基于AMESim的筒蓋系統(tǒng)建模與特性分析

吳立柱，張建宇

(1.中國船舶重工集團第七一三研究所，河南鄭州 450015；2.河南省水下智能裝備重點實驗室，河南鄭州 450015)

基于AMESim的筒蓋系統(tǒng)建模與特性分析

吳立柱1,2，張建宇1,2

(1.中國船舶重工集團第七一三研究所，河南鄭州 450015；2.河南省水下智能裝備重點實驗室，河南鄭州 450015)

筒蓋系統(tǒng)的機械機構和液壓系統(tǒng)的設計直接影響到潛載導彈的戰(zhàn)術指標，開蓋時間和開蓋角度是筒蓋系統(tǒng)的主要開蓋特性。本文通過數(shù)值模擬揭示了筒蓋系統(tǒng)的關鍵參數(shù)對開蓋特性的影響規(guī)律，利用AMESim軟件建立筒蓋系統(tǒng)的仿真模型，得出電機轉速、液壓泵排量、溢流閥壓力、筒蓋質量、油缸行程等關鍵參數(shù)對開蓋特性的影響規(guī)律，研究結果表明：液壓系統(tǒng)允許的最大流量決定了筒蓋系統(tǒng)的開蓋時間，開蓋過程中承受的負載受筒蓋的重力和比例調速閥形成的背壓共同決定，油缸的行程對開蓋角度起到?jīng)Q定性作用，比例調速閥的額定流量與控制策略共同決定液壓系統(tǒng)的最大流量。

筒蓋系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)；仿真分析；開蓋特性；AMESim

0 引言

筒蓋系統(tǒng)是潛載導彈的重要組成部分，潛艇在水面和水下航行時，筒蓋系統(tǒng)與發(fā)射筒組成的貯存導彈的密閉容器，保證發(fā)射筒上部分的水密性和導彈承受深水水壓能力；同時，潛艇在發(fā)射狀態(tài)時，筒蓋系統(tǒng)的迅速開蓋功能能夠為導彈的發(fā)射提供順利的通道；導彈發(fā)射后，井蓋迅速關閉，恢復初始狀態(tài)；潛艇在停靠碼頭時，筒蓋系統(tǒng)的開關蓋功能可以用來提供導彈的裝填及發(fā)射裝置的維護和保養(yǎng)[1]。

筒蓋系統(tǒng)的開蓋特性主要包括開蓋時間和開蓋角度，這2個特性參數(shù)是水下發(fā)射裝置的重要戰(zhàn)術指標，尤其是筒蓋系統(tǒng)的開蓋時間，直接影響到導彈武器系統(tǒng)快速反應能力，決定了導彈武器系統(tǒng)的射前準備時間、連射間隔時間等重要戰(zhàn)技指標，因此筒蓋快速、穩(wěn)定開啟技術成為筒蓋系統(tǒng)的一個主要技術發(fā)展方向。

本文在AMESim環(huán)境下建立筒蓋系統(tǒng)仿真模型，研究筒蓋液壓系統(tǒng)關鍵因素對開蓋特性參數(shù)的影響規(guī)律，得出影響開蓋特性的關鍵因素及其影響機理，為筒蓋系統(tǒng)電磁、機械、液力方面的綜合優(yōu)化提供指導，從而保證筒蓋液壓系統(tǒng)滿足艇上使用指標的前提下，開蓋時間、開蓋角度特性參數(shù)滿足設計要求，最終為筒蓋系統(tǒng)快速、穩(wěn)定開蓋的優(yōu)化設計提供理論指導與技術支撐。

1 筒蓋系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 筒蓋系統(tǒng)工作原理

筒蓋系統(tǒng)結構如圖1所示，主要包括筒蓋機械部分、開關蓋油缸和液壓系統(tǒng)組成，筒蓋的開關采用油缸側向驅動力，筒蓋的機械部分安裝筒蓋基座和油缸基座。油缸活塞桿完全收回狀態(tài)下筒蓋處于關蓋狀態(tài)；油缸活塞桿伸出，筒蓋打開，直至筒蓋旋轉到限位機構，筒蓋完成開蓋動作。開蓋角度是指筒蓋在關蓋狀態(tài)到完全開蓋狀態(tài)過程中筒蓋旋轉的角度，在這個過程中所需要的試驗為開蓋時間。

