某自行火炮輸彈機液壓-控制系統故障仿真研究

馮廣斌, 陸繼山, 孫華剛, 張云峰

(軍械工程學院 軍械技術研究所,石家莊　050003)

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某自行火炮輸彈機液壓-控制系統故障仿真研究

馮廣斌, 陸繼山, 孫華剛, 張云峰

(軍械工程學院 軍械技術研究所,石家莊050003)

摘要：分析了輸彈機液壓傳動系統電機轉動異常和電磁閥失靈、液壓系統泄漏等典型故障產生的原因，利用Matlab/Simulink、RecurDyn、AMESim軟件建立了輸彈機機電液一體化聯合仿真平臺，對典型故障進行了聯合仿真分析，得出了故障影響規律，并提出了相關改進措施。

關鍵詞：輸彈機；Matlab/Simulink；RecurDyn；AMESim；故障仿真

輸彈機是一種由液壓-控制系統驅動機械系統進行工作的裝置。液壓-控制系統作為輸彈機的重要動力源泉，對整個輸彈動作起到極為重要的作用。電機轉動異常、液壓系統漏液和電磁閥失靈是輸彈機在使用過程中液壓-控制系統常見的幾類典型故障，這些故障的發生往往會使得輸彈機機械系統的動作不能在確定的時間節點順利完成，直接導致輸彈不到位或輸彈停止[1-5]。本文擬利用動力學仿真軟件RecurDyn與控制系統仿真軟件Matlab/Simulink、液壓系統仿真軟件AMESim建立輸彈機機電液一體化聯合仿真模型，對這幾類典型故障進行仿真分析，從中得出故障影響規律，并提出減小故障發生率的相關措施。

1故障原因

輸彈機液壓傳動系統驅動電機轉動異常故障主要有幾個方面的原因[6-9]:① 當供電電壓不穩定時導致驅動力矩不能始終滿足電機所需輸出轉矩的要求，使得電機轉速忽快忽慢不能趨于穩定；② 由于油液泄漏或溫度濕度變化的影響造成電機內線路破損導致漏電或通電不順暢致使電機轉速不穩；③ 由于輸彈機的機械構件卡滯造成阻力矩急劇變大導致電機轉速不斷變小。電磁閥失靈主要是由于元件制造工藝不夠高等原因導致其抗震能力降低所致，當輸彈機在持續行軍或連續工作過程中受到車體顛簸碰撞或自振等因素影響時，導致電磁閥靈敏度下降甚至失效。輸彈機配流盤磨損及液壓馬達磨損則會導致液壓系統漏液，進而使得系統壓力供應不足，導致輸彈不到位或者輸彈失敗。

2輸彈機剛體動力學分析及求解

輸彈機的基本工作原理是在液壓驅動力的作用下利用輸彈鏈頭將協調器傳送過來的彈丸推送至火炮的炮膛待發射位置。單從輸彈機機械系統動力學分析的角度出發，將輸彈機剛性化處理后，應用剛體動力學單自由度等效法對輸彈機進行動力學分析[10-13]。機械部分所有元件的慣性特性和所受負載等效到液壓馬達軸上，形成一等效轉動慣量和一等效負載力矩，可以推算出等效轉動慣量Je的表達式：

(1)

式中：vsj為第j個構件的質心速度；Jj為第j個構件的轉動慣量；ωj為第j個構件的角速度；ω為等效構件的角速度，n為活動構件總數。

等效力矩Me為：

(2)

式中:Je為等效轉動慣量；φ為轉角；Me為等效力矩，Me=Md-Mr；Md為驅動力矩，Mr為阻力矩。

根據式(1)、(2)，利用數值方法可以求得輸彈鏈輪的速度隨時間變化的規律。

3輸彈機聯合仿真模型的建立及驗證

AMESim、RecurDyn和Simulink這三款軟件是液壓系統、機械系統和控制系統仿真領域廣泛使用且運算速度較快的仿真軟件[14-17]，本文將利用AMESim、RecurDyn和Simulink建立聯合仿真平臺對輸彈機機電液一體化聯合仿真模型進行仿真分析，分析結果輸出以RecurDyn軟件Plot模塊作為顯示主屏，并利用實驗數據對輸出結果進行驗證，力求得出準確合理的輸彈機聯合仿真模型。

