基于ADAMS的機(jī)載導(dǎo)彈彈簧蓄能彈射機(jī)構(gòu)性能影響分析

王殿宇，侯 明，魏宇坤

(海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 航空軍械教研室， 山東 青島 266041)

目前我國機(jī)載導(dǎo)彈大部分采用燃?xì)馐綇椛溲b置，是典型的熱彈射裝置。它由拋放彈作為彈射裝置的驅(qū)動(dòng)能源，具有體積小、能量大、結(jié)構(gòu)較簡單、重復(fù)懸掛精度高等特點(diǎn)，而且技術(shù)上比較成熟[1]。但是熱彈射同時(shí)也存在很多缺點(diǎn)：污染環(huán)境，產(chǎn)生氣體高溫高壓易燒蝕機(jī)件；每次發(fā)射后需對(duì)掛鉤等部件清洗擦拭；日常維護(hù)危險(xiǎn)性高。另一種被廣泛采用的是以高壓氣瓶作為驅(qū)動(dòng)能源的彈射裝置。這種裝置的缺點(diǎn)是高壓氣瓶體積大、質(zhì)量大，充放氣時(shí)間長，不能滿足部隊(duì)快速反應(yīng)要求[2-3]。針對(duì)以上兩種彈射裝置的弊端，本研究提出了一種利用EHA(電靜液作動(dòng)器)壓縮彈簧來蓄能的新型彈射方案。電靜液作動(dòng)器(Electro-Hydrostatic Actuator，EHA)是一種將機(jī)械、電子、液壓三種技術(shù)集成一體的功率電傳裝置，它克服了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)泄漏高、噪音大、效率較低等長期存在的缺點(diǎn)，利用電纜代替液壓來傳遞功率，而不再需要沉重的液壓能源系統(tǒng)以及復(fù)雜的液壓管路。將EHA應(yīng)用于機(jī)載領(lǐng)域，不但可以有效地減輕載機(jī)的負(fù)重、節(jié)約成本，還能提高功率傳遞的效率，使載機(jī)具有更強(qiáng)的生存能力和作戰(zhàn)性能，并且有助于減輕地面人員的維護(hù)和保養(yǎng)負(fù)擔(dān)。故本文采用EHA作為彈簧的壓縮蓄能以及彈射桿回收的動(dòng)力源，并在此基礎(chǔ)之上，利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)其彈射機(jī)構(gòu)性能影響因素進(jìn)行分析。

1 總體設(shè)計(jì)方案

彈射裝置總體方案如圖1所示，其工作流程為：① 飛行員根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢，在投放前發(fā)出蓄能指令；② EHA作動(dòng)器工作，壓縮彈簧蓄能，當(dāng)彈簧被壓縮至預(yù)定位置時(shí)，相應(yīng)微動(dòng)開關(guān)(SW)閉合，蓄能停止，液壓缸保持一定壓力；③ 發(fā)出彈射投放指令；④ 電磁開鎖機(jī)構(gòu)產(chǎn)生開鎖力，使掛鉤組件與彈射組件的閉鎖裝置打開；⑤ 彈射止動(dòng)器的彈射桿在彈簧力作用下推動(dòng)導(dǎo)彈向下推出，導(dǎo)彈被投放；⑥ 彈射行程終止時(shí)，EHA作動(dòng)器換向工作，將彈射桿回收。

圖1 總體方案示意圖

2 關(guān)鍵模型構(gòu)建

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，首先利用三維CAD建模軟件SolidWorks構(gòu)建關(guān)鍵組件模型，并進(jìn)行整體裝配，如圖2。再將三維模型導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，并添加約束條件，使彈射機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定功能，如圖3所示。

圖2 彈射機(jī)構(gòu)總裝配體示意圖

圖3 ADAMS添加約束與載荷

3 彈射過程動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 初始設(shè)計(jì)參數(shù)下仿真結(jié)果分析

首先在初始設(shè)計(jì)參數(shù)下對(duì)彈射機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真[4]，影響動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的主要參數(shù)如表1所示。

表1 初始設(shè)計(jì)主要參數(shù)

為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，明確仿真目標(biāo)，不妨將仿真分為3個(gè)階段。第一階段為同步解鎖階段，即對(duì)掛鉤閉鎖機(jī)構(gòu)和同步解鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真；第二階段為彈射分離仿真階段，即對(duì)彈射桿和懸掛物進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真；第三階段為回收階段，即對(duì)回收過程中楔形塊卡鎖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。

3.2 彈射行程對(duì)彈射性能影響分析

根據(jù)理論計(jì)算，固定彈簧剛度系數(shù)k的值不變，更改彈簧壓縮量，即改變彈射行程，在100～170 mm之間均勻取8個(gè)彈射行程量，如圖4所示，利用ADAMS仿真運(yùn)算得到各行程的彈射速度-時(shí)間曲線，并將它們繪在同一張圖中，從圖4中可以觀察得到各彈射行程下的懸掛物分離速度，如表2所示。

圖4 不同彈射行程下彈射速度-時(shí)間曲線

序號(hào)彈射行程x/mm壓縮力F/N分離時(shí)間/s分離速度v/(m·s-1)110014 0800.0274.12211015 4880.0274.49312016 8960.0284.91413018 3040.0285.35514019 7120.0295.72615021 1200.0296.35716022 5280.0306.63817023 9360.0316.97

由上至下分別是彈射行程從小到大的彈射速度曲線。從圖表中可以觀察到，在固定彈簧剛度系數(shù)k的情況下，彈射行程越長，所需的壓縮力就越大，彈射的分離速度也就越大。當(dāng)彈射行程在120～170 mm之間時(shí)，彈射分離速度均在4.8～9 m/s，滿足技術(shù)要求；從圖中還可以看出，彈射分離時(shí)間在0.028～0.034 s，這表明相對(duì)于彈射行程的變化，由于彈射速度較大，彈射行程的改變對(duì)彈射分離時(shí)間的影響較小。

