油氣懸架導(dǎo)彈發(fā)射車起豎過程動力學(xué)響應(yīng)分析

姚琳，馬大為，何強(qiáng)，王澤林

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094)

0 前言

探究不同支撐發(fā)射方式對現(xiàn)代武器的研究具有重要的意義。文中采用聯(lián)合仿真的方法研究了某油氣懸架發(fā)射車在全輪支撐狀態(tài)下導(dǎo)彈起豎時的整車動力學(xué)特性。由于導(dǎo)彈起豎時需要較大的油缸行程，采用了在缸體初始長度相同的條件下具有更大行程的多級液壓缸［1］。多級液壓缸在換級過程中由于缸體碰撞會產(chǎn)生較大的換級沖擊，引起系統(tǒng)的振動［2］。此外，隨著起豎過程的進(jìn)行，整車重心逐漸后移，后軸懸架壓縮量變大，前軸懸架壓縮量減小，車體產(chǎn)生了俯仰姿態(tài)角，俯仰姿態(tài)角過大會嚴(yán)重威脅發(fā)射安全性。文中建立了ADAMS發(fā)射車的虛擬樣機(jī)模型，AMESim油氣懸架系統(tǒng)模型和四級起豎液壓缸模型，在Simulink中設(shè)計(jì)了起豎模型的控制策略，并以Simulink為平臺，通過各軟件的聯(lián)合仿真接口實(shí)現(xiàn)了對某油氣懸架發(fā)射車在全輪支撐狀態(tài)下導(dǎo)彈起豎時的整車動力學(xué)特性的聯(lián)合仿真研究。

1 全輪支撐導(dǎo)彈發(fā)射車起豎仿真模型的建立

1.1 全輪支撐導(dǎo)彈發(fā)射車起豎結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型

公路機(jī)動式導(dǎo)彈由行軍狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼?zhàn)斗狀態(tài)，即導(dǎo)彈由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直狀態(tài)的過程是依賴發(fā)射車完成的。全輪支撐狀態(tài)下的導(dǎo)彈起豎系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 全輪支撐狀態(tài)下導(dǎo)彈起豎系統(tǒng)簡圖

根據(jù)導(dǎo)彈起豎系統(tǒng)圖，在ADAMS中建立了虛擬樣機(jī)動力學(xué)模型。模型中，四級油缸的依次伸出是通過速度驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)的，油氣懸架通過相互作用力實(shí)現(xiàn)的，速度驅(qū)動和相互作用力的值通過定義狀態(tài)變量從AMESim中獲得;輪胎的彈性力和阻尼力以Spline函數(shù)的形式定義。

1.2 四級起豎系統(tǒng)建模

研究的發(fā)射車采用四級液壓起豎系統(tǒng)，四級液壓缸的伸縮順序?yàn)?伸出時，直徑最大的第一級首先伸出，直徑最小的第四級最后伸出;回縮時，直徑最小的第四級首先回縮，直徑最大的第一級最后縮回。多級液壓缸結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 多級起豎油缸結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)各級液壓缸的活塞直徑分別為 D1、D2、D3、D4，活塞桿直徑分別為d1、d2、d3、d4，正反腔壓力分別為p1、p2，f為第一級與第二級的接觸力，F(xiàn)為載荷。現(xiàn)對一、二兩級進(jìn)行受力分析。由受力平衡關(guān)系，可得:

活塞的伸縮順序是由各活塞的面積關(guān)系決定的，且二級液壓缸絕對依次伸縮的條件為［4］:

可以得出多級液壓缸絕對依次伸出的條件為:

四級液壓缸模型參數(shù)如表1所示。能夠驗(yàn)證，四級液壓缸模型參數(shù)滿足多級液壓缸絕對依次伸出的條件。

表1 四級液壓缸模型參數(shù) mm

根據(jù)多級起豎油缸的結(jié)構(gòu)示意圖，采用單級缸級聯(lián)的方法，在AMESim中搭建了如圖所示的四級液壓缸仿真模型，如圖3所示。這種模型可以對每一級油缸的運(yùn)動特性進(jìn)行仿真，模型中采用的線性彈簧和阻尼子模塊用來模擬油缸的換級碰撞;模型中采用的動態(tài)容積模塊用來模擬液壓缸的動態(tài)容積效應(yīng)。模型中溢流閥壓力為15 MPa，液壓泵流量為120 L/min。

