無(wú)桿式氣缸彈射特性研究與仿真

張建宇，劉科，程棟，李易松

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.河南省水下智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450015)

0 引言

無(wú)桿式氣缸作為氣動(dòng)元件廣泛應(yīng)用于機(jī)械傳輸[1]、機(jī)械手臂[2]、車門啟閉[3]等領(lǐng)域，氣缸長(zhǎng)度略大于活塞的行程，具有結(jié)構(gòu)緊湊，有效行程長(zhǎng)的特點(diǎn)。無(wú)桿式氣缸作為彈射動(dòng)力，可有效縮短發(fā)射裝置的軸向空間，提高了發(fā)射平臺(tái)靈活、機(jī)動(dòng)的作戰(zhàn)能力。同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)彈射負(fù)載外置，具有通用性強(qiáng)、快速響應(yīng)、好保障的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)發(fā)射裝置相比，降低了熱防護(hù)、承壓、氣密等方面的設(shè)計(jì)要求。

目前，國(guó)內(nèi)在彈射領(lǐng)域已經(jīng)對(duì)無(wú)桿式氣缸在設(shè)計(jì)及試驗(yàn)等方面進(jìn)行了研究。姚琳等[4]對(duì)無(wú)桿式氣缸彈射裝置的內(nèi)彈道進(jìn)行了仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了真實(shí)氣體效應(yīng)的無(wú)桿式氣缸彈射裝置內(nèi)彈道模型，獲得了導(dǎo)彈彈射過(guò)程中熱力學(xué)參數(shù)與導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律。同時(shí)，姚琳等[5]對(duì)高速無(wú)桿氣缸作動(dòng)器密封圈潤(rùn)滑性能進(jìn)行了分析，提出直線滑動(dòng)密封“臨界速度”概念，分析作動(dòng)器密封圈潤(rùn)滑性能，建立密封圈潤(rùn)滑狀態(tài)二維高效分析模型，在全速范圍內(nèi)，對(duì)“臨界速度”進(jìn)行初步定位，并揭示預(yù)壓縮量、唇角和溫度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響機(jī)理。杜堯等[6]對(duì)開(kāi)口缸氣動(dòng)彈射裝置進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析與優(yōu)化，基于工程熱力學(xué)、流量方程等理論，建立開(kāi)口缸氣動(dòng)彈射內(nèi)彈道模型。完成了開(kāi)口缸氣動(dòng)彈射裝置的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)開(kāi)口缸氣動(dòng)彈射裝置綜合性能開(kāi)展仿真研宄，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

綜合上述研究，本文針對(duì)無(wú)桿式氣缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)彈射特性的影響開(kāi)展進(jìn)一步分析，首先在AMESim 環(huán)境下建立無(wú)桿式氣缸的仿真模型，對(duì)模型的空載運(yùn)行特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后分析了氣缸關(guān)鍵因素等對(duì)彈射特性的影響規(guī)律。為無(wú)桿式氣缸在彈射領(lǐng)域的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

無(wú)桿式氣缸主要由缸筒、活塞、密封帶、推力滑塊、緩沖器等結(jié)構(gòu)組成。其中推力滑塊固定在活塞上，缸筒縱向開(kāi)槽，為推力滑塊向前運(yùn)行提供導(dǎo)向和通道?；钊喜块_(kāi)設(shè)斜槽，為密封帶提供通道，同時(shí)活塞尾部能夠?qū)⒚芊鈳壕o至缸筒開(kāi)槽處，實(shí)現(xiàn)密封功能。緩沖器為氣液2 級(jí)緩沖結(jié)構(gòu)，第1 級(jí)緩沖為液壓缸內(nèi)液壓油液經(jīng)過(guò)節(jié)流阻尼孔實(shí)現(xiàn)初步緩沖，第2 級(jí)緩沖為流過(guò)節(jié)流孔的油液推動(dòng)氣動(dòng)活塞壓縮空氣，實(shí)現(xiàn)二次緩沖。無(wú)桿式氣缸的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無(wú)桿式氣缸結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure principle of rod-less cylinder

1.2 工作原理

其主要工作原理如下：恒定壓力的高壓空氣從氣缸的進(jìn)氣口進(jìn)入，密封帶、活塞尾端及缸筒形成的密閉空間（初始容積）迅速建壓，在一定壓力的空氣作用下，活塞和推力滑塊推動(dòng)彈射負(fù)載以一定的速度向前運(yùn)行，缸筒內(nèi)的空氣通過(guò)泄壓孔及時(shí)排除，降低彈射過(guò)程中背壓，當(dāng)活塞與緩沖器接觸后，活塞被緩沖減速，彈射負(fù)載繼續(xù)向前運(yùn)行，完成彈射工作。

2 仿真模型

本文利用AMESim 軟件建立無(wú)桿式氣缸仿真模型，仿真模型如圖2 所示。根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸對(duì)其配置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真模型的參數(shù)如表1 所示，在建模過(guò)程中需假設(shè)和考慮以下因素：

表1 仿真模型參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation model

圖2 無(wú)桿式氣缸仿真模型Fig.2 Simulation model of rod-less cylinder

1）將空氣視為理想氣體；

2）忽略氣體在氣缸缸筒內(nèi)流動(dòng)過(guò)程的變化及熱量損失；

3）忽略氣體溫度對(duì)缸內(nèi)壓力的影響；

4）忽略氣動(dòng)緩沖活塞的重量；

5）考慮氣體和液壓的摩擦效應(yīng)及容積效應(yīng)；

6）考慮系統(tǒng)中機(jī)械運(yùn)動(dòng)件（如活塞與緩沖器）的彈性碰撞過(guò)程；

7）考慮系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)件泄漏（如活塞和缸筒以及緩沖器內(nèi)液壓缸的泄漏）對(duì)系統(tǒng)特性影響，設(shè)置氣/液體泄漏模塊。

