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2015年 10月 机 床 与 液 压 0 8 2015 第 43 卷第 19 期 MACHINET0 0 L 2 HYDRAULICS Vol. 43 No. 19 DOI 10.3969/j. issn. 1001-3881. 2015. 19. 013 油气悬架导弹发射车起竖过程动力学响应分析 姚琳，马大为，何强，王泽林 南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094 摘要 为研究油气悬架发射车在全轮支撑状态下导弹起竖时的动力学特性，采用了基于ADAMS/Simulink/AMESim的 联合仿真方法。建立了 ADAM7发射车的虚拟样机模型、AMESim油气悬架系统模型和四级起竖液压缸模型， 设计了 Simu- link起竖模型的控制策略， 并以Simulink为平台， 通过各软件的联合仿真接口实现了联合仿真研究。仿真结果表明随着 导弹起竖过程的进行， 各级油缸能够依次伸出， 在启动、换级、停止时产生较大的冲击；连通式油气悬架相比于独立式油 气悬架能更好的分配各轴载荷， 保持车体平衡姿态； 起竖到某个位置时，油缸对起竖臂的力由推力变为拉力。 关键词 导弹发射车；油气悬架；全轮支撑；四级起竖油缸；动力学分析 中图分类号TJ762. 1 文献标志码 A 文章编号1001-3881 2015 19-059-5 Dynamic Analysis of Erected Process for Missile Launcher witli Hydro-pneumatic Suspension YA0 Lin，MA Dawei，HE Qiang，WANG Zelin Nanjing University of Science and Technology， Nanjing Jiangsu 210094， China Abstract To research the dynamic res] 3 〇nse of erected process for missile launcher under the full tire supporting conditions， the co-simulation model was established by using ADAMS/Simulink/AMESim software. Multi-body dynamics model with ADAMS，hydro- pneumatic suspension model and telescopic four-stage cylinder model with AMESim， control strategy and co-simulation plat with Simulink were built based on co-simulation technology. The results show that the four-stage cylinder can be extended one after another and there are obvious vibration when the hydro-cylinder is started， changed level or stopped. The interconnected hydro-pneumatic sus pension can effectively distribute different axle loads and keep the launcher car balance. The force that cylinder applies to arm changes from thrust to tension when the missile reaches a certain position. Keywords Missile launcher; Hydro-pneumatic suspension; Full tire supporting; Telescopic four-stage cylinder; Dynamic analysis 〇 前言 探究不同支撑发射方式对现代武器的研究具有重 要的意义。文中采用联合仿真的方法研究了某油气悬 架发射车在全轮支撑状态下导弹起竖时的整车动力学 特性。由于导弹起竖时需要较大的油缸行程，采用了 在缸体初始长度相同的条件下具有更大行程的多级液 压缸[1]。多级液压缸在换级过程中由于缸体碰撞会产 生较大的换级冲击，引起系统的振动[2]。此外，随着 起竖过程的进行，整车重心逐渐后移，后轴悬架压缩 量变大，前轴悬架压缩量减小，车体产生了俯仰姿态 角，俯仰姿态角过大会严重威胁发射安全性。