運載火箭自動對接連接器液壓系統研究

張　鑫,李志剛，徐　華，何　慶

(1.南京理工大學 機械工程學院,南京　210094; 2.上海宇航系統工程研究所,上海　201108)

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運載火箭自動對接連接器液壓系統研究

張鑫1,李志剛1，徐華2，何慶2

(1.南京理工大學 機械工程學院,南京210094; 2.上海宇航系統工程研究所,上海201108)

摘要：運載火箭自動對接連接器主要應用于其發射前的燃料加注過程。以自動對接連接器的液壓系統為研究對象，在AMESim環境中建立相應的液壓系統模型，對相關參數進行了初始化設置。針對液壓缸活塞桿運動過程，對液壓系統模型進行了仿真研究，得到了液壓缸進出油口的流量、壓力指標，明確液壓系統的工作狀態。仿真結果表明：經過優化后系統響應速度較快，運動過程比較平穩，在實際工程應用領域能夠滿足性能要求，為整個液壓系統后續優化設計打下基礎。

關鍵詞：自動對接連接器；建模與仿真；液壓系統；AMESim

Citation format:ZHANG Xin, LI Zhi-gang, XU Hua, et al.Research of Hydraulic System of Automatic Butt-Joint Connector for Carrier Booster[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):146-150.

運載火箭作為一種高精尖的軍民兩用產品，不僅能夠增強我國的國防力量，同時對于宇宙空間資源的開發利用也起到有力的推動作用。目前運載火箭發射前燃料填充采用手動對接、管線連接冗雜、操作時間過長等因素嚴重制約了運載火箭的快速發展。自動對接連接器是實現運載火箭燃料加注智能化、高效化、安全化的有力保障。

隨著現代科學技術的不斷發展、高性能計算機的廣泛應用以及設計理念的逐步完善提高，計算機仿真技術越來越多在工程設計領域流行開來。本課題設計一套完整的液壓系統研究了自動對接連接器的動力執行部分，在計算機仿真平臺中搭建物理模型代替傳統設計的實物模型。本課題的研究對于運載火箭對接技術以及發射技術的發展能夠起一定的推動作用，對我國航天事業的發展也有著重要意義。

AMESim廣泛應用于航空航天、船舶、車輛、工程機械等多學科領域，為流體、機械、熱分析、電氣、電磁及控制等復雜系統提供了一個完善的建模和仿真優化分析平臺，同時也是研究本課題的重要工具。

1AMESim軟件及其特點

1.1AMESim軟件

AMESim[1]是原法國Imagine公司于1995年開發的一款多領域系統仿真平臺，可以搭建和運行多種物理場仿真模型，并進行仿真計算和優化分析。

1.2AMESim的幾個特點[2]

1) AMESim提供了齊全的分析工具，包括線性化分析工具、模態分析工具、頻譜分析工具以及模型簡化工具等；

2) AMESim有多種仿真運行模式，如動態仿真、穩態仿真、間斷連續仿真以及批處理仿真等，用戶可根據模型自身特點選擇適合的仿真模式；

3) 豐富的與其他軟件相連的接口，AMESim可與MATLAB、ADAMS、Flux以及iSIGHT等軟件連接。

1.3AMESim液壓建模常用的元件庫

在進行與液壓方面相關的仿真時，下列幾個元件庫會經常用到：

1) 標準液壓庫(HYD)通過庫內典型液壓元件進行液壓系統仿真。

2) 液壓閥庫(HSV)HYD庫的擴充，提供完整的控制閥模型。

3) 液壓元件設計庫(HCD)由基本幾何單元結構組成的基本元素庫，根據幾何形狀和物理特性詳細構建各類液壓元件[3]。

2自動對接連接器液壓系統設計

2.1自動對接連接器執行機構模型

自動對接連接器主要應用于汽車、船舶、航空航天等工程機械領域，在工業信息化、集成化、自動化迅速發展的今天發揮著越來越重要的作用。圖1所示是一部自動對接連接器的執行機構。本文以其為研究對象，設計出一套相應的液壓系統，然后通過軟件仿真分析驗證系統的合理性。

自動對接系統總體包括自動對接機構與隨動系統以及臍帶連接器系統兩部分，而對接系統與隨動系統又主要包括執行系統、控制系統、懸掛系統及信號探測系統，主要實現地面連接器面板與箭體連接器面板的對接、隨動和分離等功能。其中執行機構采用3-PSS并聯機構，主要由底座支架、動平臺、定平臺框架、連桿(球鉸連接)以及3組液壓缸系統共同組成。3組液壓缸提供主要動力來源，實現水平位置的伸縮平動。而且該自動對接連接器采用位置信號檢測器檢測出箭體的位置，完成初步對接，然后依靠空間并聯機構的柔順效能實現連接器的主動柔順和被動柔順。

