均能在一定時間內(nèi)完成開鉤動作，不會出現(xiàn)在解鎖過程中停滯的現(xiàn)象發(fā)生。

通過仿真技術(shù)可以有效地利用專家經(jīng)驗進行定量評估系統(tǒng)性能，還可以為通過試驗進行故障定位指明方向，大大節(jié)約了時間成本和試驗經(jīng)費，使得故障定位快速、準(zhǔn)確。