新型魚雷發射系統前蓋柔性開閉仿真設計

穆連運，成永超

（1.海軍潛艇學院 戰略導彈與水中兵器系，山東 青島 266199；2.海軍潛艇學院 學員二大隊，山東 青島 266199）

0 引言

潛艇在作戰中的最大優勢就是其隱蔽性，因此降低噪聲是潛艇設計使用時的重要內容之一。潛艇在發射魚雷時會因發射裝置工作產生一定的噪聲，其中，魚雷發射系統前蓋因開啟、關閉瞬間產生的撞擊噪聲是其噪聲的重要來源，對保持潛艇隱蔽性有很大危害。

傳統前蓋開閉裝置液壓回路在設計時為了追求前蓋開閉的及時性[1]，忽略了由于前蓋運動終端和始端速度過快而與艇體撞擊瞬間產生的噪聲，這個撞擊噪聲是敵聲吶探測我方潛艇的重要依據。因此，如何控制前蓋運動終端和始端的速度，降低開啟、關閉瞬間的撞擊噪聲，具有一定的研究價值。

本文利用高速開關閥構建了前蓋開閉裝置速度控制液壓回路，通過脈寬調制（Pluse Width Modulation，PWM）信號控制原理對液壓缸的運動速度進行控制，相對降低行程終端和始端運動速度，從而降低了前蓋開啟、關閉瞬間的撞擊噪聲。

1 前蓋開閉裝置速度控制系統

1.1 高速開關閥結構及工作原理

高速開關閥是一種新興的數字電液轉換控制原件，主要通過脈寬調制（PWM）信號進行控制，其最主要的優點是結構簡單、可靠性高，同時，它兼有價格低廉、抗污染能力強的特點，在液壓系統速度和位置控制中成為一個新的應用熱點[2]。

在本文的液壓控制回路設計中采用的是常開二位三通高速開關閥，其結構原理如圖1所示。

圖1 高速開關閥結構原理圖Fig.1 Structural diagram of high-speed on-off valve

當電磁銜鐵線圈2處于低電平時，供油球閥7在壓力油壓差作用下向左運動，通過分離銷使回油球閥5緊緊壓在密封座上，此時進油口與控制口連通，回油口關閉；當電磁銜線圈2處于高電平時，銜鐵1產生電磁力向右運動，通過推桿推動回油球閥5和供油球閥7克服進出油口壓力差向右運動，此時進油口關閉，回油口和控制口連通。

1.2 速度控制液壓回路設計

為實現高速開關閥對前蓋開啟、關閉液壓缸的速度控制，設計了基于高速開關閥的改進型前蓋開閉裝置速度控制回路[3]，如圖2所示。塊，模擬前蓋及減阻版質量。如圖中所示，位移傳感器安裝在液壓缸活塞桿上，用以采集液壓缸運動位移，PC控制模塊將位移信息轉換成高速開關閥的控制信息，通過對高速開關閥開啟關閉時間的控制，從而控制進入液壓缸無桿腔的液壓油流量，進而控制液壓缸活塞桿的運動速度。

圖2 改進型前蓋開閉裝置速度控制回路Fig.2 Speed control loop of improved front cover opening and closing device

圖中：1為動力裝置，2為液壓泵，3為液壓油箱，4為溢流閥，5為三位四通方向控制閥，6為常開型二位三通高速開關閥，7為PC控制模塊，8為雙桿活塞液壓缸，9為位移傳感器，10為質量

1.3 基于占空比的PWM調制信號控制

高速開關閥的開閉是由脈寬調制信號（PWM）進行控制，即在一個脈沖周期T內，開啟時間的寬度Topen與T的比值大小來控制閥門開閉時間，從而調節流過高速開關閥的流量。Topen與T的比值稱為占空比，用符號τ來表示，由高速開關閥的特性可知，在頻率一定的情況下，τ越大，通過的流量就越大[4]。在本文的液壓控制回路中，采用頻率為50 Hz的PWM調制信號，占空比τ是根據活塞位移信號進行設置。