3.1一體化聯合仿真平臺的建立

3.1.1AMESim軟件與RecurDyn軟件之間的接口

首先在RecurDyn軟件中通過添加約束副和運動副建立機械系統虛擬樣機模型，并通過動態校核和靜態校核驗證樣機模型的正確性，然后在RcurDyn/Communicator/Hydraulic中對Hydraulic Inputs行創建并定義相關表達式，定義Hydraulic outputs，具體做法是在Hydraulic/outputs菜單中定義輸出接口以及相關名稱，然后對每一個確定的元素創建輸出表達式，同時定義ID。建立輸入輸出接口之后，也即完成了兩個軟件之間聯合仿真接口的創建，然后在AMESim軟件中建立液壓系統模型，通過軟件接口進行連接，創建聯合仿真環境。然后進行聯合仿真：首先運行AMESim軟件，在AMESim軟件正常運行后，對RecurDyn軟件中的模型進行仿真，通過RecurDyn軟件中的Plot觀察輸出曲線變化情況。

3.1.2RecurDyn軟件與MATLAB/Simulink軟件之間的接口

在RecurDyn軟件中建立正確的輸彈機機械系統虛擬樣機模型后，通過RcurDyn/Communicator/Control中對plant inputs 和plant outputs進行輸入和輸出的定義和創建，輸入和輸出的對象一般是速度、位移和加速度等。然后通過Communicator/Control/CoSim輸出相應的M文件，在MATLAB中打開M文件并運行，同時在命令窗口輸入radlib命令，再運行Simulink軟件，創建控制框圖。先在Simulink中運行聯合仿真，待聯合仿真成功后，可以運行RcurDyn在Plot中查看仿真結果。

3.1.3聯合仿真平臺

將RecurDyn軟件作為中間主屏，并分別與AMESim軟件MATLAB/Simulink軟件通過接口進行聯結就實現了各軟件之間數據的互聯互通，建立聯合仿真平臺。

3.2聯合仿真模型的建立

將輸彈機的三維模型導入RecurDyn軟件，通過約束與載荷的添加及虛擬樣機校核等步驟建立其動力學仿真模型如圖1所示。同時在AMESim軟件和MATLAB/Simulink軟件中建立液壓-控制系統仿真模型，仿真模型結構框圖如圖2所示，將所建立的模型導入聯合仿真平臺中即可建立輸彈機機電液一體化聯合仿真模型。

圖1　輸彈機虛擬樣機模型Fig.1 The virtual prototype model of automatic feeding machine

圖2　液壓-控制系統原理框圖Fig.2 The structure of the hydraulic control system

3.3聯合仿真模型的驗證

選擇實驗數據為在火炮射角為45°，火炮位于水平面上且處于靜止狀態的工作狀況下進行試驗所得到的實驗數據作為校核參考值，對輸彈機仿真模型仿真計算的角度選擇也為45°，且整個系統均處于水平面上的靜止狀態下進行動力學仿真分析。可以得出彈丸在輸彈機中運動的各個階段速度變化情況的實驗結果和仿真結果對比曲線，從圖3中可以明顯的看出，兩者的取值范圍非常接近。即所建立的聯合仿真模型具有較高的精度，可用于故障仿真研究。

圖3　彈丸速度變化曲線Fig.3 The projectile velocity contrast

4液壓-控制系統典型故障仿真研究

4.1故障判別準則

在研究液壓-控制系統典型故障之前，應該首先確定輸彈機發生故障的具體判別準則。根據輸彈機的工作特點以及工作要求，一般把輸彈機輸送的彈丸不能到達指定位置這一現象作為輸彈機出現故障的主要特征和表現形式來判別輸彈機工作過程中是否為故障狀態。在研究過程中，只要彈丸能夠被輸送到目標位置，即使輸送過程中輸彈鏈條或彈丸速度、受力等出現較大波動，還是可以將其視為正常狀態。

4.2電機轉動異常故障仿真分析

利用故障注入技術建立電機轉動故障模型，主要通過設置其轉速變化改變轉矩的方法改變信號輸入的強度和頻率。電機正常模型和故障模型對應的參數如表1、表2所示。其中表1所列出的參數表示正常值及額定輸出值。表2所給出的參數范圍表示相關的故障參數可以在這一范圍內浮動變化，其數值的輸出變化是不規則的動態變化。

