火炮液压系统研究及仿真分析

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随着液压技术、微电子技术和计算机技术的快速发展，在高炮、舰炮、自行火炮、火箭和导弹发射装置上，广泛采用了液压传动和液压控制，液压技术已经成为实现火炮现代化的重要手段之-。

液压传动和控制具有很多优点：功率重量比大，适用于火炮的驱动和控制装置；力矩惯量比大，能提高火炮随动系统的响应速度和控制精度；特性刚度大，可以使火炮电液随动系统定位刚度增大，位置误差减小，抗扰动能力增强；容易实现多姿态控制，适合火炮吊弹、供输弹、自动调平和液压悬挂等机构；另外 ，液压传动的抗电磁干扰能力又能保证火炮，特别是三位-体的自行高炮不受电磁干扰，能满足复杂电磁环境下联合作战的要求n]。正是由于液压技术对于火炮具有如此多的优点和广泛的应用，因此有必要对火炮液压系统进行分析。

1 组成火炮液压系统由动力元件、控制元件和液压辅助元件三部分组成。

液压动力元件是指液压系统中用以产生流量和压力的液压泵，以及拖动负载的液压马达和油缸，它们能实现机械能和液压能的互换。早期的美国30 mm高炮采用径向柱塞式液压马达。随着工业技术的发展，出现了轴向柱塞式泵马达。由于斜盘式轴向柱塞泵马达变量快、易加辅助泵，火炮-般采用斜盘式结构作为液压泵；由于斜轴式轴向柱塞泵马达耐冲击、启动性好、效率高，火炮-般采用斜轴式结构作为液压马达。

液压控制元件是用来控制、调节液流方向、速度、流量、压力等参数，使整个系统按要求协调工作的各种控制阀。

液压辅助元件是指液压系统中的蓄能器、油箱、过滤器、冷却器、密封件和管件等。

另外，还有-种将电气与液压相衔接起转换作用的电液伺服阀元件。电液伺服阀-般由力矩马达、液压控制阀、平衡和反历构三部分组成，在火炮电液伺服系统中起电气与液压转换作用，以及加大放大倍数的作用。

2 种类2.1 火炮电液随动 系统火炮电液随动系统是火炮随动系统的-种。由于某些火炮口径大、重量重，并要求调速范围大、调速平稳、易实现低速和大扭矩输出，所以在大口径火炮中经收稿日期：2013-01-04基金项目：广西 自然科学基金项目(2011GXNSFA018148)作者简介：黄振全(1973-)，男，湖北荆州人，副教授，硕士，主要从事火炮技术方面的教学和科研工作。

28 液压与气动 2013年第7期常采用液压放大器作为功率放大元件，液压马达作为执行元件，以及采用电气元件进行信号传递和转换的电液随动系统。电液随动系统综合了电气与液压两者的优点，频响宽、跟踪精度高、功率重量 比大、体积紧凑、可靠性较高。此类液压系统用以驱动火炮跟踪 目标，承受火炮的大回转惯量、高射频冲击以及其他干扰负载。由于许多火炮工作环境恶劣、负载惯量大、加速和制动快速性能要求高，以及冲击振动负荷大，因而此类液压系统组成通常采用泵控马达的形式。

2.2 火炮液压调平系统牵引火炮进入阵地，由行军状态转入战斗状态，要求缩短转换时间，炮车要迅速调平和锁定，以形成刚性很强的炮位。火炮液压调平系统的功能就是使火炮快速由行军状态转入战斗状态，并使火炮处于水平状态，以便提高火炮的机动性和射击命中率。

2.3 火炮液压辅助推进装置在 自行火炮上，-般安装有液压辅助推进装置，能够使火炮在短距离快速行走，进出阵地，同时使火炮在行军与战斗状态转换等操作上实现半自动化。火炮液压辅助推进装置由液压驱动系统、液压转向系统和液压操作系统三部分组成。液压驱动系统由两个典型的闭路容积调速系统对称驱动火炮左右两个车轮；液压转向系统作用是在火炮行走时改变行走方向；液压操作系统是在火炮自行与牵引、战斗与行军状态的相互转换中，利用发动机的能量操纵液压系统，可以轻便、快速和安全地完成各种转换操作。