3.3 彈簧直徑對(duì)彈射性能影響分析

由于本文采用彈簧蓄能彈射，彈簧的直徑又會(huì)影響彈簧的剛度系數(shù)，彈射桿的直徑是由設(shè)計(jì)所選取的彈簧直徑來決定的。固定彈簧的材質(zhì)、線徑以及彈射行程，只改變彈簧的直徑和對(duì)應(yīng)的壓縮力，在ADAMS中進(jìn)行仿真分析，得到各彈射桿直徑下的彈射速度仿真曲線并將它們繪制在同一張圖中，如圖5所示，分離參數(shù)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖5 不同彈簧直徑下彈射速度-時(shí)間曲線

如圖5所示，由下至上分別是彈簧直徑從40 mm到80 mm的彈射速度曲線。從圖中可以觀察到，彈射桿直徑越小，彈簧剛度就越大，所需的預(yù)加載荷也越大，從而使分離速度更大。需要注意的是，與改變彈射行程不同，改變彈簧直徑對(duì)彈射分離時(shí)間影響較大，圖中5種彈簧直徑的彈射分離時(shí)間在0.018～0.043 s，分離速度在3.86 m/s到11.63 m/s，其中只有彈射桿直徑為50 mm和60 mm時(shí)的分離速度達(dá)到國軍標(biāo)分離速度要求。

表3 不同彈簧直徑對(duì)應(yīng)分離參數(shù)數(shù)據(jù)

3.4 彈射間隙對(duì)彈射性能影響分析

彈射桿下端與懸掛物之間不可能完全接觸，必定留有一定的間隙，從而會(huì)造成彈射有一定的延遲時(shí)間。前文彈射的運(yùn)動(dòng)仿真是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，并未考慮彈射桿與懸掛物之間的間隙。通過在ADAMS中移動(dòng)懸掛物的位置，就可以改變彈射桿與懸掛物之間的間隙，從而進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真得到不同的間隙對(duì)于彈射速度及加速度的影響。為了更明顯地觀察不同間隙下彈射分離響應(yīng)時(shí)間的變化，將仿真時(shí)間設(shè)置為0.05 s，得到各間隙下彈射速度及加速度曲線如圖6和圖7所示，由下至上6條曲線分別為從零間隙開始，以10 mm為間隔逐步增加到50 mm的曲線，得到分離參數(shù)數(shù)據(jù)如表4所示。

圖6 不同彈射間隙下彈射速度-時(shí)間曲線

由圖6、圖7可以看出，彈射桿與懸掛物的彈射間隙越大，損失的動(dòng)能就越大，同樣條件下分離速度以及分離加速度就越小。另外彈射間隙越大，彈射延遲就越大。由表4中分離參數(shù)可知，當(dāng)間隙小于30 mm時(shí)，分離速度可以達(dá)到4.8 m/s以上，符合國軍標(biāo)分離速度要求；若間隙大于30 mm則會(huì)影響彈射機(jī)構(gòu)的彈射性能，不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 不同彈射間隙下彈射加速度-時(shí)間曲線

序號(hào)彈射間隙/mm彈射延遲/ms分離速度/(m·s-1)分離加速度/(m·s-2)1006.36412.562100.55.86378.4232015.40356.064301.34.94317.215401.54.45303.126501.73.78270.53

3.5 懸掛物質(zhì)量對(duì)彈射性能影響分析

本研究設(shè)計(jì)的彈射機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用對(duì)象為SDB小直徑制導(dǎo)炸彈，其體積質(zhì)量較小，只有100 kg左右，故彈射分離需要的動(dòng)能較小。下面在ADAMS原模型的基礎(chǔ)上，只改變懸掛物的質(zhì)量設(shè)定，研究懸掛物質(zhì)量對(duì)分離速度及加速度的影響。

圖8和圖9中由下至上分別是懸掛物100 kg到400 kg的速度以及加速度曲線。從曲線和表5中可以觀察到，懸掛物質(zhì)量越大，所需的彈射動(dòng)能就越大，在同等條件下達(dá)到的分離速度以及最大加速度就越小，其中只有100 kg和200 kg的懸掛物的分離速度滿足國軍標(biāo)分離速度要求，表明本文設(shè)計(jì)參數(shù)下的彈射機(jī)構(gòu)適用于質(zhì)量較小的懸掛物的彈射。

圖8 不同質(zhì)量下懸掛物彈射速度-時(shí)間曲線

圖9 不同質(zhì)量下懸掛物彈射加速度-時(shí)間曲線

序號(hào)懸掛物質(zhì)量/kg分離時(shí)間/s分離速度/(m·s-1)最大加速度/(m·s-2)11000.0296.36451.222000.0394.92199.333000.0454.13142.544000.0543.76111.3

4 結(jié)論

當(dāng)彈射行程在120～170 mm，彈射桿直徑為50 mm或60 mm，彈射間隙小于30 mm，懸掛物質(zhì)量小于200 kg時(shí)，此彈射裝置可以滿足GJB1400—92號(hào)《機(jī)載導(dǎo)彈彈射式發(fā)射裝置通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》懸掛物分離的技術(shù)要求：“為保證導(dǎo)彈與載機(jī)安全分離，彈射行程的終點(diǎn)速度，即懸掛物與彈射裝置分離的速度應(yīng)控制在在4.8～9 m/s。”本文的研究與論證工作對(duì)于機(jī)載彈簧蓄能彈射裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化有著較大的參考價(jià)值。