表1　 電機正常模型參數

表2電機故障模型參數

Tab.2 The abnormal parameters of motor

通過參數設置和計算可以發現，當輸入功率大于或小于額定功率并在一定的區間范圍內發生變化時，輸入電壓、電流、轉速等相關參數也會在一定的區間內發生相應的變化，進而可以計算并確定電機轉速異常的故障仿真模型。通過不斷的仿真實驗和計算發現故障發生的輸入電壓最小和最大臨界點27 V、36 V，在電機從正常值逐漸變化至這兩個電壓模式下，分別對模型進行聯合仿真分析得出小鏈輪運動過程中受力、速度變化情況故障仿真結果與正常結果的對比曲線如圖4、圖5所示。

圖4　13號鏈輪受摩擦力變化曲線(虛線表正常值，實線表故障值)Fig.4 The stress changes of 13th sprocket

圖4中反映的是當電壓從正常值逐漸變小到臨界點最小值時13號鏈輪所受摩擦力變化的情況。在正常情況下，13號鏈輪在0.5 s和0.7 s分別達到受力峰值，這是小鏈輪與大鏈輪脫離接觸轉換到輸彈槽時受到兩次沖擊力所致；而在電機故障時，由于液壓泵受電機故障影響不能提供穩定的輸出，導致沖擊力出現峰值的時間明顯滯后。

由于輸彈機的輸彈過程一般需要經歷先加速、再勻速、后減速的基本過程，在0～0.5 s之間，屬于輸彈鏈條的加速運動階段，0.5～0.8 s之間，屬于輸彈鏈條的勻速運動階段，0.8 s以后屬于輸彈鏈條的減速運動階段，在0.8 s以后，受到大鏈輪對輸彈鏈條的強力制動作用，13號鏈輪所受的摩擦力將變為0，而13號鏈輪由于受到慣性力作用其速度將出現一次較大波動，然后逐漸減為0。也能從圖4中觀察得出這一規律。

圖5　13號鏈輪速度變化曲線(虛線表正常值，實線表故障值)Fig.5 The speed changes of 13th sprocket

圖5顯示的是電機故障模式下當電壓從正常值逐漸變大到臨界點最大值時13號鏈輪速度變化情況，從圖中可以看出，在啟動階段，故障值速度變幅大于正常值的速度變幅，表明此時的故障轉矩大于正常轉矩，尤其在0.75 s和0.95 s時，鏈輪速度出現兩次較大的峰值，速度明顯大于正常值，無法達到精確輸彈的效果。

4.3電磁閥失靈故障仿真分析

電磁閥組在輸彈機液壓傳動系統中扮演著極為重要的角色，驅動電機輸出的驅動力矩需要經過電磁閥組的協調和控制合理的分配到每一個動力執行構件，電磁閥常常因為較強的振動沖擊等原因出現失靈甚至失效，在一體化仿真平臺下分別給電磁閥注入失靈(控制效率僅為正常值的1、2)和失效(控制率為0)故障，然后進行故障仿真分析，分別得出故障值與正常值的對比曲線如圖6、圖7所示。

圖6　內鏈板角速度變化曲線(虛線表正常值，實線表故障值)Fig.6 The voids changes of the within chain

從圖6中可以看出，正常狀態下，內鏈板的角速度在0.3 s左右達到穩定值，大小為70 rad/s，而在電磁閥失效時，在0～0.05 s之間內鏈板角速度出現較大的變幅，穩定時其穩定值為58 rad/s，這說明其速度達不到輸彈要求，可能導致輸彈失敗。

圖7　鏈板受力變化曲線(虛線表正常值，實線表故障值)Fig.7 The stress changes of the sprocket

圖7為電磁閥失效時內鏈板受力變化情況，由于驅動電機的驅動力矩此時不受控制，因此，內鏈板受到兩次較大的沖擊力，這種狀態很可能導致掉彈或卡彈的故障發生。

4.4液壓馬達泄漏故障仿真研究

液壓馬達是重要的能量轉換裝置，然而由于系統長期處在惡劣的環境中工作，常常會出現馬達磨損導致漏液的情況發生，對模型注入馬達漏液量的故障仿真因素，通過計算可以得出，泄漏量達到124 ml時，輸彈機的輸彈動作會出現明顯變化，其中正常狀態下和故障狀態下輸彈鏈頭在XYZ方向上的速度變化情況如圖8所示。