圖3 四級液壓缸仿真模型

1.3 油氣懸架系統(tǒng)仿真模型建立

目前車輛上常采用的油氣懸架系統(tǒng)有獨(dú)立式和連通式兩種。獨(dú)立式油氣懸架前后兩缸互不連通，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)車身高度的自由調(diào)整;連通式油氣懸架通過油管使各油室相連通，利用油液傳遞壓力，不僅具有獨(dú)立式的優(yōu)點(diǎn)，而且當(dāng)車身前后載荷差距較大時，可以較好地分配各軸載荷，使整車保持平衡狀態(tài)［5-6］。

圖4 2軸連通式油氣懸架物理模型

忽略系統(tǒng)的摩擦力，則活塞桿組件的輸出力Ff和Fr可以表示為:

式中:A1為A腔、壓力;pC為C腔中的瞬時壓力;pE為E腔瞬時壓力;pG為G腔瞬時壓力;D為懸架缸C腔 (G腔)內(nèi)徑;d為活塞桿直徑。

油液運(yùn)動過程中會產(chǎn)生沿程壓力損失和局部壓力損失，則C腔室壓力和蓄能器6之間損失壓力關(guān)系為:

式中:ρ為油液密度;lh1為前懸架缸C腔到蓄能器6油管沿程阻力系數(shù)。

根據(jù)短孔節(jié)流理論流量和壓力關(guān)系，則B腔和A腔之間的壓力關(guān)系可以表示為:

式中:Cd1為阻尼孔的流量系數(shù);A01為阻尼孔截面積;Cd2為單向閥的流量系數(shù);A02為單向閥的有效過流面積。

根據(jù)物理模型，在AMESim中搭建了連通式油氣懸架系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。獨(dú)立式懸架系統(tǒng)只需在連通式的基礎(chǔ)上刪除前后的連通油管即可。油氣懸架參數(shù)見表2。

圖5 連通式油氣懸架系統(tǒng)

表2 油氣懸架參數(shù)

1.4 起豎系統(tǒng)控制策略

多級液壓缸在啟動、換級、停止的過程中都會產(chǎn)生較大的沖擊，引起系統(tǒng)的振動，對發(fā)射安全性造成威脅。因此，在系統(tǒng)啟動、換級、停止的過程中應(yīng)對進(jìn)入多級液壓缸的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以盡量減小沖擊。在Simulink中搭建了如圖6所示的流量控制策略，通過調(diào)節(jié)電磁閥的輸入電流來調(diào)節(jié)電磁閥的開度，進(jìn)而調(diào)節(jié)流量。為了首先計(jì)算靜平衡狀態(tài)，在控制策略中加入了延時模塊。

圖6 電磁閥輸入電流

2 聯(lián)合仿真模型的建立

在專用液壓仿真平臺AMESim中建立了導(dǎo)彈發(fā)射車的四級液壓起豎系統(tǒng)模型和油氣懸架系統(tǒng)模型，并通過聯(lián)合仿真接口以S函數(shù)形式嵌入到Simulink中。在虛擬樣機(jī)模型中將前、后軸的油缸位移，油氣懸架油缸輸出力，四級起豎缸的速度驅(qū)動，導(dǎo)彈起豎角定義為狀態(tài)變量，通過聯(lián)合仿真接口以子模塊形式添加到Simulink中，在Simulink中建立了流量控制策略，并以Simulink為平臺實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合仿真研究，如圖7所示。

圖7 聯(lián)合仿真平臺

3 仿真結(jié)果分析

設(shè)定仿真時間為120 s，數(shù)據(jù)交換間隔為0.01 s。三位四通電磁閥的通電電流如圖8所示。可以看出，在起豎的起始階段，流入液壓缸的流量逐漸變大;在液壓缸換級時，三位四通閥的通電電流先減小后增大，所以進(jìn)入起豎系統(tǒng)的流量在換級前先降低，換級后再增大;起豎接近完成時，流量逐漸減小為0。這樣可以有效地降低換級沖擊。

