活動發射平臺大擺桿機械結構與液壓系統聯合仿真研究

張 平，黃彥文，高星斗，李 敏

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活動發射平臺大擺桿機械結構與液壓系統聯合仿真研究

張 平，黃彥文，高星斗，李 敏

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

大擺桿是活動發射平臺重要的組成部分，當擺桿快速擺開時，如果發生急停情況，將會對大擺桿液壓缸及其管路、大擺桿結構及安裝的連接器產生較大的沖擊載荷。基于ADAMS和AMESim聯合仿真的方法對活動發射平臺大擺桿的運動過程進行仿真，主要分析急停工況下大擺桿上不同位置的角速度和角加速度，為大擺桿的設計和試驗提供指導。

活動發射平臺；擺桿；聯合仿真

0 引 言

大擺桿是活動發射平臺的重要組成部分，在技術中心配合箭體安裝，承載加注管路、供氣管路和電纜等，在技術中心到發射中心的垂直運輸途中保持連接器、供氣管路及電纜狀態不變，在發射中心臨射前帶動脫落的連接器及管路擺開，為火箭起飛讓出安全通道。

大擺桿所承擔的工作是其他任何設備所不能代替的，特別是在臨近發射前的短暫時間內，所有人員、車輛都已撤離發射場，只有擺桿矗立在發射場，支撐著有關的電纜及管道與火箭相連。因此，大擺桿對火箭發射的成敗有極其重要的影響，其工作必須保證絕對安全可靠。

當大擺桿接近火箭時，不能與火箭相碰撞，當要求其離開火箭時，必須保證準時按要求的速度、距離離開，不能有任何差錯，否則后果不堪設想[1]。為確保大擺桿性能滿足使用要求，在設計過程中，需要開展一系列的計算、仿真和試驗工作。

大擺桿系統是集機電液一體化的大型機械系統，對其進行動力學研究涉及機械、液壓及電控等領域的耦合，在建立模型時必須充分考慮機械及液壓系統之間的耦合效應，建立完整的閉環模型，從而提高分析精度，真正滿足工程需求[2,3]。

1 仿真工況及建模過程

1.1 仿真工況

大擺桿在工作中存在主動急停和故障急停工況。主動急停用于在技術中心某一角度擺開和擺回時、在發射中心慢速擺開和擺回時遇到異常情況需要將擺桿止動；故障急停則是由于大擺桿系統液壓、電控、結構部分出現故障而發生的急停情況。

當擺桿快速擺開時，如果發生急停情況，將會對大擺桿液壓缸及其管路、大擺桿結構及安裝的連接器產生較大的沖擊載荷。通過仿真，可獲取大擺桿系統在急停工況下的加速度，為大擺桿結構強度的校核提供輸入；可獲取不同液壓系統方案下的大擺桿動態響應結果，為優化液壓系統方案設計提供依據；同時，可對大擺桿樣機的各種試驗工況結果進行預示，優化傳感器布置方案，節約試驗成本。

本文對活動發射平臺大擺桿的急停工況進行仿真研究，包括大擺桿液壓系統中的電磁換向閥斷電和流量閥斷電兩種狀態。

1.2 建模過程

1.2.1 機械系統建模

在ADAMS軟件中建立大擺桿的機械系統模型，主要包括擺桿、主軸、齒輪、齒條、活塞桿和缸筒，如圖1所示。

圖1 機械系統模型

圖2 總體坐標系示意

連接關系如下：擺桿與主軸固接，齒輪與主軸固接，主軸與大地用轉動副約束，齒輪與齒條之間建立齒輪副，活塞桿與齒條固接，活塞桿與缸筒之間用滑動副約束。

活塞桿與缸筒之間創建作用力，其值從AMESim液壓系統模型中獲取；創建狀態變量測量活塞桿與缸筒間的位移、速度和擺桿擺動角度。

考慮擺桿的柔性，利用ANSYS軟件生成模態中性文件，導入ADAMS后的模型如圖3所示[4]。

圖3 大擺桿柔性體模型

1.2.2 液壓系統建模

在AEMSim中建立液壓系統模型。急停工況模型如圖4所示。電磁換向閥和流量閥斷電由信號源模塊輸出的信號實現[5,6]。

圖4 急停工況模型

1.2.3 聯合仿真模型

急停工況的聯合仿真模型如圖5所示[7,8]。

圖5 急停工況聯合仿真模型

2 仿真參數設定

機械系統主要仿真參數為大擺桿桿系、管路、電纜、連接器和連接器支架等機械結構的質量特性參數，按實際狀態輸入軟件中；液壓系統參數根據設計的流量參數輸入到軟件中，一般為流量隨時間變化的曲線。

通過AMESim軟件中信號庫里的相關模塊，實現液壓系統電磁換向閥斷電和比例流量閥斷電2種急停工況的模擬。

3 仿真結果

對急停工況下的仿真結果進行分析，重點關注大擺桿不同位置（如圖6中A、B、C、D點位置）的角速度和角加速度。

圖6 大擺桿關注位置點

3.1 電磁換向閥斷電

電磁換向閥斷電時，角速度和角加速度仿真結果（以D點為例）分別如圖7、圖8所示。在=15 s時，電磁換向閥斷電。

圖7 角速度曲線

圖8 角加速度曲線

3.2 流量閥斷電

流量閥斷電時，角速度和角加速度仿真結果（以D點為例）分別如圖9、圖10所示。在=15 s時，流量閥斷電。

圖9 角速度曲線

圖10 角加速度曲線

4 結 論

活動發射平臺大擺桿結構與液壓系統聯合仿真涉及機械系統模型簡化、液壓系統建模，以及機械、液壓系統仿真參數的合理選取。

柔性體模型中C、D兩點因靠近擺桿末端，急停工況時角加速度值較大，B點接近擺桿質心位置，仿真結果與采用純剛體模型仿真結果接近。在結構強度分析時，可采用柔性體模型B點仿真結果。

在條件允許的前提下可針對大擺桿試驗狀態進行仿真分析，在試驗系統中布置相應的傳感器，將仿真結果與試驗數據進行對比，并根據試驗數據不斷完善仿真模型。

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Research of Mechanical Structure and Hydraulic System Co-simulation of Cable Moving Truss on Mobile Launching Platform

Zhang Ping, Huang Yan-wen, Gao Xing-dou, Li Min

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

Cable moving truss was an important part of mobile launch platform. If the truss stops suddenly in rapid moving process, there will be great shock load on cylinders, pipelines, structures and connectors. Moving process of mobile launch platform cable moving truss was simulated based on the method of ADAMS and AMESim co-simulation. Under emergency stop conditions, angular velocity and acceleration in different positions of cable moving truss was analyzed. This study supported the design and test of cable moving truss.

Mobile launch platform; Cable moving truss; Co-simulation

1004-7182(2016)03-0033-03

10.7654/j.issn.1004-7182.20160308

V553.1

A

2015-08-24；

2015-12-04

張 平（1982-），男，高級工程師，主要研究方向為發射總體技術