(a) 彈丸在X方向速度變化(b) 彈丸在Y方向速度變化(c) 彈丸在Z方向速度變化圖8 彈丸速度變化情況Fig.8Thespeedchangeofprojectile

從圖8可以看出，由于馬達內油液泄漏導致系統油液總量不斷變化，于是輸出力矩不能穩定且逐漸下降，導致輸彈鏈頭的速度變幅較大，大約在0.65 s時，輸彈停止。

4.5液壓泵配流盤磨損故障仿真研究

當液壓泵配流盤發生磨損時，常常導致輸出油量的損失和不足，通過配流盤端面面積大小與輸出液量的計算關系可以確定磨損量的大小與損失流量的計算關系，進而確定損失驅動力的大小。通過故障注入仿真實驗發現，當液壓泵流量損失達到90 ml時，輸彈機的彈丸無法被輸送到位，按損失流量可以計算得出此時的磨損量為1.1 mm。其中彈丸及鏈頭的相關速度變化如圖9、圖10所示。

圖9表示正常狀態下，輸彈機輸彈鏈頭和彈丸的運動速度變化情況，按照輸彈機的設計標準，彈丸速度不能低于3.2 m/s，顯然正常狀態下滿足這一條件。圖10則表示故障狀態下彈丸速度變化曲線，從圖中可以看出，彈丸的穩定速度大約在2.95 m/s左右，無法將彈丸輸送到位。

因此，在使用過程中出現液量不足導致輸彈不到位的情況時，可以檢查液壓泵配流盤端面磨損情況并對其進行檢修。

圖9　輸彈鏈頭及彈丸速度變化情況Fig.9 The speed change of projectile and chain head

圖10　磨損狀態彈丸速度變化情況 Fig.10 The speed change of projectile when hydraulic pump wear

5結論

通過對輸彈機機電液一體化聯合仿真模型故障仿真研究，可以得出以下結論及措施：

(1) 驅動電機轉動異常、液壓系統漏液和電磁閥失效是輸彈機液壓傳動系統常見的典型故障。

(2) 當驅動電機出現異常時，將會導致轉矩不能穩定輸出，造成在輸彈過程中彈丸受力變化幅值較大，姿態不穩，且速度偏小，可能導致輸彈故障或輸彈停止，可以通過更換輸出更穩定的電機或者檢查線路受損情況等進行糾正和解決。

(3) 當電磁閥失效時，會使得輸出力矩不受合理控制和分配，彈丸輸送過程中受力不均勻，致使輸彈不能到位。可以通過選擇抗震性能較好的電磁閥組或者增加相應的減震裝置來解決。

(4) 在使用過程中出現液量不足導致輸彈不到位的情況時，可以檢查液壓泵配流盤端面和液壓馬達磨損情況并對其進行檢修。

(5) 建立了正確的輸彈機機電液一體化仿真模型，可用于未來對輸彈機機械或液壓傳動系統的優化設計及深入研究提供參考。

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收稿日期：2015-04-24修改稿收到日期：2015-07-28

通信作者陸繼山 男，碩士生，1988年生

中圖分類號:TJ8

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.14.021

Failure simulation of the hydraulic control system of an automatic feeding machine

FENG Guang-bin, LU Ji-shan, SUN Hua-gang, ZHANG Yun-feng

(Ordnance Technical Institution, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract:The typical failure causes, such as the abnormalities of motor rotation, the cylinder leakage and the failure of solenoid were analyzed for the control system of a shell-conveyer. The software Matlab/Simulink and RecurDyn, AMESim were combinedly used to build an integrated platform. The three typical faults mentioned were analyzed, the regularity of the influencing factors of faults was concluded and improvement measures were put forward.

Key words:shell-conveyer; Matlab/Simulink; RecurDyn; AMESim; failure simulation

第一作者 馮廣斌 男，研究員，博士生導師，1965年生