圖8 電磁閥的通電電流

圖9 所示為四級液壓缸的伸出過程。從圖中可以看出，各級液壓缸的伸出次序?yàn)橹睆阶畲蟮牡谝患壐资紫壬斐觯睆阶钚〉牡谒募壱簤焊鬃詈笊斐觯渖斐鲰樞蚍蠈?shí)際情況。說明在AMESim中建立的多級起豎模型是正確的。

圖9 四級起豎液壓缸行程

圖10 所示為導(dǎo)彈起豎時，液壓缸在起豎臂前支點(diǎn)處施加的垂直于起豎臂的法向力。從圖中可以看出，隨著起豎過程的進(jìn)行，液壓缸在起豎臂前支點(diǎn)處施加的垂直于起豎臂的法向力總體上是減小的，而且，大約在100 s的時候，法向力由正值變?yōu)樨?fù)值。說明在此時油缸對起豎臂的作用力由推力變?yōu)榱死Α膱D10中還可以看出，在啟動、換級和停止時，法向力有較大變化，進(jìn)而會引起發(fā)射系統(tǒng)的振動。

圖10 液壓缸施加的垂直于起豎臂的法向力

圖11 、12所示為導(dǎo)彈起豎時，獨(dú)立式與連通式油氣懸架的位移變化曲線。

圖11 獨(dú)立式油氣懸架的位移變化曲線

圖12 連通式油氣懸架的位移變化曲線

從圖11、12中可以看出，在仿真的前4 s內(nèi)，整車由于重力作用而下降，前、后軸油氣懸架都被壓縮，但由于導(dǎo)彈在水平狀態(tài)時，整車的中心較為靠前，導(dǎo)致前軸的壓縮量要比后軸的大一些;隨著起豎過程的進(jìn)行，整車重心逐漸后移，前軸的懸架位移逐漸降低，而后軸的懸架位移逐漸增大。從圖11中可以明顯的看出在起豎前，獨(dú)立式油氣懸架的前軸油缸位移明顯要大于后軸油缸位移，導(dǎo)彈起豎完成后，后軸的油缸位移明顯大于前軸油缸位移。在這種情況下，車體會出現(xiàn)較大的俯仰姿態(tài)角，這會嚴(yán)重影響發(fā)射安全性，設(shè)置導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)失敗。從圖12中可以看出，起豎前后前、后兩軸的懸架位移差距不大，車體俯仰姿態(tài)角很小，車體基本保持水平狀態(tài)。這是因?yàn)檫B通式油氣懸架通過油管使各油室相連通，利用油液傳遞壓力，可以較好地分配各軸載荷。

5 結(jié)論

采用聯(lián)合仿真的方法研究了某油氣懸架發(fā)射車在全輪支撐狀態(tài)下導(dǎo)彈起豎時的整車動力學(xué)特性。利用ADAMS建立了全輪支撐狀態(tài)下油氣懸架導(dǎo)彈發(fā)射車的導(dǎo)彈起豎虛擬樣機(jī)模型，在AMESim中分別搭建了四級液壓起豎系統(tǒng)模型和獨(dú)立式、連通式油氣懸架系統(tǒng)模型，Simulink中搭建了用于減輕起豎時沖擊的電磁閥開度控制策略，通過聯(lián)合仿真接口實(shí)現(xiàn)了ADAMS/Simulink/AMESim的聯(lián)合仿真分析，探究了全輪支撐狀態(tài)下油氣懸架導(dǎo)彈發(fā)射車導(dǎo)彈起豎時的整車動力學(xué)響應(yīng)，得到如下結(jié)論:

(1)起豎系統(tǒng)在啟動、換級、停止時起豎系統(tǒng)施加給起豎臂的法向力存在較大的波動，即會使發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生較大的振動。

(2)起豎系統(tǒng)施加給起豎臂的法向力在導(dǎo)彈起豎到一定角度時由正值變?yōu)樨?fù)值，說明此時起豎油缸的作用力由推力變?yōu)榱死Α?/p>

(3)隨著導(dǎo)彈起豎角的變大，整車重心逐步向后移動，后軸懸架的油缸位移逐漸增大，而前軸懸架的油缸位移逐漸減小。但連通式油氣懸架系統(tǒng)能夠更好的調(diào)節(jié)各軸的載荷，使得前后兩軸的油缸位移相差較小，整車基本處于水平狀態(tài)。

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