某火炮藥協調器液壓系統聯合仿真研究

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(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

火炮藥協調器作為彈藥自動裝填中的一個重要組成部件，其功能是作為連接藥倉與輸藥器的紐帶，負責將接收到的模塊藥傳輸到炮尾后部，使藥軸線與炮膛軸線對齊。藥協調器由機械臂、液壓系統和電器控制系統組成，是一個典型的機電液系統[1]。作為協調器的動力來源，液壓系統的動態性能直接影響協調器的性能。

為了更好地對協調器液壓系統動態進行分析和設計優化，使之更加符合實際情況，本研究運用ADAMS與AMEsim軟件平臺對火炮藥協調器進行建模仿真，并對藥協調器的工作過程進行動態分析[2-6]。

1 火炮藥協調器的結構和工作原理

火炮藥協調器是火炮自動裝填系統的一個重要組成部分，負責將接受到的模塊藥協調到一定的角度后，再按預定軌跡擺動一定的角度，使模塊藥到達炮尾并與炮膛軸線同軸，再通過輸藥機將彈藥傳輸進炮膛。藥協調器由協調臂機構、擺動機構組成，利用液壓油缸的伸出與收回，實現協調臂與擺動臂的轉動。其中協調臂負責協調垂直方向，擺動裝置負責協調水平方向[7-8]。根據相關設計技術指標，利用Creo軟件建立了藥協調器的三維模型如圖1所示。

圖1 藥協調器模型

1.1 協調臂的結構和工作原理

為方便參數的標注，對協調臂進行簡化，協調臂的工作原理圖如圖2所示。協調臂與協調油缸通過轉動副與架體相連，協調臂在協調油缸的驅使下繞O點轉動，達到在垂直方向上協調的目的。設協調臂的質量為m，轉動慣量為J，油缸推力為F，x軸方向垂直于紙面向外，重力方向為z軸負方向，其他參數見圖2。

圖2 協調臂的工作原理

由牛頓第二定律得協調臂的動力學方程為：

(1)

那么協調油缸的負載為：

(2)

(3)

1.2 擺動裝置的結構和工作原理

在本文研究的藥協調器中，為使藥筒運動到炮尾而不發生干涉，藥筒的運動軌跡為拋物線。簡化的擺動裝置原理圖如圖3所示。擺動油缸通過轉動副與曲柄相連，曲柄另一端固連一滑塊，滑塊與搖桿相對滑動無相對轉動，搖桿下端通過一滾輪沿著曲線槽運動，上端連接藥筒。

油缸驅動曲柄轉動，曲柄通過滑塊使搖桿與曲柄以同樣的角速度轉動，因搖桿下端滾輪只能在固定的曲線槽運動，使得搖桿與滑塊相對平動，進而使藥筒以預定的拋物線軌跡運動。

圖3 擺動機構工作原理

以拋物線方程建立坐標系(x′,y′)，再以重力方向為-y軸，水平方向為x軸建立坐標系(x,y)，兩坐標系原點都與炮尾中心重合。在坐標系(x′,y′)下：

拋物線方程為：

y1=ax12+bx1

(4)

曲線槽軌跡方程為：

(5)

(6)

(7)

L0為藥筒中心(x1,y1)到搖桿滾輪(x2,y2)的距離；R為優化曲線引入的常數。

式(6)、(7)中：

其中(xA,yA)為曲柄旋轉中心A點的坐標。

2 火炮藥協調器的建模

2.1 建立藥協調器動力學模型

在三維軟件Creo中建立藥協調器的三維模型，保存為x_t或者stp等中間格式，然后導入ADAMS中，根據各個零部件的運動關系，搭建協調器虛擬樣機動力學模型。其中，搖桿下端滾輪與曲線槽添加接觸約束，為簡化模型計算，曲柄與搖桿的作用關系簡化為移動副約束。另外，軟件將自動計算各零部件的質量、質心和轉動慣量。這里因模塊藥在creo中建模時進行過配重處理，故所有部件直接采用材料steel處理即可。

分別在協調油缸和擺動油缸上添加驅動力F為(1 000+200×TIME)，運行仿真，檢查動力學模型建立無誤。

根據仿真試運行結果可以看出，協調器動力學模型建模正確，驅動力F在液壓缸活塞提供的平衡力附近，這為后面液壓系統建模參數提供參考。

2.2 建立藥協調器液壓系統模型

液壓系統在建模仿真時，根據仿真元件庫的情況和避免系統太過繁瑣，為了提高動態仿真的準確程度，現對液壓系統原理圖進行簡化，對仿真結果影響不大的環節進行一些適度的更改。其主要是由壓力源、溢流閥、比例閥、油缸、液壓鎖和PID控制器等組成。

基于藥協調器液壓原理圖，直接運用AMEsim中的液壓元件庫搭建的藥協調器機液聯合仿真液壓系統原理圖如圖4所示。

圖4 藥協調器機液聯合仿真液壓系統原理

2.3 建立協調器的聯合仿真模型

建立AMEsim與ADAMS的模型接口。研究的藥協調器中，動力學模型有較為復雜的曲線結構，而液壓系統模型相對簡單，若將ADAMS模型集成到AMEsim中求解，AMEsim求解器往往會遇到一些問題，難以求解，故選擇ADAMS作為主控程序的交互式仿真模式。在此模式中，將AMEsim模型導入ADAMS中求解，AMEsim子模型將作為ADAMS一個通用狀態方程(GSE)模塊，模型間通過動態鏈接庫進行通信。

