無桿式氣缸彈射特性研究與仿真

張建宇，劉科，程棟，李易松

(1.中國船舶集團有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.河南省水下智能裝備重點實驗室，河南 鄭州 450015)

0 引言

無桿式氣缸作為氣動元件廣泛應用于機械傳輸[1]、機械手臂[2]、車門啟閉[3]等領域，氣缸長度略大于活塞的行程，具有結構緊湊，有效行程長的特點。無桿式氣缸作為彈射動力，可有效縮短發射裝置的軸向空間，提高了發射平臺靈活、機動的作戰能力。同時能夠實現彈射負載外置，具有通用性強、快速響應、好保障的優勢，與傳統發射裝置相比，降低了熱防護、承壓、氣密等方面的設計要求。

目前，國內在彈射領域已經對無桿式氣缸在設計及試驗等方面進行了研究。姚琳等[4]對無桿式氣缸彈射裝置的內彈道進行了仿真與優化設計，建立了真實氣體效應的無桿式氣缸彈射裝置內彈道模型，獲得了導彈彈射過程中熱力學參數與導彈運動參數的變化規律。同時，姚琳等[5]對高速無桿氣缸作動器密封圈潤滑性能進行了分析，提出直線滑動密封“臨界速度”概念，分析作動器密封圈潤滑性能，建立密封圈潤滑狀態二維高效分析模型，在全速范圍內，對“臨界速度”進行初步定位，并揭示預壓縮量、唇角和溫度對潤滑性能的影響機理。杜堯等[6]對開口缸氣動彈射裝置進行了動力學分析與優化，基于工程熱力學、流量方程等理論，建立開口缸氣動彈射內彈道模型。完成了開口缸氣動彈射裝置的結構輕量化設計，對開口缸氣動彈射裝置綜合性能開展仿真研宄，并通過試驗驗證了設計的合理性。

綜合上述研究，本文針對無桿式氣缸的結構參數等對彈射特性的影響開展進一步分析，首先在AMESim 環境下建立無桿式氣缸的仿真模型，對模型的空載運行特性進行預測，最后分析了氣缸關鍵因素等對彈射特性的影響規律。為無桿式氣缸在彈射領域的設計及應用提供理論指導。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

無桿式氣缸主要由缸筒、活塞、密封帶、推力滑塊、緩沖器等結構組成。其中推力滑塊固定在活塞上，缸筒縱向開槽，為推力滑塊向前運行提供導向和通道。活塞上部開設斜槽，為密封帶提供通道，同時活塞尾部能夠將密封帶壓緊至缸筒開槽處，實現密封功能。緩沖器為氣液2 級緩沖結構，第1 級緩沖為液壓缸內液壓油液經過節流阻尼孔實現初步緩沖，第2 級緩沖為流過節流孔的油液推動氣動活塞壓縮空氣，實現二次緩沖。無桿式氣缸的結構如圖1 所示。

圖1 無桿式氣缸結構原理圖Fig.1 Structure principle of rod-less cylinder

1.2 工作原理

其主要工作原理如下：恒定壓力的高壓空氣從氣缸的進氣口進入，密封帶、活塞尾端及缸筒形成的密閉空間（初始容積）迅速建壓，在一定壓力的空氣作用下，活塞和推力滑塊推動彈射負載以一定的速度向前運行，缸筒內的空氣通過泄壓孔及時排除，降低彈射過程中背壓，當活塞與緩沖器接觸后，活塞被緩沖減速，彈射負載繼續向前運行，完成彈射工作。

2 仿真模型

本文利用AMESim 軟件建立無桿式氣缸仿真模型，仿真模型如圖2 所示。根據設計尺寸對其配置相應的結構參數，仿真模型的參數如表1 所示，在建模過程中需假設和考慮以下因素：

