多級液壓缸換級緩沖仿真方法研究

王增全，鞏軍亮，張濤華，徐振賢，白 靜

多級液壓缸換級緩沖仿真方法研究

王增全1，鞏軍亮2，張濤華1，徐振賢1，白 靜1

（1. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076；2. 中國人民解放軍96111部隊，韓城，715400）

某型號在作戰(zhàn)流程中，導(dǎo)彈完成快速起豎后需將發(fā)射架快速回收到位，發(fā)射架起豎、下放時間及過程中的沖擊響應(yīng)對型號的作戰(zhàn)準(zhǔn)備時間及發(fā)射安全性有重要影響，多級起豎液壓缸在發(fā)射架快速回收過程換級時會產(chǎn)生較大的沖擊振動，為解決這一問題，液壓缸在換級時研制了節(jié)流緩沖裝置。針對此技術(shù)開展仿真方法研究，對液壓系統(tǒng)起豎回路及緩沖裝置進(jìn)行了理論分析，基于某型號多級起豎液壓缸建立機(jī)械液壓聯(lián)合仿真模型，通過與試驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了該仿真方法的正確性，對控制流程優(yōu)化和液壓系統(tǒng)緩沖參數(shù)的確定具有指導(dǎo)作用。

節(jié)流緩沖；多級液壓缸；仿真分析

0 引 言

多級液壓缸因其結(jié)構(gòu)緊湊，在有限的安裝空間內(nèi)可實現(xiàn)比單級液壓缸更長的行程，從而得到了越來越廣泛的運(yùn)用。多級液壓缸在驅(qū)動負(fù)載時，各級缸筒的依次伸出或收縮是通過缸筒間的相互碰撞來實現(xiàn)機(jī)械限位，因此在液壓缸換級過程中經(jīng)常會產(chǎn)生較大的沖擊。要保證多級液壓缸運(yùn)動的快速性和平穩(wěn)性，提高多級液壓缸的運(yùn)動性能，必須在液壓缸換級時增加緩沖裝置緩解沖擊。

某型號發(fā)射車作戰(zhàn)流程中，導(dǎo)彈起豎完畢后，需要將發(fā)射架回收后進(jìn)行發(fā)射，因此要求發(fā)射架能夠在盡量短的時間內(nèi)回收到位且過程中動作平穩(wěn)。因此該型號多級液壓缸各級缸筒在起豎和下放過程末端均設(shè)計了緩沖裝置，來提高起豎和回收過程的平穩(wěn)性。本文基于某型號多級液壓缸對起豎液壓系統(tǒng)起豎回路及液壓缸換級緩沖等效方式進(jìn)行研究，基于AMESim建立了該型號起豎液壓系統(tǒng)仿真模型，對發(fā)射架起豎、下放過程進(jìn)行仿真研究，通過與試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了此分析方法的正確性，對控制流程優(yōu)化和液壓系統(tǒng)緩沖參數(shù)的確定起到了指導(dǎo)作用。

1 液壓系統(tǒng)緩沖理論分析

式（2）為液壓系統(tǒng)容腔節(jié)點(diǎn)的壓力，式（3）為液壓構(gòu)件的流量，將式（2）、式（3）聯(lián)立，然后結(jié)合其它容腔節(jié)點(diǎn)公式及其它液壓構(gòu)件的流量方程即可對起豎液壓系統(tǒng)中各位置的壓力變化進(jìn)行研究。

2 多級液壓缸緩沖阻尼等效方式

2.1 緩沖方式介紹

缸筒與缸筒之間的緩沖阻尼是通過各級缸筒上的節(jié)流圈與阻尼套的配合產(chǎn)生的。阻尼套末端是沿某一曲率變化的楔形面，節(jié)流圈隨缸筒一起運(yùn)動，當(dāng)缸筒運(yùn)動接近末端時，節(jié)流圈與阻尼套的配合間隙變小，缸筒運(yùn)動到末端時，節(jié)流圈與阻尼套的配合間隙達(dá)到最小，在回油腔建立起一定的背壓，減輕各級缸筒之間的碰撞。