設將前蓋完全開啟需要的活塞行程為l，將活塞行程分為行程終端、始端和中間行程3段，其中在前蓋行程終端、始端采用低速，即低占空比，在中間行程采用高占空比。設計其PWM調制信號占空比函數如下：

式中：τ表示前蓋開啟、關閉時高速開關閥PWM調制信號的占空比；x表示活塞位移；x∈ [ 0 ,n1） ∪（n2,l]表示在前蓋開啟過程中活塞行程始端的控制位置，n1表示在活塞行程終端的控制位置。

在本液壓控制回路中，前蓋開啟時的速度控制階段為x∈ [ 0 ,n1） ∪ （n2,l]，針對不同的n1、n2的取值進行仿真，然后獲得合理的控制位置。

2 AMESim-Simulink聯合建模與仿真

AMESim軟件中包含一套液壓氣壓標準應用庫，用戶可以根據實際液壓回路搭建液壓系統物理模型，然后在 Simulink中建立控制信號模型，通過在AMESim中創建interface接口將位移傳感器采集的數據信號以 S函數的形式輸入到 Simulink中，數據信號經處理后傳回 AMESim中對物理模型進行控制[5]。

2.1 AMESim物理模型建立

根據前蓋開閉裝置液壓回路原理圖，在AMESim平臺上搭建液壓系統仿真模型[6]，如圖3所示。

圖3 前蓋開閉裝置液壓系統AMESim模型Fig.3 AMESim model of hydraulic system of front cover opening and closing device

液壓系統中各元部件子模型的功能和作用如表1所示。

表1 液壓系統中各元部件子模型的功能和作用Table 1 Function and role of each component sub-model in hydraulic system

系統通過S函數將位移傳感器采集的活塞位移信號傳遞到Simulink中，經過控制模型進行處理。

2.2 Simulink控制模型建立

在 AMESim仿真模式下點擊運行，軟件會自動調出Simulink界面，在Simulink中利用AMESim仿真生成的S函數，并在Simulink中設置S-function模塊的名稱和相關參數[7]。

由于PWM調制信號占空比τ是0～1的數字，因此，需要將位移傳感器信號轉換為相應PWM調制信號[8]，其算法模型如圖4。

圖4 前蓋開閉裝置液壓系統Simulink控制模型Fig.4 Simulink control model of hydraulic system of front cover opening and closing device

2.3 仿真結果分析

本文仿真的具體參數設置為：前蓋完全開啟活塞行程l= 3 00 mm ，n1= 5 0 mm ，n2= 2 50 mm，其運動速度與位移的仿真結果如圖5、圖6所示。

圖5 液壓缸運動速度曲線Fig.5 Speed curve of hydraulic cylinder

圖6 液壓缸伸出位移曲線Fig.6 Extended displacement curve of hydraulic cylinder

通過圖5、圖6可以看出，液壓缸活塞在9 s內完全伸出，并在行程始端和終端速度較低，在行程中段速度較高且運動穩定，符合設計要求。

在傳統開閉系統中，活塞在行程始端和終端的速度為35 mm/s，而在本系統中活塞行程始端和終端的速度為20 mm/s，因此，改進型前蓋開閉系統能大幅度降低行程兩端速度，從而有效降低撞擊噪聲。

3 結束語

本文設計了基于高速開關閥的改進型魚雷發射系統前蓋開閉裝置液壓回路，并通過 AMESim-Simulink進行了聯合仿真。仿真結果表明：通過對液壓缸活塞行程終端和始端的速度控制，改進型魚雷發射系統前蓋開閉裝置在滿足快速開啟前蓋的同時，能有效降低前蓋開啟關閉時的撞擊噪聲，對保持潛艇隱蔽性有一定積極作用。