在AMEsim中，創建接口模塊，將油缸的力作為輸入，傳遞到ADAMS中，將ADAMS中油缸伸長量和速度作為輸出，傳遞到AMEsim中。

在ADAMS中，分別建立兩個觀測量：油缸活塞的位移d和藥筒的轉角θ。然后，建立兩個狀態變量，填入前面建立觀測量。再分別定義輸出數組、輸入數組、狀態數組。在輸入數組中，填入狀態變量θ和d。

然后采用ADAMS中ARYVAL函數將驅動力F與輸出數組連接起來。

最后，創建狀態方程(GSE)模塊。設置與AMEsim模型生成的動態鏈接庫的鏈接，完成聯合仿真的接口設置。

3 仿真結果分析

經過以上準備工作，現進行聯合仿真。根據表提供的參數，進行液壓系統元器件參數設置。設置完畢后進入仿真模式。設置仿真時間1.5 s，間隔0.001 s，點擊仿真運行按鈕，啟動聯合仿真。在ADAMS中可實時查看系統運動情況。

3.1 協調仿真分析

根據設計指標，俯仰射角范圍θ=-3°～70°，協調臂的輸入信號為階躍信號，分別取不同的θ運行仿真，觀察結果。輸入信號為30°時的響應如圖5所示。

圖5 協調器射角30°時的響應

可看出在1 s內系統穩態誤差不足1 mil，系統沒有超調量，說明協調臂不會超過給定射角指令的位置，協調精度滿足設計要求。

3.2 擺入仿真分析

為了使擺動臂在凸輪槽里運動相對平穩，采用PID控制，目標信號為斜坡信號。擺入時擺動油缸AB腔壓力變化如圖6所示，藥筒轉角θ隨時間變化如圖7所示。啟動瞬間，AB腔壓力迅速增大，A腔壓力大于B腔，油缸負載為正。此時A腔壓力稍有震蕩，分析原因可能于初始時刻擺動臂凸輪在凸輪槽里的運動受力不穩定有關。約0.4 s后，A腔壓力小于B腔，約0.5 s后擺動油缸合力為負，此時機構重心在曲柄中心左側，油缸受到負負載作用。0.8 s后機構開始制動，此時伺服閥接近關閉，B腔受壓壓力增高，A腔壓力為零或是負壓。擺入動作結束后，伺服閥處于關閉狀態，液壓鎖將油缸AB腔鎖死，使藥筒能穩定可靠的停留在擺入末位。

圖6 擺入時擺動油缸AB腔壓力變化

圖7 擺入時藥筒轉角θ隨時間變化

3.3 擺出工況仿真分析

擺出工況與擺入類似，油缸負載先正后負。擺出時擺動油缸AB腔壓力變化如圖8所示，藥筒轉角θ隨時間變化如圖9所示。1.8 s時伺服閥反向開啟，此時液壓鎖打開，油缸A腔與回油管路連通，

圖8 擺出時擺動油缸AB腔壓力變化

壓力迅速下降。油缸B腔與壓力油路連通，壓力上升，使機構加速運動，隨之A腔因回油阻力壓力上升。在擺出過程中，隨著負載變化，B腔壓力逐漸降低，在2.3 s左右油缸合力變向。在2.6 s開始制動，A腔壓力增大，油缸合力始終保持在一個相對穩定的值。B腔壓力也增大且趨勢相對于A腔存在一定的滯后性，分析其原因可能是擺出與擺入的工況不相同，在受力狀況不好的擺入初位，制動過程相對較長，B腔壓力不會因負負載形成零壓或真空。

圖9 擺出時藥筒轉角θ隨時間變化

4 結束語

針對某型號火炮藥協調器，建立了火炮藥協調器液壓系統聯合仿真模型，深入分析了藥協調器的工作原理，對協調、擺動過程進行了仿真分析，仿真結果與實測相符，相關指標滿足理論設計要求。得到了相應的壓力與位移曲線。同時在此基礎上分析了擺動裝置在動作過程中存在的運動不平穩、壓力震蕩等情況，根據實際情況可采取相應措施，如優化PID控制輸入信號曲線、優化擺動曲線槽結構等，為藥協調器液壓系統進一步的改進和調試提供參考，具有一定實際意義。

[1] 侯寶林,樵軍謀,劉琮敏.火炮自動裝填[M].北京:兵器工業出版社, 2010.

[2] 王曉燕,陳龍淼,徐亞棟,等.基于ADAMS的自動裝填系統舉升機構液壓系統仿真與閉環控制[J].機床與液壓,2015(13):1001-3881.

[3] 袁亮.基于ADAMS和AMEsim的工程機械臂液壓控制系統聯合仿真研究[D].綿陽:西南科技大學,2016.

[4] 任錫義,液壓支架整體動態特性仿真分析[D].太原:太原理工大學,2010.

[5] 于方圓,高永,陳釗.起落架液壓收放系統建模與故障仿真[J].液壓與氣動,2013(4):45-48.

[6] 張安,張磊,鄧飚,等.雙向液壓鎖平衡回路穩定性分析及仿真[J].機床與液壓，2013(13):158-163.

[7] 田靈飛.某火炮自動供輸彈機液壓控制系統研究[D].南京:南京理工大學,2013.

[8] 石海軍,錢林方,徐亞棟,等.某火炮協調器多學科一體化設計優化[J].中國機械工程,2013(11):1459-1462.