2.2 緩沖阻尼等效方法

軟件中沒有具體的節(jié)流圈結(jié)構(gòu)形式，因此將節(jié)流圈簡化為薄壁小孔的形式，本文將節(jié)流圈等效為薄壁小孔后，根據(jù)各級缸筒的相對位移量來控制薄壁小孔的通流面積來模擬節(jié)流圈的阻尼作用。薄壁小孔開度等效原則為：在相同流量下，油液流過節(jié)流圈后兩端的壓差與流過薄壁小孔后兩端的壓差相等，依此來等效出薄壁小孔的通流面積。薄壁小孔形式及控制方式如圖2所示。

圖1 節(jié)流圈等效節(jié)流仿真模型

計算流經(jīng)節(jié)流圈內(nèi)環(huán)面積的流量，根據(jù)節(jié)流圈與阻尼套的配合形式，該環(huán)形流屬于最大偏心環(huán)形縫隙流，流量計算公式

計算等效薄壁小孔的流量，流經(jīng)薄壁小孔的流量公式為

通過式（4）~（7）可計算出不同流量下薄壁小孔的等效通流面積。

各級缸筒伸出或到位時通過控制阻尼孔的開度來模擬節(jié)流圈與阻尼套的配合關(guān)系，某一級的阻尼孔開度控制曲線如圖2所示，軟件中阻尼孔的開度由節(jié)流面積與阻尼孔開度因子來控制。

圖2 軟件中阻尼孔開度控制曲線

3 仿真方法驗證

3.1 多級液壓缸仿真模型的建立

軟件中沒有現(xiàn)成的多級液壓缸模型，根據(jù)多級液壓缸工作原理，可將其分解為若干個相互連通的單級液壓缸的組合，如圖3所示。圖3中虛線相連的兩個物體在實際中是一個物體。

圖3 多級液壓缸分解為多個單級液壓缸

結(jié)合多級液壓缸緩沖等效方式及多級液壓缸的簡化形式建立某型號液壓系統(tǒng)起豎回路仿真模型，見圖4。

圖4中平衡閥用于平衡發(fā)射架起豎時的重力，當(dāng)發(fā)射架的重力方向與起豎液壓缸運(yùn)動方向一致時，將起豎液壓缸回油腔壓力升高，使起豎液壓缸不會在發(fā)射架的重力作用下運(yùn)動失控；在系統(tǒng)停止供油時，該閥的正反腔油口將起豎液壓缸的正反腔鎖住，使發(fā)射筒能在任意位置停留。

圖4中接口模塊功能為將液壓系統(tǒng)各級油缸的輸出力傳遞給機(jī)械系統(tǒng)，并將測得的機(jī)械系統(tǒng)各級油缸的位移、速度變量以及起豎角度傳遞給液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)不同軟件之間的聯(lián)合仿真。

圖4 某型號液壓系統(tǒng)起豎回路仿真模型示意

3.2 仿真與試驗結(jié)果對比分析

圖5為發(fā)射架起豎過程液壓系統(tǒng)正反腔壓力仿真與試驗變化曲線。圖5中顯示，正腔壓力變化曲線，仿真數(shù)據(jù)最大值為約9.3 MPa，試驗數(shù)據(jù)最大值為9.75 MPa左右，均出現(xiàn)在一級缸筒到位時刻，正腔壓力在數(shù)值大小及變化趨勢上均能夠吻合；反腔壓力變化曲線，仿真數(shù)據(jù)波動最大值為9.75 MPa左右，試驗數(shù)據(jù)最大值為8.25 MPa左右，仿真數(shù)據(jù)在液壓缸換級處波動范圍稍大于試驗數(shù)據(jù)，仿真數(shù)據(jù)在變化趨勢上與試驗數(shù)據(jù)趨勢能夠吻合。

