氣動拋繩器建模仿真與試驗研究

王志文　熊　偉　王海濤　王祖溫

大連海事大學(xué)，大連，116026

氣動拋繩器建模仿真與試驗研究

王志文熊偉王海濤王祖溫

大連海事大學(xué)，大連，116026

簡要介紹了氣動控制擊發(fā)型氣動拋繩器的結(jié)構(gòu)與工作原理，應(yīng)用AMESim建模仿真軟件對氣動拋繩器系統(tǒng)進行了建模仿真，得到了氣動拋繩器主要組件的動態(tài)響應(yīng)特性。將彈體拋射初速度的仿真值與拋射試驗測量值進行對比分析，結(jié)果基本一致，驗證了模型的可靠性。研究結(jié)果為氣動拋繩器的進一步優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

氣動拋繩器；建模仿真；動態(tài)響應(yīng)；海上救助

0　引言

拋繩器又名撇纜槍、拋繩槍、拋投器等，是一種遠距離拋射繩索的器具，被廣泛應(yīng)用于海上救援、艦船補給、消防救援、水文勘測等領(lǐng)域[1]。利用拋繩器為遇險船舶引纜是當(dāng)今海上救助主流的引纜方式，拋繩器性能的優(yōu)劣直接影響救助成功與否。

傳統(tǒng)氣動拋繩器大都采用機械直動式換向閥，需通過操作人員扣動扳機的方式實現(xiàn)閥的氣路切換。操作人員扣動扳機的時間相對較長，且操作時間不穩(wěn)定，這導(dǎo)致閥體響應(yīng)速度較慢且拋射穩(wěn)定性相對較差。為提高閥體響應(yīng)速度和拋射穩(wěn)定性，本文對氣動拋繩器進行了改進，將手動扳機擊發(fā)改進為氣動控制擊發(fā)。為了減少改進設(shè)計中的不確定性，縮短研發(fā)周期，提高工作效率，降低設(shè)備加工成本，并更好地了解裝置的動態(tài)性能，對設(shè)計方案進行正確的建模仿真是一種行之有效的方法[2]。

AMESim是一款基于鍵合圖理論的系統(tǒng)建模仿真軟件，可以實現(xiàn)機電液氣等一體化的綜合物理系統(tǒng)建模仿真，而且模型庫中不同物理領(lǐng)域的模型單元都經(jīng)過了嚴(yán)格的測試和實驗驗證[3]。本文應(yīng)用仿真軟件AMESim對氣動拋繩器進行建模仿真，通過彈體拋射速度的仿真結(jié)果與拋射試驗測量結(jié)果的比較檢驗?zāi)Ｐ偷恼_性，為裝備的后續(xù)研發(fā)提供可靠的基礎(chǔ)仿真模型。

1　拋繩器結(jié)構(gòu)與工作原理

氣動拋繩器是將高壓氣體存儲的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為彈頭飛行的動能的一種裝置[4]。本文在文獻[4]所述氣動拋繩器的基礎(chǔ)上進行了部分改進，主要是將機械式手動擊發(fā)改進為高壓氣體控制擊發(fā)，氣動拋繩器三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，其本體主要組件結(jié)構(gòu)如圖2所示，腔內(nèi)活塞2將工作腔B和控制腔A分隔開，工作腔提供拋射時的工作氣體(擊發(fā)時工作氣體釋放，推動發(fā)射管內(nèi)彈體加速前進)，控制腔內(nèi)高壓氣體作用在腔內(nèi)活塞底部，與彈簧一同控制工作腔的開啟和關(guān)閉。進行擊發(fā)時，打開保險7，供給控制氣體，控制氣體經(jīng)控制氣體進口c進入到控制活塞5上部，推動活塞5向下運動，活塞推動推桿4和閥芯8向下運動，隨著閥芯的向下運動，閥芯8與閥座之間的排氣通道打開，控制腔A中的高壓氣體依次經(jīng)過控制腔氣路通道a、排氣通道和大氣通孔d排放至大氣。放氣過程中，控制腔A中的氣體壓力迅速降低，腔內(nèi)活塞2上的力平衡被破壞，活塞向控制腔側(cè)運動(圖2中所示為向右運動)。此時，腔內(nèi)活塞2前端的橡膠密封塊和腔筒3之間形成的密封被破壞，工作腔B中的高壓氣體迅速充入到發(fā)射管中，推動彈體1加速，當(dāng)彈體離開發(fā)射管時達到最大速度，完成拋射。閥體部分具體的結(jié)構(gòu)特點和工作過程可參考文獻[4]。

