新型魚雷發(fā)射系統(tǒng)前蓋柔性開閉仿真設(shè)計

穆連運，成永超

（1.海軍潛艇學(xué)院 戰(zhàn)略導(dǎo)彈與水中兵器系，山東 青島 266199；2.海軍潛艇學(xué)院 學(xué)員二大隊，山東 青島 266199）

0 引言

潛艇在作戰(zhàn)中的最大優(yōu)勢就是其隱蔽性，因此降低噪聲是潛艇設(shè)計使用時的重要內(nèi)容之一。潛艇在發(fā)射魚雷時會因發(fā)射裝置工作產(chǎn)生一定的噪聲，其中，魚雷發(fā)射系統(tǒng)前蓋因開啟、關(guān)閉瞬間產(chǎn)生的撞擊噪聲是其噪聲的重要來源，對保持潛艇隱蔽性有很大危害。

傳統(tǒng)前蓋開閉裝置液壓回路在設(shè)計時為了追求前蓋開閉的及時性[1]，忽略了由于前蓋運動終端和始端速度過快而與艇體撞擊瞬間產(chǎn)生的噪聲，這個撞擊噪聲是敵聲吶探測我方潛艇的重要依據(jù)。因此，如何控制前蓋運動終端和始端的速度，降低開啟、關(guān)閉瞬間的撞擊噪聲，具有一定的研究價值。

本文利用高速開關(guān)閥構(gòu)建了前蓋開閉裝置速度控制液壓回路，通過脈寬調(diào)制（Pluse Width Modulation，PWM）信號控制原理對液壓缸的運動速度進行控制，相對降低行程終端和始端運動速度，從而降低了前蓋開啟、關(guān)閉瞬間的撞擊噪聲。

1 前蓋開閉裝置速度控制系統(tǒng)

1.1 高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)及工作原理

高速開關(guān)閥是一種新興的數(shù)字電液轉(zhuǎn)換控制原件，主要通過脈寬調(diào)制（PWM）信號進行控制，其最主要的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，同時，它兼有價格低廉、抗污染能力強的特點，在液壓系統(tǒng)速度和位置控制中成為一個新的應(yīng)用熱點[2]。

在本文的液壓控制回路設(shè)計中采用的是常開二位三通高速開關(guān)閥，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structural diagram of high-speed on-off valve

當(dāng)電磁銜鐵線圈2處于低電平時，供油球閥7在壓力油壓差作用下向左運動，通過分離銷使回油球閥5緊緊壓在密封座上，此時進油口與控制口連通，回油口關(guān)閉；當(dāng)電磁銜線圈2處于高電平時，銜鐵1產(chǎn)生電磁力向右運動，通過推桿推動回油球閥5和供油球閥7克服進出油口壓力差向右運動，此時進油口關(guān)閉，回油口和控制口連通。

1.2 速度控制液壓回路設(shè)計

為實現(xiàn)高速開關(guān)閥對前蓋開啟、關(guān)閉液壓缸的速度控制，設(shè)計了基于高速開關(guān)閥的改進型前蓋開閉裝置速度控制回路[3]，如圖2所示。塊，模擬前蓋及減阻版質(zhì)量。如圖中所示，位移傳感器安裝在液壓缸活塞桿上，用以采集液壓缸運動位移，PC控制模塊將位移信息轉(zhuǎn)換成高速開關(guān)閥的控制信息，通過對高速開關(guān)閥開啟關(guān)閉時間的控制，從而控制進入液壓缸無桿腔的液壓油流量，進而控制液壓缸活塞桿的運動速度。

圖2 改進型前蓋開閉裝置速度控制回路Fig.2 Speed control loop of improved front cover opening and closing device

圖中：1為動力裝置，2為液壓泵，3為液壓油箱，4為溢流閥，5為三位四通方向控制閥，6為常開型二位三通高速開關(guān)閥，7為PC控制模塊，8為雙桿活塞液壓缸，9為位移傳感器，10為質(zhì)量

1.3 基于占空比的PWM調(diào)制信號控制

高速開關(guān)閥的開閉是由脈寬調(diào)制信號（PWM）進行控制，即在一個脈沖周期T內(nèi)，開啟時間的寬度Topen與T的比值大小來控制閥門開閉時間，從而調(diào)節(jié)流過高速開關(guān)閥的流量。Topen與T的比值稱為占空比，用符號τ來表示，由高速開關(guān)閥的特性可知，在頻率一定的情況下，τ越大，通過的流量就越大[4]。在本文的液壓控制回路中，采用頻率為50 Hz的PWM調(diào)制信號，占空比τ是根據(jù)活塞位移信號進行設(shè)置。