1.2 液壓系統(tǒng)原理

筒蓋系統(tǒng)的開關蓋采用油缸驅動的方式，油缸連接液壓系統(tǒng)，其液壓系統(tǒng)原理簡圖如圖2所示。開蓋過程的速度控制通過液壓系統(tǒng)的回油節(jié)流調速來實現(xiàn)[2]，在液壓回路設計比例調速閥，通過調節(jié)回油流量來調節(jié)油缸運行速度，從而控制筒蓋在開蓋過程的穩(wěn)定性，采取回油節(jié)流調速的優(yōu)勢有以下兩點：

1）筒蓋開蓋過程中，當開蓋角度超過90°時，由于重力作用，油缸負載方向突然變化，回油節(jié)流調速使回路回油腔有一定背壓，減小筒蓋震動，增加緩沖效果，使筒蓋運行速度平穩(wěn)；

2）回油節(jié)流調速回路中，油液經(jīng)節(jié)流閥發(fā)熱后直接回油箱冷卻，對液壓系統(tǒng)泄漏量影響較小。

比例調速閥通過電流驅動信號來實現(xiàn)對流量的控制，電流驅動信號控制比例調速閥電磁閥閥芯的運動過程分為3個階段（見圖3）。

1）流量提升階段A：比例調速閥電信號在3s內從0 V提升到18 V，此過程中井蓋加速開蓋，最終開蓋角度大約為27°。

2）流量平穩(wěn)階段B：比例調速閥維持18 V電信號4s，此過程中井蓋平穩(wěn)開蓋，最終開蓋角度大約為68°。

3）流量降低階段C：比例調速閥電信號在3 s內從18 V降低到0 V，此過程中井蓋開蓋速度降低，通過流量節(jié)流增加開蓋過程中背壓，以減緩開蓋到位過程中對機械擋塊的撞擊。

2 仿真模型

筒蓋系統(tǒng)是集電場、磁場、機械運動和流場于一體的復雜系統(tǒng)，各種物理場通過各自的控制方程及相互作用變量耦合在一起，每個場的參數(shù)都會直接或間接的影響最終的開蓋角度及開蓋穩(wěn)定性。

單純的實驗研究難以實現(xiàn)對開蓋特性的深入分析，需采用數(shù)值仿真的方法，以揭示影響開蓋特性的本質規(guī)律。因此，本文在AMESim[3]環(huán)境中建立了數(shù)值模型，如圖4所示，筒蓋系統(tǒng)特性參數(shù)如表1所示，通過仿真得出油缸位移曲線、開蓋角度、比例調速閥流量曲線分別如圖5、圖6和圖7所示。

表1 筒蓋系統(tǒng)特性參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of cylinder cover system

3 開關蓋特性參數(shù)分析

在筒蓋系統(tǒng)機械結構固定的情況下，筒蓋系統(tǒng)的特性參數(shù)開關蓋時間和開蓋角度主要受以下液壓系統(tǒng)的壓力和流量影響，液壓系統(tǒng)的壓力影響著油缸輸出力的大小，從而影響開關蓋的最終角度，液壓系統(tǒng)的流量決定著開關蓋的時間。本文研究了影響液壓系統(tǒng)壓力和流量的幾個因素：電機轉速、液壓泵排量、溢流閥壓力、筒蓋質量、油缸行程、比例調速閥額定流量。

3.1 電機轉速

由圖8可知，開蓋時間隨電機轉速增加而減小，當電機轉速在2 000 r/m in以上時，開蓋時間最快可達3.5 s，此時轉速繼續(xù)增加，開蓋時間不再縮短。這是因為電機轉速越大，液壓泵站單位時間內提供的流量越大，油缸運行的速度越快，開蓋時間越短。但電機的轉速超過一定值，液壓泵站提供的流量超過了液壓系統(tǒng)中允許最大流量時，開蓋時間不再縮短。

3.2 液壓泵排量

由圖9可知，開蓋時間隨液壓泵排量的增加而減小，當電機轉速在200 r/m in以上時，開蓋時間最快可達3.5 s，此時轉速繼續(xù)增加，開蓋時間不再縮短。其原理同3.1電機轉速對開蓋特性的影響相同，液壓泵的排量越大，液壓泵站單位時間內提供的流量越大所導致。

3.3 溢流閥壓力

由圖10可知，在系統(tǒng)壓力能夠滿足負載的前提下，開蓋時間與角度在91°以前隨溢流閥的壓力增加沒有任何變化，當開蓋角度超過91°以后，在相同的時間內，溢流閥壓力越高，開蓋角度越大，但角度相差較小。

