某火炮输弹机构中的液压冲击仿真分析
2014-08-16王新春董振乐马大为乐贵高
王新春，董振乐，马大为，乐贵高
(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)
0 引言
输弹机构是火炮的核心部件之一，通过加强输弹机构的设计与优化，提高其性能，对增强火炮作战性能具有重要的意义。输弹机构的输弹动作主要靠液压技术来实现，在输弹动作中不可避免的存在液压系统的突然开启或突然制动现象，这就使得液压传动系统不可避免的存在液压冲击现象。当发生液压冲击现象时，液体中的瞬时峰值压力往往是正常工作压力的1～4倍，这种瞬时峰值压力不仅会影响液压系统的性能和工作可靠性，而且会造成振动、噪声、联接件松动、液体泄漏的一系列影响系统正常工作的现象[1]，严重时会使系统中的管道、液压元件和仪表等损坏，导致输弹机构瘫痪。因此正确分析输弹机构中的液压冲击问题，并尽可能的减小或者排除液压冲击，可以大幅提高输弹机构液压系统的工作稳定性，对提高火炮的作战性能具有重要的意义。
1 系统工作原理
液压式输弹机由液压齿轮泵与充气活塞式蓄能器共同提供液压动力，通过三位四通电磁换向阀控制，输弹过程共分为翻转和输弹两个动作，分别由翻转油缸和输弹油缸执行。当系统不工作时，换向阀位于中位，液压油经过换向阀直接流回油缸。当系统工作时，换向阀通电处于右位，液压油到达输弹油缸左侧，进而驱动齿条带动两级齿轮加速，带动链条推弹丸获得一定速度强制输弹，然后弹丸由惯性进入炮膛。为了保证液压系统工作安全，设置了安全阀。液压系统工作时，当工作压力小于安全阀设定值，液压油可通过管路到达输弹油缸，顺利完成输弹动作；当工作压力大于安全阀设定值，安全阀将自动打开，转换为工作状态，液压油通过安全阀直接流回油箱，防止液压系统过载，避免造成装置破坏[2]。
2 液压冲击仿真分析
2.1 AMESim在液压系统中的应用
AMESim高级工程系统仿真建模环境(advanced modeling and simulation environment for systems engineering)[3]是法国LMS Imagine公司开发的多领域建模仿真软件，涉及到液压系统、机械系统、传动系统等多个领域的仿真分析。AMESim友好的图形化界面为广大用户方便的进行仿真分析带来了便利。AMESim至今已发展到10.1版本，该软件专门为液压系统建立了一个标准模型库，但由于液压系统元件的多样化，其标准已经无法包含所有元件的模型。为此，AMESim提供了用于创建无法在标准模型库中找到的液压元件的HCD(hydraulic component design)，该功能增强了AMESim的实用性，使其在液压/机械系统分析与设计领域的应用更加广泛[4-6]。
2.2 液压冲击原理分析
液压冲击是一种因液压系统中流体速度突然变化而使系统中液体压力瞬时升高的现象，动态过程非常复杂，影响因素较多，很难精确计算出冲击压力。本文主要利用能量守恒定律对输弹机构的液压冲击问题进行分析。
当换向阀换至中位时，管道口瞬时被封闭，靠近阀处的液体速度逐渐降为零，根据能量守恒定律，管内液体的瞬时动能全部转换为压力能，上游(远离换向阀处)各层液体也因速度的突然变化将瞬时动能转化为压力能，随着上游压力能向前传递，压力能越来越大，直到最上游的压力能传递结束后，压力能达到最大值，此时就出现了液流撞击声，在这一瞬间管道中的液体全部停止流动，而且处于压缩状态。管道内液体压力在上下游压能差的作用下，从下游(靠近换向阀处)反射到上游，此时管道下游的液体压力迅速下降，管后的液体压力逐层上升，经一定的时间后，管道后面的液体压力又逐层向前传播，如此继续循环往复。但由于往复流动过程中的能量损失，将逐渐衰减直到消失。
液压冲击问题实际上就是能量的转换，在冲击过程中将液体及运动部件的动能转化为势能。假设在液体流动中没有混入气体且不存在运动部件的惯性作用。
有如下关系[1,2,7]：
(1)
(2)
(3)
由以上各式，可得冲击波速度
(4)
式中：Ke为液体有效体积弹性模量，KL为纯液体体积弹性模量，Kc为容器体积弹性模量，E为液压管管道材料的弹性模量，d为管道AC或BD的内径，δ为管道壁厚度，ρ为液压油密度。
液压冲击发生前，设流动液体在管道中的流速为v0，液压油体积为V，液压管道长度为l，液压泵流量Q，液压马达转动惯量为J，转速为ω。假设液压冲击发生后流速突降为零，由动能所转化的势能可以用一个由以液压压力的变化量dp和受压总容积变化量dV为直角边所构成的三角形的面积代替。根据能量守恒定律有:
(5)
则可计算出冲击压力近似值：
(6)
(7)
由上式可以看出当Q，J，ω一定时，dp与管道内径d，管道l成反比；与管壁厚δ成正比，在实际应用中管壁厚度δ不会发生太大的变化，因此对液压冲击的影响较小。
设压力冲击波在管道中往复一次的时间为tc，则有:
(8)
当换向阀换向时间t
(9)
通过分析上式可知，在间接冲击过程中在保持Q，J，ω一定的情况下，dp与管道内径d，管道长l，换向阀换向时间t成反比；与管壁厚δ成正比。而管壁厚δ对液压冲击的影响较小，故不再进行仿真分析。
2.3 仿真模型的建立
为研究三个不同参数(管道内径d，管道l，换向阀换向时间t)对液压冲击的影响，根据AMSEim建模仿真的步骤：sketch-submodel-parameter-simulation[3]。通过输弹机构液压系统的工作原理建立液压系统仿真模型如图1所示。
图1 输弹机构液压系统仿真模型
以液压缸输油口c为例，分析其液压变化规律，液压系统仿真时间设置为7s，仿真后可以得到输弹机工作过程中油口c的压力变化曲线如图2所示。通过压力变化曲线可以分析出液压缸内的压力的变化规律，在换向阀换向中位时液压冲击较大，最大值为62.6 MPa。这说明在换向阀换向中位时液压缸内的压力会突然升高，即存在液压冲击。因此，需要对换向阀回到中位时的液压冲击进行分析。
图2 油口c的压力变化曲线
3 不同参数对液压系统冲击的影响
3.1 换向阀换向时间t对冲击的影响
在保证其他参数不变的情况下，单纯改变换向阀换向时间t，取换向时刻为0.1s、0.2s、0.3s进行对比分析。利用软件对液压缸腔内的压力进行仿真，可以得出换向阀换向时的压力峰值(如图3所示)，通过仿真曲线可知，0.1s、0.2s、0.3s时的峰值压强分别为66MPa、64MPa和55MPa，对比可得随着换向时间t的增加，冲击压力逐渐降低。
图3 换向时间对油口c压力的影响
3.2 管道内径d对冲击的影响
保证其余参数不变，单纯改变管道内径d，根据输弹机构液压系统管道内径的实际需求，取一组值10.3mm、12.7mm、15.9mm，利用仿真模型对液压缸腔内的压力进行仿真，可以得出换向阀换向时的压力峰值(如图4所示)，分析曲线可知随着油管内径增大，冲击压力逐渐减小。
图4 油管内径对油口c压力的影响
3.3 管道长度l对冲击的影响
单纯改变管道长度l，其他参数不变。取管道长度分别0.6m、0.8m、1m进行对比分析，利用液压仿真模型对液压缸腔内的压力进行仿真，可以得出换向阀换向时的压力峰值(如图5所示)，分析曲线可得，随着管道长度的增加，冲击压力逐渐减小。但需要指出的是，减小管道的长度，可以是直接冲击转变为间接冲击，故一旦管道长度的减小使间接冲击成为可能，冲击力是会减小的。
图5 管道长度对油口c压力的影响
4 结论
通过以上分析可知，输弹机构液压系统中液压冲击的大小主要与液压阀换向时间、管道内径和管道长度有关。因此，在允许的范围内，可以通过延长换向时间、减小管道内径、减小管道长度等措施来减小输弹机构液压系统中的液压冲击，提高输弹机构的可靠性，延长使用寿命。本文通过单独改变某一影响参数分析了不同参数对输弹机构液压冲击的影响，而没用考虑各参数之间的相互关系。因此，下一步将致力于仿真分析不同参数之间的匹配关系，通过分析不同参数之间的关系选择合适的参数使输弹机构液压系统中的液压冲击达到最小值，以保证输弹机构液压系统长期有效运转。
[1] 李宁,张玉峰,王建成.液压系统冲击的分析与控制[J].机床与液压,2007,35(4):149-151.
[2] 邢道奇,张良欣,任爱娣.纵向补给装置液压冲击仿真分析[J].机床与液压,2011,39(3):16-18.
[3] 付永玲,齐海涛.LMS Imagine.Lab AMESim系统建模和仿真实例教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.
[4] 余佑官,龚国芳,胡国良.AMESim仿真技术及其在液压系统中的应用[J].液压与密动，2005，(3)：28-31.
[5] 邬国秀.基于AMESim的阀控液压缸液压伺服系统仿真分析[J].计算机应用技术,2008,35:28-30.
[6] 马长林,黄先祥,郝琳.基于AMESim的电液伺服系统仿真与优化研究[J].液压气动与密封,2006:32-34.
[7] 秦家升,赵继云,王晓倩等.挖掘机液压冲击分析[J].机床与液压,2008,36(9):273-275.