圖1　自動對接連接器執行機構

自動對接連接器液壓系統采用了空間位置閉環控制[4]，其特點如下：① 安裝位置傳感器，在3組液壓缸活塞桿的末端分別安裝位置傳感器，實時檢測液壓缸的伸出長度；② 安裝信號檢測系統，通過在定平臺上安裝信號檢測系統，檢測連接器與箭體的空間位置誤差，然后反饋到控制系統，及時產生一個信號響應；③ 安裝溢流閥，調定系統最高額定壓力，起到溢流保壓的作用，保護系統安全正常的運行。

2.2液壓系統設計及計算

執行機構與液壓站系統結合組成一套完整的液壓系統[5]，其原理圖如圖2所示。

1.油箱； 2.恒壓變量泵； 3.三相異步電機； 4.普通單向閥； 5.氣囊式蓄能量； 6.壓力表； 7、19.濾油器； 8、9、10.電液伺服閥； 11、13、15.雙作用單桿液壓缸； 12、14、16.位移傳感器； 17.溢流閥； 18.散熱器

圖2液壓系統原理

根據自動對接連接器的設計性能要求，3組液壓缸的工作行程為400 mm，且通過對執行機構的運動學仿真得到液壓缸活塞桿承受的工作負載[6]為6 500 N，最大伸縮速度0.4 m/s，初選系統工作壓力為6 MPa。且3組液壓缸內部的流量壓力基本保持一致，所以只計算一組液壓缸的情況。

2.2.1液壓缸參數確定

由負載和工作壓力可以得到液壓缸[7]無桿腔一側的有效工作面積

(1)

式中：A為無桿腔有效工作面積；F為系統負載；p為系統工作壓力；ηm為機械效率，取值0.9；D為液壓缸缸徑。

最后得到液壓缸缸徑D≈39.15 mm，圓整得D=40 mm。參考液壓工程手冊后，為了保證活塞桿的強度以及穩定性，取D=0.7d，可以得到活塞桿桿徑d=28 mm。

2.2.2液壓缸最大流量確定

已知液壓缸無桿腔的面積及活塞桿的最大移動速度，可以得到液壓缸的最大流量

(2)

式中：q為液壓缸流量；A為無桿腔有效工作面積；v為活塞桿最大移動速度；D為液壓缸缸徑。得到q=30 L/min。

2.2.3電液伺服閥的選取

在電液伺服系統中，作為將電氣信號轉換為液壓信號的接口元件，同時也是功率放大元件，因此不同類型電液伺服閥選取對液壓系統有著極其重要的作用。本文選取型號為D633、額定流量為40 L/min的MOOG伺服閥。

2.2.4液壓泵及驅動電機的確定

由于變量泵具有提高系統工作效率以及減少發熱和工作成本等優點，同時考慮到液壓系統自身流量多次發生變化的情況，選擇恒壓變量泵較為適宜。

為了驅動液壓泵正常工作，電機功率P應該滿足

(3)

式中：P為電機功率；ps為液壓泵最高工作壓力，ps=10 MPa；qp為泵實際輸出流量，qp=49.5 L/min；ηp為液壓泵效率，取值0.85。最后得到電機的功率P=5.8 kW。

3液壓模型的建立與仿真的運行

在AMESim平臺中建立該液壓系統模型，由于自動對接連接器中的3組液壓缸輸入輸出基本保持一致，故本文僅考慮一組液壓缸問題。

3.1建立模型

進入AMESim的草圖模式，在信號控制庫、機械庫以及液壓庫中選擇合適的元件建立起圖3所示的執行機構液壓系統仿真模型。

其中，超級元件7的內部結構如圖4所示。

其中，f(x)=1-0.05x2是一個以時鐘參數為變量的階躍函數，f(x,y)=x*y是一個乘積函數，輸出的信號與反饋信號進行運算，結果作為控制信號。

3.2選擇數學模型

在完成整個液壓模型的搭建后就進入子模型模式，給具有多個子模型的元件按照實際工況選擇合適的子模型。AMESim提供了優選子模型功能，既可以方便用戶快速的選擇各元件的子模型，同時也能夠簡化仿真的運算過程。

圖3　執行機構液壓系統仿真模型

圖4　超級元件

3.3設置各元件參數

開始仿真前，還需要在參數模式下對每個元件的數學模型進行參數設置，包括液壓環境、電機轉速、液壓泵流量、單向閥背壓、溢流閥調定壓力、蓄能器工作容積以及管道通徑等。部分元件的仿真主要參數設置見表1所示，其他值均選擇默認值。

表1　仿真參數設置

3.4開始仿真

完成參數設置后就可以進入仿真階段。仿真開始前，需要在運行模式下設置仿真時間、通訊間隔、運行類型、積分器類型以及仿真模式。設置仿真時間為100s，通訊間隔為0.01s，仿真模式為動態仿真。

系統所要達到的性能指標：在仿真時間內，動態跟蹤誤差不超過0.015m，穩態誤差不超過0.000 5m。

4仿真結果分析

整個仿真過程[8]對液壓缸活塞桿的伸出動作進行了分析研究，得到相關的壓力、位移以及動態跟蹤曲線，找到系統產生誤差的原因，在滿足系統實際工況的前提下調整控制參數減小動態跟蹤誤差[9]。