表1 仿真模型參數Tab.1 Parameters of simulation model

圖2 無桿式氣缸仿真模型Fig.2 Simulation model of rod-less cylinder

1）將空氣視為理想氣體；

2）忽略氣體在氣缸缸筒內流動過程的變化及熱量損失；

3）忽略氣體溫度對缸內壓力的影響；

4）忽略氣動緩沖活塞的重量；

5）考慮氣體和液壓的摩擦效應及容積效應；

6）考慮系統中機械運動件（如活塞與緩沖器）的彈性碰撞過程；

7）考慮系統中運動件泄漏（如活塞和缸筒以及緩沖器內液壓缸的泄漏）對系統特性影響，設置氣/液體泄漏模塊。

氣缸內通入恒定壓力為0.5 MPa 氣源，氣缸活塞與密封帶之間預留運動間隙，氣缸活塞在運行5 m 行程后接觸緩沖器開始緩沖。從仿真結果可看出，活塞和負載在活塞接觸到緩沖器之前的速度相同，最大速度可達14 m/s，在接觸緩沖器之后，負載以最大速度繼續運行，活塞速度明顯下降，緩沖效果良好。

3 彈射特性分析

在氣缸主尺寸一定的情況下，不同的氣源壓力、氣缸密封及緩沖結構及彈射負載都會對負載的彈射特性及氣缸活塞的緩沖性能產生影響，本文針對無桿式氣缸的氣源輸入壓力、密封間隙、緩沖行程、負載重量4 個關鍵參數的變化對彈射特性的影響規律展開分析。

圖3 無桿式氣缸空載彈射特性曲線Fig.3 No-load ejection characteristic curve of rod-less cylinder

3.1 氣源壓力

由圖4 可知，隨氣源壓力的增加，負載達到相同行程所需的時間越短，速度越大，當氣源壓力為1.5 MPa 時，負載最大速度可達24 m/s。這是因為隨著氣源壓力的增加活塞受到的推力增大，加速度增大，負載在活塞的推動下速度大。但當活塞接觸緩沖器后，由于速度大的活塞沖量大，被緩沖器反彈后的速度也大，氣源壓力低緩沖效果較平穩，所以緩沖器設計的過程中需要與氣源壓力的輸入形式進行匹配。

圖4 氣源壓力對彈射特性影響Fig.4 Influence of air source pressure on ejection characteristics

3.2 漏氣間隙

由圖5 可知，漏氣間隙從1 mm 增加到10 mm 對負載彈射的速度影響較小，進氣流率在彈射初期達到最大，待缸內初始容積達到一定壓力后，進氣流率開始降低，但始終大于漏氣流率。在設計氣缸活塞密封時可以適當加到密封帶與活塞之間的間隙，預留密封帶的活動空間，同時降低活塞安裝時的摩擦力，減少保障設施。

圖5 漏氣間隙對彈射特性影響Fig.5 Influence of air leakage gap on ejection characteristics

3.3 緩沖行程

由圖6 可知，緩沖行程不會影響負載彈射速度，因為當活塞接觸緩沖器時，活塞速度降低，此時負載與活塞脫離，以脫離瞬間的速度為初速度繼續向前運行。而隨著緩沖距離的增加，活塞被反彈的速度越小，反彈的時間越滯后，緩沖效果越好。

圖6 密封間隙對彈射性能的影響Fig.6 Influence of seal clearance on ejection performance

當負載要求高速彈射時，由沖量定理可知，在活塞質量不變的情況下，當速度增加時，必須增加緩沖時間及緩沖行程來吸收更多的能量。受裝置總尺寸的影響，緩沖行程不宜設置太長，因此緩沖行程應與負載速度進行適當匹配以滿足緩沖性能及總體尺寸要求。

3.4 負載重量

由圖7 可知，在氣源壓力一定的情況下，隨著負載重量的增加，負載最大速度越低，當負載重量為900 kg 時，最大彈射速度約為9 m/s，其原因同氣源壓力的影響相同，隨負載重量增加，活塞運行的加速度小，導致最終彈射速度小導致。所以在設計過程中，需要根據不同重量負載所需達到不同彈射速度的要求，結合氣源的壓力進行匹配設計。

圖7 負載重量對彈射特性的影響Fig.7 Influence of load weight on ejection characteristics

4 結語

本文利用AMESim 軟件，根據無桿式氣缸的設計結構參數建立仿真模型。通過仿真模型研究無桿式氣缸的氣源輸入壓力、密封間隙、緩沖行程、負載重量4 個關鍵參數的變化對彈射特性及氣缸活塞緩沖性能的影響規律。研究結果表明，氣源輸入壓力和負載重量對負載彈射速度影響最大，緩沖器的設計需要與氣源壓力及負載速度進行匹配，才能達到良好的緩沖效果。