文中建 立了 ADAMS发射车的虚拟样机模型，AMESim油气 悬架系统模型和四级起竖液压缸模型，在Simulink中 设计了起竖模型的控制策略，并 以Simulink为平台， 通过各软件的联合仿真接口实现了对某油气悬架发射 车在全轮支撑状态下导弹起竖时的整车动力学特性的 联合仿真研究。 根据导弹起竖系统图，在ADAMS中建立了虚拟 1全轮支撑导弹发射车起竖仿真模型的建立 1. 1全轮支撑导弹发射车起竖结构动力学模型 公路机动式导弹由行军状态转变为战斗状态，即 导弹由水平状态转变为竖直状态的过程是依赖发射车 完成的。全 轮 支 撑 状 态 下 的 导 弹 起 竖 系 统 如 图 1 所示。 图1全轮支撑状态下导弹起竖系统简图 收稿日期2014-08-02 基金项目国防基础科研项目（ B2620110005 作者简介姚 琳 （ 1988 ，男 ，博士研究生，研究方向为兵器发射理论与技术。E-mail yaolinxueshu163. com。 60 - 机床与液压 第 43卷 样机动力学模型。模型中，四级油缸的依次伸出是通 过速度驱动来实现的，油气悬架通过相互作用力实现 的，速度驱动和相互作用力的值通过定义状态变量从 AMESim中获得；轮胎的弹性力和阻尼力以Spline函 数的形式定义。 1.2 四级起竖系统建模 研究的发射车采用四级液压起竖系统，四级液压 缸的伸缩顺序为伸出时，直径最大的第一级首先伸 出，直径最小的第四级最后伸出；回缩时，直径最小 的第四级首先回缩，直径最大的第一级最后缩回。多 级液压缸结构示意如图2所示。 〔 〇 第 一 级 第 二 级 第 三 级 第 四 级 活 塞 杆 图2多级起竖油缸结构示意图 设各级液压缸的活塞直径分别为/ 、/ 、/ / ，活塞杆直径分别为A、24,正反腔压力 分别为1、1， /为第一级与第二级的接触力，B为 载荷。现对一、二两级进行受力分析。由受力平衡关 系，可得 17 /2_/2 17 /_22 k 1 17/217 戌 _22B 2 活塞的伸缩顺序是由各活塞的面积关系决定的， 且二级液压缸绝对依次伸缩的条件为[4] s2 t K 3 式中K__/1_/2，K__/2_21，K 2 _ _ ， k j_ 4 / _ 2 2 可以得出多级液压缸绝对依次伸出的条件为 21 2E1 /E -L E1，2 , ，3 4 1 E1 四级液压缸模型参数如表1所示。能够验证，四级 液压缸模型参数满足多级液压缸绝对依次伸出的条件。 表 1四级液压缸模型参数 mm 级数活塞直径活基杆直径油缸行程 13603301 300 23002601 325 32301951 285 41651201 270 根据多级起竖油缸的结构示意图，采用单级缸级 联的方法，在AMESim中搭建了如图所示的四级液压 缸仿真模型，如图3 所示。这种模型可以对每一级油 缸的运动特性进行仿真，模型中采用的线性弹簧和阻 尼子模块用来模拟油缸的换级碰撞；模型中采用的动 态容积模块用来模拟液压缸的动态容积效应。模型中 溢流阀压力为15 MPa，液压泵流量为120 L/min。 目前车辆上常采用的油气悬架系统有独立式和 连通式两种。独立式油气悬架前后两缸互不连通， 可独立实现车身高度的自由调整；连通式油气悬架 通过油管使各油室相连通，利用油液传递压力，不 仅具有独立式的优点，而且当车身前后载荷差距较 大时，可以较好地分配各轴载荷，使整车保持平衡 状态[5_6]。 2 轴连通式油气悬架系统的物理模型如图4 所 示 ，其中4 和 4 是前轴处的受到的激励位移和速度; 4 和 4 是后轴处受到的激励位移和速度。 图4 2 轴连通式油气悬架物麵型 忽略系统的摩擦力，则活塞杆组件的输出力B 和B可以表示为 |Bf_2 1_LPA 5 式中/A腔、E腔面积，1__/2-22; 为 第 19期姚 琳 等 油气悬架导弹发射车起竖过程动力学响应分析 61 - C腔、W腔的面积，2_I; 1/A腔中的瞬时压 力； 1/C腔中的瞬时压力；i/E腔瞬时压力; 1/W腔瞬时压力；/为 悬 架 缸C腔 （G腔）内径; 2 为活塞杆直径。 油液运动过程中会产生沿程压力损失和局部压力 损失，则C腔室压力和蓄能器6 之间损失压力关系 为 pQ2 1 1去 sign4 _2 2 2 -sign 〜|6 式中P为油液密度；为前悬架缸C腔到蓄能器6 之间油管的长度；H i为油管中油液流速，Hfi_ /T4; 2 h Q i为任意时刻油管中的油液流量，Q i_l4 ；- 为 油管沿程阻力系数。 根据短孔节流理论流量和压力关系，则B腔和A 腔之间的压力关系可以表示为 4 Y - / ,1 1 - 、 \ sign 4 2 [i01 202yy S1gn 4 J 7 式中i为阻尼孔的流量系数；0i为阻尼孔截面积; 2为单向阀的流量系数；02为单向阀的有效过流 面积。 根据物理模型，在AMESim中搭建了连通式油气 悬架系统仿真模型，如图5 所示。独立式悬架系统只 需在连通式的基础上删除前后的连通油管即可。油气 悬架参数见表2。 