從圖5和圖6可以看到：① 油缸開始工作瞬間液壓沖擊較大，油口壓力出現了較大波動；② 系統工作結束后，進油口壓力14MPa大于了溢流閥的調定壓力8MPa；③ 液壓缸活塞桿在伸出過程結束后，由于控制信號沒有該表，因此伸出長度保持在0.4m；④ 出油口壓力相較于進油口波動幅度較大，且達到穩態的時間更長。

圖5　液壓缸活塞桿伸出進油口和出油口壓力

圖6　活塞桿位移

通過圖7能夠得到液壓缸活塞桿在伸出的過程中，實際位移曲線與期望值一直存在誤差。其差值曲線如圖8所示。

經過對上面曲線的分析可以看出：首先，系統的最終壓力穩定在一個超過溢流壓力的值，這對于液壓系統是極不安全的；其次，出油口的壓力未降低為零，造成較大的能量損失；最后，系統的控制信號不滿足動態跟蹤誤差，且穩態誤差也未達到預定的目標。針對上述存在的問題，對液壓系統結構[10]、液壓元器件參數、油路連接路徑等逐漸檢查，發現系統回油路上的過濾器和散熱器都存在2.1MPa的壓降，這對系統的工作壓力產生較大的影響。換向閥到油箱的油路之間存在較大的背壓，而且超級元件里階躍函數信號的系數設置不合理，對反饋控制產生不利影響。

圖7　液壓缸活塞桿期望輸出與實際輸出值

圖8　實際位移與期望位移差值曲線

考慮到伺服系統的響應能力主要由執行元件與負載的動態限制，即決定于液壓系統的固有頻率ωh和阻尼比δh，要提高響應速度就需要提高固有頻率和阻尼比。而且液壓缸死區油量越大，油液可壓縮性越明顯，系統越不穩定。基于上述特征，對相關元器件的參數進行修改：降低液壓缸死區容積，將默認的50cm3改為10cm3，增大過濾器和散熱器的孔徑，由5mm改為10mm，提高最大流量系數到10；在超級元件中，降低階躍信號的幅值，同時提高放大器增益值。

完成參數修改后，得到液壓系統相對應的仿真曲線如圖9～圖11。

圖9　改進后液壓缸活塞桿伸出進出油口壓力

圖10　改進后活塞桿位移

圖11　改進后實際位移與期望位移差值曲線

圖9表明改進后的系統最終穩定在溢流壓力8MPa，保證了系統的安全性，從圖10可以看出相比于原始系統，改進后活塞位移曲線更加平滑，有利于系統的穩定工作，圖11直觀地顯示了系統動態誤差0.001 37m，小于設定值，穩態誤差0.000 48m也低于設定的初始值。說明系統動態誤差和穩態誤差均在許可范圍。

5結論

本文利用AMESim平臺對自動對接連接器液壓系統進行了一系列建模仿真，通過仿真可以看出：①AMESim模塊化的建模方式簡化了建模過程，可以讓用戶更加直觀地了解所建模型；② 文中搭建的液壓模型屬于閉環式位置反饋系統，有很好的控制精度；③ 利用AMESim軟件建模仿真，重點在于元器件參數的設置，尤其是管道特性、壓縮特性等；④ 對比仿真曲線圖能夠及時地發現系統的存在問題并進行改進。

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(責任編輯唐定國)

Research of Hydraulic System of Automatic Butt-Joint Connector for Carrier Booster

ZHANG Xin1, LI Zhi-gang1, XU Hua2, HE Qing2

(1.School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2.Shanghai Institute of Aerospace System Engineering, Shanghai 201108, China)

Abstract:The automatic butt-joint connector for carrier booster is mainly applied to the process of the refueling before the launch of the rockets. Taking system of the automatic butt-joint connector as the research project, we set up relevant model of it in the environment of AMESim and initialized settings of related parameters. Aiming at the kinetic process of the piston rods in the hydraulic cylinders, we got the indexes of flow and pressure at the holes of hydraulic cylinders after proceeding simulation at the virtual model of the hydraulic system and figured out the working state of the hydraulic system. The result of simulation shows: the speed of responding of the system is fast after optimization and the proceed of the motion is steady, and the hydraulic system can fulfill the demand of performance in the field of practical engineering, and it lays a foundation for the subsequent optimized design of the entire hydraulic system.

Key words:the automatic butt-joint connector; modeling and simulation; hydraulic system: AMESim

文章編號：1006-0707(2016)03-0146-05

中圖分類號：TJ768.2；TH137.7

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.035

作者簡介：張鑫(1991—)，男，碩士，主要從事機電液一體化研究。

收稿日期：2015-09-08；修回日期：2015-09-26

本文引用格式：張鑫,李志剛，徐華，等. 運載火箭自動對接連接器液壓系統研究[J].兵器裝備工程學報，2016(3):146-150.

【機械制造與檢測技術】