2.4 输弹机和装填机液压系统输弹机和装填机液压系统-般在大口径火炮中使用。输弹机和装填机液压系统能够提高火炮装填和输弹速度，利于实现火炮自动装填和输送炮弹，减轻炮手体力消耗。

2.5 反后 坐装置火炮反后坐装置是-种有特殊要求用途的液压缓冲装置，-般由驻退机、复进机和复进节制器(或复进缓冲器)三部分组成。为了既能提高火炮的威力又能保持火炮的机动性，火炮炮架由刚性炮架改为带有反后坐装置的弹性炮架。火炮采用反后坐装置后，能够按预定的规律控制发射时的受力和运动。其中，驻退机控制火炮后坐部分按预定的受力规律和运动规律后坐，并在后坐过程中不可逆地消耗掉大部分后坐动能，把后坐限制在规定的长度上；复进机在后坐过程中存储-部分后坐能量，并在复进过程中释放，以力的形式对后坐部分做功，推动后坐部分回到发射前的位置，同时也为火炮其他机构(如开闩机构、输弹机构等)提供能量 ；复进节制器(或复进缓冲器)控制火炮后坐部分按预定的受力规律和运动规律复进，并在复进过程中不可逆地消耗掉复进剩余能量，使整个复进过程平稳而无冲击。

2.6 驻锄液压系统驻锄液压系统是指在行军时驻锄由液压油缸提起并锁定，作战时由液压油缸放回地面，减叙炮发射时对车体的冲击。

3 液压系统仿真方法3.1 液压系统数字仿真算法仿真算法在数字仿真的各个阶段起着核心和支撑作用，是数字仿真的关键所在。用数字仿真方法分析液压系统的动态特性的重点之-是选择适当的算法编制仿真程序进行仿真计算。因此算法选择是数字仿真首先碰到的问题，选择合适的仿真算法可以使液压系统仿真到以足够的精度顺利完成实验任务。在选择仿真算法时，通臣虑算法的适用性、数值计算的稳定性、计算速度以及计算精度等四方面因素。

用计算机对液压系统进行仿真时，有两类数字仿真方法：-类建立在数值积分基础上；另-类建立在离散相似法基础上。显式单步法是数值积分法的-种，常用算法有-阶欧拉法、二阶龙格-库塔(Runge-Kut-ta)法、四阶经典龙格-库塔法、库塔-梅森(Kuta-Merson)法等。

当对数字仿真精度进行分析时，精度要求低，可用- 阶欧拉法，精度要求越高，则阶数也应越高，同时步长也应越校但高阶每步计算量大，通常显式单步法用到四阶，然后选取适当的步长以适应需要。

在许多情况下，需要对火炮液压系统进行实时数字仿真。由于实时仿真有实物或人介入仿真模型，所以要求仿真模型的时间比例尺完全等于原始模型的时间比例尺。因而进行实时仿真时必须采用相应的实时仿真算法。由于实时仿真算法具有允许采用大步长和算法中使用的信息与实时输入-致的特点，-般的实时Runge.Kuta算法(包括欧拉法、RTRK2法、RTRK3法)只适用于计算速度要求不快、计算精度要求不高的实时仿真中。而四阶经典龙格-库塔法虽然能 自动启动、编程简单、计算精度高、计算速度快、数值稳定性好，但它并不适用于实时仿真计算。