設(shè)將前蓋完全開啟需要的活塞行程為l，將活塞行程分為行程終端、始端和中間行程3段，其中在前蓋行程終端、始端采用低速，即低占空比，在中間行程采用高占空比。設(shè)計其PWM調(diào)制信號占空比函數(shù)如下：

式中：τ表示前蓋開啟、關(guān)閉時高速開關(guān)閥PWM調(diào)制信號的占空比；x表示活塞位移；x∈ [ 0 ,n1） ∪（n2,l]表示在前蓋開啟過程中活塞行程始端的控制位置，n1表示在活塞行程終端的控制位置。

在本液壓控制回路中，前蓋開啟時的速度控制階段為x∈ [ 0 ,n1） ∪ （n2,l]，針對不同的n1、n2的取值進行仿真，然后獲得合理的控制位置。

2 AMESim-Simulink聯(lián)合建模與仿真

AMESim軟件中包含一套液壓氣壓標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用庫，用戶可以根據(jù)實際液壓回路搭建液壓系統(tǒng)物理模型，然后在 Simulink中建立控制信號模型，通過在AMESim中創(chuàng)建interface接口將位移傳感器采集的數(shù)據(jù)信號以 S函數(shù)的形式輸入到 Simulink中，數(shù)據(jù)信號經(jīng)處理后傳回 AMESim中對物理模型進行控制[5]。

2.1 AMESim物理模型建立

根據(jù)前蓋開閉裝置液壓回路原理圖，在AMESim平臺上搭建液壓系統(tǒng)仿真模型[6]，如圖3所示。

圖3 前蓋開閉裝置液壓系統(tǒng)AMESim模型Fig.3 AMESim model of hydraulic system of front cover opening and closing device

液壓系統(tǒng)中各元部件子模型的功能和作用如表1所示。

表1 液壓系統(tǒng)中各元部件子模型的功能和作用Table 1 Function and role of each component sub-model in hydraulic system

系統(tǒng)通過S函數(shù)將位移傳感器采集的活塞位移信號傳遞到Simulink中，經(jīng)過控制模型進行處理。

2.2 Simulink控制模型建立

在 AMESim仿真模式下點擊運行，軟件會自動調(diào)出Simulink界面，在Simulink中利用AMESim仿真生成的S函數(shù)，并在Simulink中設(shè)置S-function模塊的名稱和相關(guān)參數(shù)[7]。

由于PWM調(diào)制信號占空比τ是0～1的數(shù)字，因此，需要將位移傳感器信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)PWM調(diào)制信號[8]，其算法模型如圖4。

圖4 前蓋開閉裝置液壓系統(tǒng)Simulink控制模型Fig.4 Simulink control model of hydraulic system of front cover opening and closing device

2.3 仿真結(jié)果分析

本文仿真的具體參數(shù)設(shè)置為：前蓋完全開啟活塞行程l= 3 00 mm ，n1= 5 0 mm ，n2= 2 50 mm，其運動速度與位移的仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 液壓缸運動速度曲線Fig.5 Speed curve of hydraulic cylinder

圖6 液壓缸伸出位移曲線Fig.6 Extended displacement curve of hydraulic cylinder

通過圖5、圖6可以看出，液壓缸活塞在9 s內(nèi)完全伸出，并在行程始端和終端速度較低，在行程中段速度較高且運動穩(wěn)定，符合設(shè)計要求。

在傳統(tǒng)開閉系統(tǒng)中，活塞在行程始端和終端的速度為35 mm/s，而在本系統(tǒng)中活塞行程始端和終端的速度為20 mm/s，因此，改進型前蓋開閉系統(tǒng)能大幅度降低行程兩端速度，從而有效降低撞擊噪聲。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于高速開關(guān)閥的改進型魚雷發(fā)射系統(tǒng)前蓋開閉裝置液壓回路，并通過 AMESim-Simulink進行了聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明：通過對液壓缸活塞行程終端和始端的速度控制，改進型魚雷發(fā)射系統(tǒng)前蓋開閉裝置在滿足快速開啟前蓋的同時，能有效降低前蓋開啟關(guān)閉時的撞擊噪聲，對保持潛艇隱蔽性有一定積極作用。