閥控反后坐裝置設計與仿真研究

徐新奇，韓曉明，李 強，梁興旺

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

傳統的火炮反后坐裝置是通過結構來預定制退機后坐流液孔的變化規律獲得預期的液壓阻力和后坐阻力。但由于不同環境、條件等因素的影響，實際的后坐阻力一般達不到預期結果，出現比預期更高的后坐阻力峰值，當射擊工況改變時后坐阻力曲線產生變化，這不僅對火炮炮架等架體的受力不利，而且也影響到了火炮射擊穩定性和射擊精度[1-2]。本文根據火炮反后坐裝置的作用原理,設計了閥控反后坐裝置結構，并采用AMESim軟件仿真[3-4]，研究和伺服閥開口大小對火炮后坐阻力的影響，為火炮反后坐裝置的結構設計提供理論參考。

1 閥控反后坐裝置

在傳統火炮結構中，火炮后坐時，制退桿在炮膛合力的作用下擠壓工作腔的液體，使液體一部分沿節制桿與制退活塞之間的環形流液孔進入非工作腔；一部分沿節制桿與制退桿內腔的環形間隙進入復進工作腔[5]。但在火炮結構不變的情況下，后坐阻力曲線發生偏差，無法調節和減小火炮后坐阻力。

針對以上問題，在制退機工作腔末端并聯一個如圖1所示的閥控反后坐裝置結構，通過伺服閥輔助調節制退工作腔的部分液體轉入非工作腔。復進時，伺服閥關閉，復進機構自行回復。為仿真方便，不考慮復進運動。閥控反后坐裝置中，通過調節伺服閥的開口大小，調節液體的流量實現火炮反后坐裝置后坐阻力峰值可調，降低后坐阻力對設計精度的影響。

1.制退活塞；2.節制桿；3.制退桿；4.伺服閥

火炮后坐過程中，后坐反應時間很短，因此想要通過伺服閥控制制退機得到預期后坐阻力，需選擇響應速度較快的直動式電液伺服閥[6]。伺服閥結構如圖2所示，當伺服閥工作時，控制器中的控制信號輸入伺服閥，比例電磁鐵3通電產生推力帶動閥芯2運動，使制退機中的液體從油口A、B進出，調節制退機的液壓阻力大小。

1.閥體；2.閥芯；3.比例電磁鐵；4.位移傳感器；5.集成放大器；6.USB接口；7.總線接口；8.主插頭

火炮后坐時，制退桿在炮膛合力的作用下后坐運動，制退桿上的位移傳感器測得后坐位移信號反饋給控制器，控制器將信號處理后輸出控制信號進入伺服閥，控制伺服閥的閥芯運動，調節閥開口大小，以此調節制退機后坐阻力?？刂圃砣鐖D3所示。

圖3 閥控反后坐裝置控制原理

2 閥控反后坐裝置仿真分析

2.1 建立仿真模型

采用AMESim軟件對伺服閥建模[7-8]，伺服閥模型如圖4所示，由以下幾個部分組成。伺服閥工作時，比例電磁鐵4通電帶動閥芯運動，伺服閥油口打開，制退機中一部分液體有A油口進入，B油口流出，進入制退機非工作腔。

1.彈簧緩沖模塊；2.閥套模塊；3.閥芯質量模塊；4.比例電磁鐵

按照節制桿式制退機結構，每個部分在AMESim模型中一一對應進行等效變換[9-10]，閥控反后坐裝置AMESim仿真模型如圖5所示。

1.液壓屬性標志；2.炮膛合力；3.力發生器；4.制退桿部分質量；5.位移傳感器；6.制退桿工作腔；7.節制桿工作腔；8.節制桿直徑-位移曲線；9.飽和信號；10.活塞流液孔面積函數；11.可變流液孔；12.控制器；13.延時裝置

圖5 閥控反后坐裝置仿真模型

2.2 仿真結果分析

1) 伺服閥開度對后坐阻力的影響

閥控反后坐裝置中，伺服閥作為系統的輔助調節裝置?；鹋诤笞鴷r，控制器接受位移傳感器傳來的位移信號，輸出電壓信號控制伺服閥開口流量。制退機工作腔部分液體通過伺服閥流入非工作腔，以此減小制退機的液壓阻力。

為驗證伺服閥能否達到預期效果，分別取伺服閥開口為0%、20%、40%、60%、80%、100%，并進行仿真，如圖6所示。

由圖6可知，開始時伺服閥開口越大，后坐阻力峰值越小，曲線達到平穩狀態的位移越小。但位移達到一定值后，后坐阻力開始增大，再次出現峰值，且遠超過平穩狀態時的后坐阻力值。說明伺服閥開度并非越大越好，也并非越小越好，適當調節伺服閥開度大小可以減小火炮后坐阻力。

針對上述伺服閥開口固定時無法獲得理想的后坐阻力，在此采用可隨后坐位移變化的伺服閥開度大小。由于選取的伺服閥結構中，流量與電壓呈線性關系，其理想控制信號值如圖7所示。

圖6 不同開口時后坐阻力曲線

圖7 控制信號曲線

輸入理想控制信號開始對制退機進行仿真，并將其結果與無閥時對比，如圖8所示。

由圖8可知，有伺服閥控制制退機調節工作時，后坐阻力峰值明顯比無伺服閥時減小約40 000 N，且后坐阻力達到峰值后在一段較長的位移過程中比較平穩，接近理想后坐阻力。對比仿真結果說明在火炮后坐過程中，可以通過伺服閥結構調節伺服閥開口大小，有效控制火炮反后坐裝置的后坐阻力。

圖8 有、無閥時后坐阻力曲線

2) 延遲時間對后坐阻力的影響

在實際控制中，火炮后坐時間很短，且變化極大，而伺服閥本身控制時有一定的延遲時間，往往無法實時精確控制，容易造成火炮毀傷。為此考慮控制閥延遲時間對后坐阻力的影響，在采用理想控制曲線的基礎上，取延遲時間為5 ms、10 ms進行仿真分析，如圖9所示。

圖9 不同延時的后坐阻力曲線

對比圖9中的不同曲線可知，延遲時間越長，后坐阻力峰值越大，伺服閥控制效果越小，越難得到理想的后坐阻力。

3 結論

1) 基本不用自設數學公式，能減少數學建模誤差；

2) 在節制桿反后坐裝置中并聯加入伺服閥，高靈敏度、高頻響調節伺服閥開口大小達到實時調節制退機工作腔的流量，減小火炮后坐阻力，達到火炮變后坐控制；

3) 控制閥的延遲時間會導致伺服閥無法最大程度減小后坐阻力、控制后坐阻力。