圖1　氣動拋繩器結(jié)構(gòu)示意圖

1.彈體　2.腔內(nèi)活塞　3.腔筒　4.推桿　5.控制活塞　6.進氣接頭　7.保險　8.閥芯　9.安全閥　a-控制腔氣路通道　b-工作腔氣路通道　c-控制氣體進口　s-工作氣體進口　d-大氣通孔　A-控制腔　B-工作腔　C-控制氣體　S-工作氣體圖2　拋繩器本體主要組件結(jié)構(gòu)圖

圖3是拋繩器系統(tǒng)的原理圖，系統(tǒng)由發(fā)射管、主腔體、閥體和氣源氣路四部分組成，儲氣瓶內(nèi)的高壓氣體經(jīng)過截止閥、減壓閥，然后分別經(jīng)過供氣電磁閥和擊發(fā)電磁閥供給拋繩器工作氣體和擊發(fā)控制氣體。

Ⅰ-發(fā)射管　Ⅱ-主腔體　Ⅲ-閥體　Ⅳ-氣源氣路　D-擊發(fā)電磁閥　E-進氣電磁閥　J-減壓閥　K-截止閥 QP-儲氣瓶圖3　拋繩器系統(tǒng)原理圖

2　氣動拋繩器建模仿真分析

2.1系統(tǒng)建模仿真

在AMESim軟件中建立氣動拋繩器系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示，根據(jù)實際系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置仿真參數(shù)。

圖4　拋繩器系統(tǒng)模型

在本模型中，由于閥體響應(yīng)很快，為了在保證仿真精度的前提下加快仿真速度，故采用變間隔采樣，在系統(tǒng)參數(shù)動態(tài)變化的時間段內(nèi)采用較小的采樣周期，在系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定時采用大采樣周期。

拋繩器閥體模型是整個系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，其中摩擦模型的選取對閥體性能有很大影響。在拋繩器設(shè)計初期，由于系統(tǒng)模型沒有考慮O形密封圈的摩擦，導(dǎo)致最初設(shè)計的控制活塞有效受力面積過小。加工完成樣機后進行擊發(fā)試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作壓力低于5 MPa時，拋繩器未能按預(yù)期設(shè)計正常工作。分析發(fā)現(xiàn)，滑閥及活塞O形密封圈的摩擦力是不容忽略的，經(jīng)在設(shè)計模型中考慮摩擦力模型，加大控制活塞受力面積后，拋繩器完成了預(yù)期設(shè)計要求。本模型中O形密封圈摩擦模型采用Parker密封圈摩擦模型[5]。

為了仿真彈體拋射初速度(彈體離開發(fā)射管瞬間的速度)，采用位移傳感器實時監(jiān)測彈體位移，當(dāng)彈體位移達到發(fā)射管長度時，將發(fā)射管內(nèi)氣體通向大氣，即彈體離開發(fā)射管后不再受高壓氣體的推動作用。為了簡化系統(tǒng)模型，在仿真模型中不設(shè)置減壓閥，而直接采用恒壓氣源來仿真高壓氣體經(jīng)過減壓閥后的壓力。0 s時進氣電磁閥開啟進行充氣，充氣控制信號控制進氣電磁閥在1 s時關(guān)閉，然后擊發(fā)電磁閥在2 s時控制擊發(fā)電磁閥開啟，進行擊發(fā)。分別將氣源壓力設(shè)為7 MPa、6 MPa、5 MPa和4 MPa運行模型進行仿真，得到了系統(tǒng)各部分的動態(tài)響應(yīng)特性。