圖5 起豎過程液壓系統(tǒng)正、反腔壓力曲線

圖6為發(fā)射架回收過程液壓系統(tǒng)正反腔壓力仿真與試驗變化曲線。圖6中顯示，正腔壓力仿真數(shù)據(jù)最大值為10.05 MPa左右，試驗數(shù)據(jù)正腔壓力最大值為9.75 MPa左右，均出現(xiàn)在一級缸筒到位時刻，正腔壓力在數(shù)值大小及變化趨勢上均能夠吻合；反腔壓力變化曲線，仿真數(shù)據(jù)波動最大值為12.0 MPa左右，試驗數(shù)據(jù)最大值為11.25 MPa左右，仿真數(shù)據(jù)在液壓缸換級處波動范圍稍大于試驗數(shù)據(jù)，仿真數(shù)據(jù)在變化趨勢上與試驗數(shù)據(jù)趨勢能夠吻合。

圖6 回收過程液壓系統(tǒng)正、反腔壓力曲線

仿真與試驗誤差分析：某型號平衡閥為外購產(chǎn)品無具體參數(shù)，因此在仿真過程中借用其它型號平衡閥參數(shù)并進(jìn)行相應(yīng)修正，可能引入誤差；試驗中比例流量閥的反應(yīng)時間通過控制流量變化來體現(xiàn)，且忽略換向閥的反應(yīng)時間，對仿真引入了誤差；仿真中動力學(xué)模型簡化為剛體可能引入誤差。

從圖6可以看出，仿真結(jié)果在變化趨勢、數(shù)值大小等方面都得到試驗驗證，說明本文提出的過程仿真分析方法的正確性，驗證了仿真模型的有效性。

此次仿真為機(jī)械-液壓聯(lián)合仿真，上述重點(diǎn)介紹了液壓部分的仿真建模，圖7為機(jī)械-液壓聯(lián)合仿真得到起豎部分質(zhì)心垂向加速度振動情況，圖中現(xiàn)顯示增加緩沖裝置后加速度波動處峰值減小。

圖7 發(fā)射架質(zhì)心垂向加速度時域曲線

4 結(jié)束語

本文在對液壓系統(tǒng)緩沖理論分析的基礎(chǔ)上，將多級液壓缸緩沖以外接阻尼孔的形式代替，給出了對應(yīng)的流量關(guān)系式，對研究起豎液壓系統(tǒng)增加緩沖裝置后壓力變化有指導(dǎo)作用。

針對某型號起豎液壓缸換級緩沖進(jìn)行了等效方式研究，建立了某型號起豎液壓系統(tǒng)多級液壓缸仿真模型，結(jié)合該型號試驗測試結(jié)果驗證了分析方法和建立的模型的正確性，對起豎和控制流程優(yōu)化和液壓系統(tǒng)緩沖裝置設(shè)計具有指導(dǎo)作用。

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Research of Simulation Method about the Throttle Cushion Technique with Multi-stage Cylinder

Wang Zeng-quan1, Gong Jun-liang2, Zhang Tao-hua1, Xu Zhen-xian1, Bai Jing1

（1.Beijing Institude of Space Launch Techology, Beijing, 100076; 2. Unit 96111 of PLA, Hancheng, 715400)

In the operational sequence of some Launching Platform, the emit frame will be retracted when missile erected. The emit frame retract time and shock response is very important for the time of operational preparation and hit precision. Aiming at the problem of large impact when changing leveling of the erecting hydraulic system of multi-stage cylinder, the throttle cushion technique has been adopted by some launching platform in the process of retracting with multi-stage cylinder. Scientific research is made on throttle cushion technique by computer simulation. The erecting hydraulic system and the mode equivalent of throttle cushion is researched by theory analysis. Compared the simulation results with the experiment results, we can prove that the methods of simulation is correct, which has instructive function for control processes optimization and control tactic of erecting hydraulic system.

throttle cushion; multi-stage cylinder; simulation method

TP391.9

A

1004-7182(2020)02-0083-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20200217

王增全（1986-），男，工程師，主要研究方向為機(jī)電液一體化系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)。

鞏軍亮（1982-），男，工程師，主要研究方向為發(fā)射工程技術(shù)。

張濤華（1983-），男，高級工程師，主要研究方向為發(fā)射工程技術(shù)。

徐振賢（1978-），男，高級工程師，主要研究方向為發(fā)射總體技術(shù)。

白 靜（1977-），女，高級工程師，主要研究方向為發(fā)射技術(shù)。

2018-09-25；

2020-02-21