這是因為在開蓋過程中起始階段筒蓋的重力起到主要負載的作用；在開蓋角度超過91°后，比例調速閥的背壓起到主要負載作用；所以在背壓形成的負載增加時，低壓的溢流壓力，會使部分流量通過溢流閥流回油箱，降低了油缸運行速度，從而開蓋速度減小。

3.4 筒蓋質量

由圖11可知，在溢流閥壓力8MPa的情況下，隨筒蓋質量對開蓋角度和時間影響微小。在相同時間內，筒蓋質量越大，筒蓋的打開角度略小，是因為筒蓋質量越大，在筒蓋開啟的瞬間筒蓋的加速度越小，從而角速度越小導致。

3.5 油缸行程

由圖12可知，在油缸與筒蓋安裝位置和調速閥控制策略一定的情況下，油缸的行程決定了筒蓋的最終開蓋角度，開蓋角度隨油缸行程的增加而增大，但油缸行程超過0.35m后，開蓋角度不再增加，如果開蓋角度仍需要增加，則需要綜合考略油缸行程與比例調速閥的控制策略。

3.6 比例調速閥額定流量

由圖13可知，在相同時間內，開蓋角度隨比例調速閥額定流量的增加而增大，但比例調速閥的額定流量超過70 L/m in時，開蓋角度不再增加。這是因為在液壓系統(tǒng)允許的最大流量和比例調速閥控制策略一定的情況下，調速閥的額定流量決定了整個液壓系統(tǒng)運行過程中流量的大小，額定流量越大，相同閥芯開度，系統(tǒng)的流量越大，油缸的行程越大，筒蓋開蓋角度越大。當額定流量大于70 L/m in時，整個工作時間內，調速閥的流通截面大于液壓系統(tǒng)最大流量所需要的流通截面，所以額定流量增加系統(tǒng)的流量不再增加，開蓋角度也不再增加。

4 結語

通過AMESim仿真軟件的平面機械結構建立筒蓋系統(tǒng)的機械結構、液壓系統(tǒng)、電氣控制的仿真模型。

筒蓋系統(tǒng)模型的建立為筒蓋系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)及控制策略的設計提供一定指導性作用。

通過對特性參數(shù)研究表明：

1）液壓系統(tǒng)的允許的最大流量決定了筒蓋系統(tǒng)的開蓋時間；在小于系統(tǒng)最大流量的范圍內，流量越大，開蓋時間越短；

2）開蓋角度在91°之前筒蓋的重力起到主要負載的作用；在開蓋角度超過91°后，比例調速閥的背壓起到主要負載作用；

3）油缸與筒蓋的相對位置及比例調速閥的控制策略一定的情況下，油缸行程小于0.35m時，油缸的行程決定了開蓋角度；

4）比例調速閥的額定流量與控制策略共同決定液壓系統(tǒng)的最大流量，控制策略一定情況下，比例調調速閥額定大于70 L/m in后開蓋時間和角度變化微小。

[1]倪火才.潛地彈道導彈發(fā)射裝置構造[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,1998.

[2]李志紅.出口節(jié)流調速系統(tǒng)負載變化對液壓缸壓力的影響[D].長沙:湖南農(nóng)業(yè)大學,2003

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

The cover system model and characteristic analysis Based on AMESim

WU Li-zhu1,2,ZHANG Jian-yu1,2
(1.The 713Research Institute of CSIC,Zhengzhou 450015,China;2.The Underwater Intelligent Equipment Laboratory of Henan Province,Zhengzhou 450015,China)

The design of mechanical structure and hydraulic system of cover system directly affects the tactical index of the submarine to ground guided missile launcher,the opening time an angle are the main features of the cover system.In This paper,the influence regulation of the critical parameters of the cover system on the opening characteristics is revealed by numerical simulation,the simulation model cover system was established in AMESim environment,the effects of motor speed,pump displacement,overflow valve pressure,cover quality,cylinder stroke and other critical parameters on the opening characteristics were obationed.The results show that,the maximum flow allowed by the hydraulic system determines the opening time of the cover system,the load under the opening process is determined by the gravity of the cover and the back pressure formed by the proportional speed control valve,the stroke of the route of cylinder plays a decisive function in opening angle,the proportional speed control valve and control strategy decide the maximum flow of hydraulic system together.

the covers system；hydraulic system；simulation analysis；opening characteristics；AMESim

TJ76

A

1672–7649(2017)12–0158–05

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.033

2017–09–06

吳立柱(1975–)，男，高級工程師，主要研究方向為潛載導彈。