基于Simcenter 3D & 1D對(duì)某車(chē)載雷達(dá)翻倒機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)

周晨龍 李奔亮 劉 軒

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068)

0 引言

車(chē)載雷達(dá)因其機(jī)動(dòng)性靈活性好、戰(zhàn)場(chǎng)生存率比高等優(yōu)點(diǎn)，已越來(lái)越多地應(yīng)用于我國(guó)的作戰(zhàn)裝備中。但多數(shù)車(chē)載雷達(dá)為了滿足工作時(shí)的作戰(zhàn)高度要求和運(yùn)輸狀態(tài)的限高要求，往往都會(huì)采用一套升降或翻倒機(jī)構(gòu)，使雷達(dá)在運(yùn)輸狀態(tài)降下或翻倒，而工作狀態(tài)時(shí)升起或豎起[5]。

某車(chē)載雷達(dá)翻倒機(jī)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱翻倒機(jī)構(gòu))是雷達(dá)天線座運(yùn)輸/工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)翻倒機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)天線座的翻倒/豎起，以滿足火炮車(chē)的工作和運(yùn)輸要求。本文著重從滿足功能要求、技術(shù)指標(biāo)及可行性等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并基于Simcenter 3D & 1D多學(xué)科聯(lián)合仿真軟件對(duì)相關(guān)參數(shù)及指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 主要功能及技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)翻倒機(jī)構(gòu)的翻倒/豎起動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線座在3 min內(nèi)的0～110°工作狀態(tài)和運(yùn)輸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

2 翻倒機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

翻倒機(jī)構(gòu)整體安裝于火炮托架上，受火炮托架尺寸限制，翻倒機(jī)構(gòu)內(nèi)部可用于安裝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的空間有限，同時(shí)，為了滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的要求，本文采用雙液壓缸驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線的翻轉(zhuǎn)。

該翻倒機(jī)構(gòu)主要由托架、翻轉(zhuǎn)板、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、速度傳感器及液壓控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中液壓傳動(dòng)系統(tǒng)為翻倒機(jī)構(gòu)的動(dòng)力系統(tǒng)，為翻倒機(jī)構(gòu)在翻到或豎起過(guò)程中提供動(dòng)力；液壓控制系統(tǒng)通過(guò)速度閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)或豎起過(guò)程中速度穩(wěn)定[4]。

圖1 翻倒機(jī)構(gòu)組成示意圖

翻倒機(jī)構(gòu)工作時(shí)，通過(guò)操作控制箱控制面板上的控制按鈕，控制系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)算，對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)控制指令，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)指令輸出動(dòng)力推動(dòng)翻轉(zhuǎn)板進(jìn)行0°～110°翻轉(zhuǎn)或110°～0°的豎起動(dòng)作；速度傳感器實(shí)時(shí)反饋速度信號(hào)，控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)板的速度控制。

同時(shí)，翻倒機(jī)構(gòu)也可以通過(guò)控制箱面板上的控制按鈕實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)板在任意角度翻轉(zhuǎn)、任意位置停止及到位自動(dòng)停止等動(dòng)作。翻轉(zhuǎn)板處于0°和110°狀態(tài)示意圖如圖2所示。

圖2 翻轉(zhuǎn)板處于110°和0°狀態(tài)示意圖

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1] [3]

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)為翻倒機(jī)構(gòu)的動(dòng)力系統(tǒng)，工作時(shí)推動(dòng)翻轉(zhuǎn)板進(jìn)行翻倒/豎起，主要由集成型電動(dòng)泵站、比例多路閥、手動(dòng)泵、平衡閥、液壓缸、搖桿、單向、濾油器及管路等組成，原理圖如圖3所示，其中集成型電動(dòng)泵站包括油箱和電動(dòng)泵；比例多路閥具有電動(dòng)和手動(dòng)功能，用于控制系統(tǒng)中液壓缸的伸縮動(dòng)作；手動(dòng)泵主要用于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)給液壓系統(tǒng)提供液壓油。

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖

工作時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)給液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力油，液壓油通過(guò)濾油器和單向閥組進(jìn)入比例多路閥，比例多路閥在控制系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)動(dòng)力油流速及方向的控制，液壓油通過(guò)比例多路閥及平衡閥后推動(dòng)液壓缸1和液壓缸2的推桿伸出或收縮，從而推動(dòng)天線座實(shí)現(xiàn)翻倒或豎起；當(dāng)翻倒機(jī)構(gòu)需要手動(dòng)操作時(shí)，通過(guò)搖動(dòng)手動(dòng)泵給液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力油，然后操作比例多路閥上的手柄可實(shí)現(xiàn)液壓缸1和液壓缸2的伸縮運(yùn)動(dòng)，從而可實(shí)現(xiàn)天線座的翻倒或豎起。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用兩個(gè)一級(jí)伸縮液壓缸并聯(lián)的連接形式，該形式一方面可使液壓缸實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)受力大小而交替工作，減小液壓缸的受力，降低系統(tǒng)的工作油壓，提高可靠性；另一方面，兩個(gè)液壓缸均安裝有平衡閥，降低了因液壓缸失效造成天線座的下墜的風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的安全性。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 翻倒機(jī)構(gòu)負(fù)載重力矩的計(jì)算