图5连通式油气悬架系统 表 2油气悬架参数 悬挂质量/kg10 000 单个簧下质量/kg500 活塞杆直径/mm110 油缸直径/mm90 液压油体积模量/MPa1 700 蓄能器初始充气压力/MPa5 蓄能器容积1.8 气体多变指数91.4 1 . 4 起竖系统控制策略 多级液压缸在启动、换级、停止的过程中都会产 生较大的冲击，引起系统的振动，对发射安全性造成 威胁。因此，在系统启动、换级、停止的过程中应对 进入多级液压缸的流量进行调节，以尽量减小冲击。 在Simulink中搭建了如图6 所示的流量控制策略，通 过调节电磁阀的输入电流来调节电磁阀的开度，进而 调节流量。为了首先计算静平衡状态，在控制策略中 加入了延时模块。 图6电磁阀输入电流 62 机床与液压 第 43卷 2联合仿真模型的建立 在专用液压仿真平台AMESim中建立了导弹发射 车的四级液压起竖系统模型和油气悬架系统模型，并 通过联合仿真接口以S函数形式嵌入到Simulink中。 在虚拟样机模型中将前、后轴的油缸位移，油气悬架 油缸输出力，四级起竖缸的速度驱动，导弹起竖角定 义为状态变量，通过联合仿真接口以子模块形式添加 到Simulink中，在Simulink中建立了流量控制策略， 并以Simulink为平台实现了联合仿真研究，如 图 7 所示。 图7联合仿真平台 3仿真结果分析 设定仿真时间为120 s，数据交换间隔为0. 01 s。 三位四通电磁阀的通电电流如图8 所示。可以看出， 在起竖的起始阶段，流入液压缸的流量逐渐变大；在 液压缸换级时，三位四通阀的通电电流先减小后增 大，所以进入起竖系统的流量在换级前先降低，换级 后再增大；起竖接近完成时，流量逐渐减小为。 。这 样可以有效地降低换级冲击。 图8电磁阀的通电电流 图 9 所示为四级液压缸的伸出过程。从图中可以 看出，各级液压缸的伸出次序为直径最大的第一级缸 首先伸出，直径最小的第四级液压缸最后伸出，其伸 出顺序符合实际情况。说明在AMESim中建立的多级 起竖模型是正确的。 图9四级起竖液压缸行程 图 10所示为导弹起竖时，液压缸在起竖臂前 支点处施加的垂直于起竖臂的法向力。从图中可以 看出，随着起竖过程的进行，液压缸在起竖臂前支 点处施加的垂直于起竖臂的法向力总体上是减小 的，而且，大 约 在 100 s的时候，法向力由正值变 为负值。说明在此时油缸对起竖臂的作用力由推力 变为了拉力。从 图 1 0 中还可以看出，在启动、换 级和停止时，法向力有较大变化，进而会引起发射 系统的振动。 图1 0 液压缸施加的垂直于起竖臂的法向力 图 11、12所示为导弹起竖时，独立式与连通式 油气悬架的位移变化曲线。 第 19期姚 琳 等 油气悬架导弹发射车起竖过程动力学响应分析 63 - 图1 2 连通式油气悬架的位移变化曲线 从 图 11、12中可以看出，在仿真的前4 s内，整 车由于重力作用而下降，前、后轴油气悬架都被压 缩 ，但由于导弹在水平状态时，整车的中心较为靠 前 ，导致前轴的压缩量要比后轴的大一些；随着起竖 过程的进行，整车重心逐渐后移，前轴的悬架位移逐 渐降低，而后轴的悬架位移逐渐增大。从 图 11中可 以明显的看出在起竖前，独立式油气悬架的前轴油缸 位移明显要大于后轴油缸位移，导弹起竖完成后，后 轴的油缸位移明显大于前轴油缸位移。在这种情况 下 ，车体会出现较大的俯仰姿态角，这会严重影响发 射安全性，设置导致发射任务失败。从 图 12中可以 看出，起竖前后前、后两轴的悬架位移差距不大，车 体俯仰姿态角很小，车体基本保持水平状态。这是因 为连通式油气悬架通过油管使各油室相连通，利用油 液传递压力，可以较好地分配各轴载荷。 5结论 采用联合仿真的方法研究了某油气悬架发射车在 全轮支撑状态下导弹起竖时的整车动力学特性。利用 ADAMS建立了全轮支撑状态下油气悬架导弹发射车 的导弹起竖虚拟样机模型，在AMESim中分别搭建了 四级液压起竖系统模型和独立式、连通式油气悬架系 统模型，Simulink中搭建了用于减轻起竖时冲击的电 磁 阀 幵 度 控 制 策 略 ，通过联 合 仿 真 接 口 实 现 了 ADAMS/Simulink/AMESim的联合仿真分析，探究了 全轮支撑状态下油气悬架导弹发射车导弹起竖时的整 车动力学响应，得到如下结论 ⑴ 起 竖 系 统 在 启 动 、换级、停止时起竖系统 施加给起竖臂的法向力存在较大的波动，即会使发射 系统产生较大的振动。 ⑵起竖系统施加给起竖臂的法向力在导弹起 竖到一定角度时由正值变为负值，说明此时起竖油缸 的作用力由推力变为了拉力。 3 随着导弹起竖角的变大，整车重心逐步向 后移动，后轴悬架的油缸位移逐渐增大，而前轴悬架 的油缸位移逐渐减小。但连通式油气悬架系统能够更 好的调节各轴的载荷，使得前后两轴的油缸位移相差 较小，整车基本处于水平状态。 参考文献 [1] 黄先祥， 高钦和， 郭晓松.大型装置起竖过程的动力学建 模研究J ].系统仿真学报， 2002， 14 3 271-277. 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