2.2仿真結(jié)果分析

下面通過分析控制腔和工作腔內(nèi)氣體壓力變化以及彈體在發(fā)射管內(nèi)速度變化來說明拋繩器的工作過程，解釋試驗現(xiàn)象。

圖5所示為6 MPa氣源壓力下控制腔和工作腔內(nèi)氣體壓力隨工作過程的變化。充氣過程中，控制腔內(nèi)氣體壓力一直高于工作腔內(nèi)氣體壓力，直至兩氣腔壓力幾乎同時達到氣源壓力，這是因為工作腔容積比控制腔容積大得多，使得在充氣過程中進入工作腔的氣體升壓相對緩慢，此壓力差的存在也保證了在充氣過程中腔內(nèi)活塞能夠確保工作腔的密封。在進行擊發(fā)時，工作腔內(nèi)的氣體壓力下降滯后于控制腔內(nèi)氣體壓力下降，控制腔內(nèi)氣體壓力的迅速下降使腔內(nèi)活塞能夠快速響應(yīng)從而開啟工作腔，工作腔內(nèi)高壓氣體迅速釋放，推動彈體在發(fā)射管內(nèi)加速。

圖5　氣源壓力為6 MPa時控制腔和工作腔內(nèi)氣體壓力變化

圖6、圖7所示分別為控制腔和工作腔在4種不同氣源壓力下腔內(nèi)氣體壓力變化曲線。在充氣過程中，氣源壓力越高，腔內(nèi)壓力上升越快，但是不同氣源壓力下充氣完成的時間基本相同。在擊發(fā)過程中，氣源壓力越高，腔內(nèi)氣體壓力下降越快，工作腔內(nèi)高壓氣體能夠迅速釋放完畢，這是因為在較高壓力下?lián)舭l(fā)時，腔內(nèi)活塞兩側(cè)形成的氣體壓差相對較大，從而腔內(nèi)活塞響應(yīng)更快，將工作腔打開釋放高壓工作氣體。

圖6　不同氣源壓力下控制腔內(nèi)氣體壓力變化

圖7　不同氣源壓力下工作腔內(nèi)氣體壓力變化

圖8所示為不同工作壓力下彈體在發(fā)射管內(nèi)的速度變化曲線，可以得出，工作壓力越高，彈體離開發(fā)射管時的拋射初速度(圖8曲線的峰值)越大；彈體在發(fā)射管內(nèi)加速度越大(表現(xiàn)為圖8中速度上升曲線的斜率越大)，加速時間越短。圖9所示為不同工作壓力下彈體在發(fā)射管內(nèi)所受合力的變化曲線，可以看出，當(dāng)腔內(nèi)活塞打開后，高壓氣體迅速充入發(fā)射管，導(dǎo)致彈體合力迅速上升至最大值。之后彈體在發(fā)射管內(nèi)加速前進，發(fā)射管內(nèi)氣體容積增大，氣體壓力下降，同時隨著彈體速度的迅速增加，發(fā)射管內(nèi)壁作用在彈體上的摩擦阻力也迅速增大，最終導(dǎo)致彈體合力逐漸減小。值得注意的是，壓力越大彈體開始加速的時間越接近于擊發(fā)時間(2 s)，即壓力越大彈體響應(yīng)越快，從根本上分析，閥體的響應(yīng)特性起到了關(guān)鍵作用。如圖10所示，工作壓力越高，閥體響應(yīng)速度越快，閥芯到達行程終點的時間越短，從而使控制腔中氣體能夠快速釋放，進而腔內(nèi)活塞能夠更快速地響應(yīng)。因此可以得出，氣動拋繩器閥體響應(yīng)速度的快慢與穩(wěn)定性對拋繩器拋射性能有很大影響。

圖8　不同壓力下彈體在發(fā)射管內(nèi)速度變化

圖9　不同壓力下彈體所受合力變化

圖10　不同壓力下閥芯位移變化

3　拋射試驗研究

由于閥體集成在拋繩器內(nèi)部，現(xiàn)階段難以直接對閥體的動態(tài)響應(yīng)特性進行測量。而彈體的拋射距離和拋射初速度是比較容易測得的，為了檢驗基于AMESim所建模型是否準(zhǔn)確可靠，進行實地拋射試驗，以測量不同壓力下彈體的拋射初速度，拋射試驗裝置如圖11所示。將仿真值與測量值進行比較，對比結(jié)果如圖12所示。試驗過程中利用雷達測速儀測量彈體在離開發(fā)射管瞬間的拋射初速度。分別測量在2～10 MPa工作壓力下彈體拋射初速度，多次測量取平均值，得到不同工作壓力下的彈體拋射初速度。