翻倒機(jī)構(gòu)的負(fù)載為翻轉(zhuǎn)板和天線座，在工作過(guò)程中需要克服二者產(chǎn)生的重力矩，實(shí)現(xiàn)翻倒/豎起。翻倒機(jī)構(gòu)的受力簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 天線座在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的受力簡(jiǎn)圖

由圖4可推出，翻轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的重力矩為

T0=-M·L·g·cos(θ+63°)

(1)

式(1)中：T0——重力矩，單位N·m；M——天線座及翻轉(zhuǎn)板總重量；g——重力加速度；L——天線座重心距翻轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)軸距離；θ——翻轉(zhuǎn)角度。

計(jì)算出負(fù)載的重力矩為

T0=-4790×cos(θ+63°)

(2)

其中負(fù)號(hào)代表為逆時(shí)針?lè)较颍?hào)為順時(shí)針?lè)较颉?/p>

2.2.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)計(jì)算

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮系統(tǒng)油壓和系統(tǒng)流量?jī)蓚€(gè)參數(shù)，在本方案中油壓決定著液壓缸1和液壓缸2的推力，液壓油的流量決定著液壓缸1和液壓缸2伸縮桿的伸縮速度，從而決定了負(fù)載的重量及翻轉(zhuǎn)時(shí)間。

根據(jù)托架內(nèi)腔空間的尺寸，確定出液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸

經(jīng)理論計(jì)算，系統(tǒng)的最高工作壓力為12.49 MPa，翻轉(zhuǎn)時(shí)間為1.5 min時(shí)系統(tǒng)的工作流量為Q=0.852 L/min。

3 液壓系統(tǒng)的仿真與分析

隨著近年來(lái)工業(yè)仿真軟件的不斷發(fā)展，多學(xué)科聯(lián)合仿真越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)中，將1D系統(tǒng)仿真與3D虛擬樣機(jī)建模結(jié)合起來(lái)進(jìn)行機(jī)電液一起化是當(dāng)前航空產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)和迫切需求，其發(fā)展和應(yīng)用方興未艾[6]。本文基于西門(mén)子公司的Simcenter 3D和AMESim多學(xué)科聯(lián)合仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，該軟件可以實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，即將液壓系統(tǒng)的1D模型與翻倒機(jī)構(gòu)的3D模型的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)交換，使仿真數(shù)據(jù)的可信度提高。

3.1 模型的搭建

本文的模型主要包括液壓系統(tǒng)1D模型的搭建和翻倒機(jī)構(gòu)3D模型的搭建，根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，基于AMESim軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行1D建模[2]，如圖5所示，對(duì)模型中的相關(guān)參數(shù)按照實(shí)際理論設(shè)計(jì)的數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，其中，翻轉(zhuǎn)板的翻轉(zhuǎn)角速度設(shè)定為翻轉(zhuǎn)板翻轉(zhuǎn)全行程(0°～110°)用時(shí)1.5min時(shí)的平均速度。

圖5 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)1D仿真模型

基于Simcenter 3D軟件仿真建模如圖6所示，其中，模型中天線的重量及重心位置與實(shí)際天線的保持一致，翻倒機(jī)構(gòu)的相關(guān)尺寸及參數(shù)與理論設(shè)計(jì)值保持一致。

圖6 翻倒機(jī)構(gòu)3D仿真模型

3.2 仿真分析

經(jīng)過(guò)仿真分析，得到翻轉(zhuǎn)和豎起過(guò)程中的仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8可以看出翻轉(zhuǎn)過(guò)程中系統(tǒng)壓力小于豎起過(guò)程中的系統(tǒng)壓力，而翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的系統(tǒng)流量大于豎起過(guò)程中的系統(tǒng)流量，翻轉(zhuǎn)和豎起過(guò)程中系統(tǒng)的最大工作壓力約為12 MPa，最大工作流量約為0.8 L/min；兩個(gè)液壓缸為交替工作，即液壓缸1工作結(jié)束后液壓缸2開(kāi)始工作；同時(shí)，可以看出為滿足翻轉(zhuǎn)板翻倒或豎起過(guò)程中角速度的恒定，控制系統(tǒng)根據(jù)角度傳感器數(shù)據(jù)反饋，控制比例閥的開(kāi)度大小[4]，使兩個(gè)液壓缸在伸縮過(guò)程中系統(tǒng)壓力和流量均隨著翻轉(zhuǎn)角度的變化而變化。

圖7 翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的仿真結(jié)果

圖8 豎起過(guò)程中的仿真結(jié)果

結(jié)合上文對(duì)液壓系統(tǒng)、液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸及翻倒機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)相關(guān)計(jì)算，仿真分析的數(shù)據(jù)與理論設(shè)計(jì)基本吻合，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某車(chē)載雷達(dá)翻倒機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，同時(shí)應(yīng)用仿真軟件Simcenter3D和AMESim軟件對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，滿足設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，該翻倒機(jī)構(gòu)已經(jīng)過(guò)實(shí)際樣機(jī)驗(yàn)證，相關(guān)參數(shù)均與理論設(shè)計(jì)及仿真分析吻合，取得了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。