氣缸內(nèi)通入恒定壓力為0.5 MPa 氣源，氣缸活塞與密封帶之間預(yù)留運(yùn)動(dòng)間隙，氣缸活塞在運(yùn)行5 m 行程后接觸緩沖器開(kāi)始緩沖。從仿真結(jié)果可看出，活塞和負(fù)載在活塞接觸到緩沖器之前的速度相同，最大速度可達(dá)14 m/s，在接觸緩沖器之后，負(fù)載以最大速度繼續(xù)運(yùn)行，活塞速度明顯下降，緩沖效果良好。

3 彈射特性分析

在氣缸主尺寸一定的情況下，不同的氣源壓力、氣缸密封及緩沖結(jié)構(gòu)及彈射負(fù)載都會(huì)對(duì)負(fù)載的彈射特性及氣缸活塞的緩沖性能產(chǎn)生影響，本文針對(duì)無(wú)桿式氣缸的氣源輸入壓力、密封間隙、緩沖行程、負(fù)載重量4 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的變化對(duì)彈射特性的影響規(guī)律展開(kāi)分析。

圖3 無(wú)桿式氣缸空載彈射特性曲線Fig.3 No-load ejection characteristic curve of rod-less cylinder

3.1 氣源壓力

由圖4 可知，隨氣源壓力的增加，負(fù)載達(dá)到相同行程所需的時(shí)間越短，速度越大，當(dāng)氣源壓力為1.5 MPa 時(shí)，負(fù)載最大速度可達(dá)24 m/s。這是因?yàn)殡S著氣源壓力的增加活塞受到的推力增大，加速度增大，負(fù)載在活塞的推動(dòng)下速度大。但當(dāng)活塞接觸緩沖器后，由于速度大的活塞沖量大，被緩沖器反彈后的速度也大，氣源壓力低緩沖效果較平穩(wěn)，所以緩沖器設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要與氣源壓力的輸入形式進(jìn)行匹配。

圖4 氣源壓力對(duì)彈射特性影響Fig.4 Influence of air source pressure on ejection characteristics

3.2 漏氣間隙

由圖5 可知，漏氣間隙從1 mm 增加到10 mm 對(duì)負(fù)載彈射的速度影響較小，進(jìn)氣流率在彈射初期達(dá)到最大，待缸內(nèi)初始容積達(dá)到一定壓力后，進(jìn)氣流率開(kāi)始降低，但始終大于漏氣流率。在設(shè)計(jì)氣缸活塞密封時(shí)可以適當(dāng)加到密封帶與活塞之間的間隙，預(yù)留密封帶的活動(dòng)空間，同時(shí)降低活塞安裝時(shí)的摩擦力，減少保障設(shè)施。

圖5 漏氣間隙對(duì)彈射特性影響Fig.5 Influence of air leakage gap on ejection characteristics

3.3 緩沖行程

由圖6 可知，緩沖行程不會(huì)影響負(fù)載彈射速度，因?yàn)楫?dāng)活塞接觸緩沖器時(shí)，活塞速度降低，此時(shí)負(fù)載與活塞脫離，以脫離瞬間的速度為初速度繼續(xù)向前運(yùn)行。而隨著緩沖距離的增加，活塞被反彈的速度越小，反彈的時(shí)間越滯后，緩沖效果越好。

圖6 密封間隙對(duì)彈射性能的影響Fig.6 Influence of seal clearance on ejection performance

當(dāng)負(fù)載要求高速?gòu)椛鋾r(shí)，由沖量定理可知，在活塞質(zhì)量不變的情況下，當(dāng)速度增加時(shí)，必須增加緩沖時(shí)間及緩沖行程來(lái)吸收更多的能量。受裝置總尺寸的影響，緩沖行程不宜設(shè)置太長(zhǎng)，因此緩沖行程應(yīng)與負(fù)載速度進(jìn)行適當(dāng)匹配以滿足緩沖性能及總體尺寸要求。

3.4 負(fù)載重量

由圖7 可知，在氣源壓力一定的情況下，隨著負(fù)載重量的增加，負(fù)載最大速度越低，當(dāng)負(fù)載重量為900 kg 時(shí)，最大彈射速度約為9 m/s，其原因同氣源壓力的影響相同，隨負(fù)載重量增加，活塞運(yùn)行的加速度小，導(dǎo)致最終彈射速度小導(dǎo)致。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)不同重量負(fù)載所需達(dá)到不同彈射速度的要求，結(jié)合氣源的壓力進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。

圖7 負(fù)載重量對(duì)彈射特性的影響Fig.7 Influence of load weight on ejection characteristics

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用AMESim 軟件，根據(jù)無(wú)桿式氣缸的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)建立仿真模型。通過(guò)仿真模型研究無(wú)桿式氣缸的氣源輸入壓力、密封間隙、緩沖行程、負(fù)載重量4 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的變化對(duì)彈射特性及氣缸活塞緩沖性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，氣源輸入壓力和負(fù)載重量對(duì)負(fù)載彈射速度影響最大，緩沖器的設(shè)計(jì)需要與氣源壓力及負(fù)載速度進(jìn)行匹配，才能達(dá)到良好的緩沖效果。