圖11　拋射試驗裝置

圖12　拋射初速度仿真值與試驗值對比

從圖12可看出，仿真值與試驗測量值整體上變化趨勢一致，在5～10 MPa壓力范圍內(nèi)誤差比較小，在2～5 MPa壓力范圍內(nèi)仿真值與試驗值存在較大誤差，工作壓力越低，誤差越大。

除了傳感器精度和人為因素導(dǎo)致的測量誤差外，誤差產(chǎn)生主要是因為仿真是在一定的假設(shè)條件下進行的，仿真模型與實際系統(tǒng)存在偏差，如仿真過程中選擇的摩擦模型與實際摩擦情況存在偏差，實際氣腔的變質(zhì)量變?nèi)莘e熱力學(xué)過程在仿真模型中處理還不完善[6]，傳熱模型也沒有充分精確的考慮。而且，在拋射試驗時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體壓力較大時，氣體慣性對系統(tǒng)動態(tài)特性也有一定的影響，在本模型中并沒有給予考慮。

4　結(jié)束語

本文應(yīng)用AMESim建模仿真軟件對氣動控制擊發(fā)的氣動拋繩器系統(tǒng)進行了建模仿真，仿真結(jié)果與試驗現(xiàn)象一致，彈體拋射初速度的仿真值與試驗測量值較為吻合，驗證了模型的可靠性。在低工作壓力時存在一定誤差，主要是由模型的理想化造成的。后續(xù)工作將以本仿真模型為基礎(chǔ)，對摩擦模型、傳熱模型以及管路模型進行進一步深入優(yōu)化分析，尤其是對閥體部分的精確建模與實驗分析。

[1]劉浪波.新型拋繩器設(shè)計及試驗研究[D].大連：大連海事大學(xué),2013.

[2]李寶仁，楊鋼，杜經(jīng)民.高壓隨動壓力控制閥動態(tài)性能的仿真研究[J].華中理工大學(xué)學(xué)報,1998,26(7):24-26.

Li Baoren, Yang Gang, Du Jingmin. Dynamic Simulation Investigation of High Pressure Servo Control Valve[J]. J. Huazhong Univ. of Sci. & Tech., 1998, 26(7):24-26.

[3]付永領(lǐng),祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真——從入門到精通[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[4]王海濤，劉浪波，熊偉.氣動拋繩器的改進設(shè)計[J].液壓與氣動,2013(4):110-112.

Wang Haitao, Liu Langbo, Xiong Wei. Improved Design of Pneumatic Line-thrower[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2013(4):110-112.

[5]Parker Hannifin Corporation. Parker O-ring Handbook[M]. Lexington: Parker Hannifin Corporation, 2007.

[6]LMS Imagine. Lab AMESim Pneumatic Library Rev 12 User’s Guide [M]. Roanne: LMS Imagine S.A., 2013.

(編輯袁興玲)

Modeling, Simulation and Experiment of a Pneumatic Line-thrower

Wang ZhiwenXiong WeiWang HaitaoWang Zuwen

Dalian Maritime University,Dalian,116026

The structure and the working principles of a line-thrower were introduced,which was controlled by pneumatic valve herein. A model of the line-thrower was developed in AMESim software. The dynamic behaviors of main components were obtained by simulation. The results of the simulation and the experiments are consistent with each other and testify the reliability of the model, thus providing reference for further optimization of a line-thrower.

pneumatic line-thrower;modeling and simulation; dynamic response; marine rescue

2014-08-04

國家科技支撐計劃資助項目(2014BAK05B06)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(3132014303)；交通運輸部建設(shè)科技重點項目(2013328225080)

TH138DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.11.003

王志文，男，1989年生。大連海事大學(xué)船舶機電裝備研究所博士研究生。主要研究方向為氣壓傳動與控制。熊偉，男，1972年生。大連海事大學(xué)船舶機電裝備研究所教授、博士研究生導(dǎo)師。王海濤，男，1973年生。大連海事大學(xué)船舶機電裝備研究所教授、博士研究生導(dǎo)師。王祖溫，男，1955年生。大連海事大學(xué)船舶機電裝備研究所教授、博士研究生導(dǎo)師。