为了满足液压系统实时仿真快速性需求，应旧2013年第7期 液压与气动 29能地采用大的计算步长，但是采用大步长，会引起数值不稳定或者计算误差太大的问题。通过分析，在现有低阶实时龙格.库塔公式基础上，首先通过降阶增加实时 RK算法稳定性方法，利用 RK公式的稳定性方程求解出最大稳定域，然后根据截断误差与相关系数的关系，将其转化为-个约束求极值最优问题 ，并最终推导出实时最优五级四阶 RK公式。最后得出新实时RK4算法公式为 ：r l：Y (0.12k1-0.01k20.75k3-0.43k40.58k5)I kl/[ y ]f k2/[t 1/5×h，Y 1/5hk1]k3/[t 2/5×h，Y -0.O07hk10.4o7 2]I k4/[t 3/5×h，Y 0.016hk10.236hk10.348hk3]f Ji5/[t 4/5×h，Y 0.255hk1-0.247hk20.516hk1 l0.276 4]此新实时 RK4算法公式相比于原实时 RK4算法公式，稳定性好、误差小，更适于实时仿真，在火炮液压系统仿真中能有更广泛的应用。

3.2 MATLAB/SIMULINK软件MATLAB是某公司开发的新-代高性能科学与工程计算软件。集成了计算、可视化和程序编制等功能。它适用于数学计算、算法开发、建模与仿真、数据分析和可视化、科学与工程绘图等方面。

SIMULINK是 MATLAB的-个方便的、交互式的、可视化的程序编制系统，是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，在其下提供了丰富的仿真拈。

SIMULINK提供了-个图形化的用户界面，可以利用鼠标在模型窗口中建立所需要的控制系统模型，然后利用其提供的功能对系统进行仿真与分析。它支持线性和非线性系统，连续和离散时间模型，或者是两者的混合。系统还可以是多采样率的，比如系统的不同部分拥有不同的采样率。

3.3 某火炮液压系统仿真实例在某 自行火炮液压系统中，首先基于自行火炮液压系统输弹机结构和工作原理，采用功率键合图的建模方法建立输弹机液压系统的动态数学模型 3 ；然后由该模型推导出系统的状态方程；最后用 MATLAB-SIMULINK软件，对其进行动态特性仿真，比较仿真结果和实际情况是否符合。

对于液压系统的状态方程，在求解微分方程中没有-个普遍适用的最佳解法。对给定的某 自行火炮液压系统，在选择其最佳解法时要对系统本身和各种解法都有 -定 的了解。SIMULINK 中仿真算 法包括ODE45和 ODE23Runge-Kuta方法、ODE1 13变 阶数Adams方法、ODE15S解法、ODE23S解法以及 discrete离散解法。由于以上算法不太适用于实时数字仿真，在此将新实时 RK4算法公式运用于新的系统函数中，采用 C语言或 c语言编写 S函数，成为新的 ODE算法 函数 ODE45NEW，更适用 于此 自行火炮 液压系统。

仿真前，需先对该仿真系统设置约束条件，以补充系统动态的状态方程在描述系统动态结构及特征方面的不完备性。

图 1和图2显示了输弹机液压缸活塞在不同射角的速度和压力响应特性。其强制输弹时间和油缸活塞及弹丸输弹末速度和实际情况的对比如表 1，其中链条对输弹油缸活塞的传动比为 9.91。通过对比发现该模型的仿真结果与实际情况基本相符。

O.50.4O.2 o.4 o.6 o.8 1.o l-2时间/s图 1 输弹油缸活塞速度响应曲线0.16吕 o.12O.2 o.4 o.6 o.8 1.o l2时间 s图2 输弹油缸活塞位移响应曲线表 I 强制输弹时间和油缸活塞及弹丸输弹末速度对比装填 输弹 输弹油缸 仿真弹丸 实速弹角度 时间 活塞速度 输弹速度 丸速度(。) (s) (1l s) (m/s) (H s)0 0.54 0.495 5.02 5.0530 O.72 0.421 4.Ol 3.9365 0.86 0.329 3.12 3.094 结论通过对火炮液压系统的分析可以看出，火炮采用液压系统能大大减少兵员编制，降低火炮操作手的体力消耗，能使操作简单易行安全方便，能实现低速大扭30 液压与气动 2013年第7期DOI：10.11832/j.issn.1000-4858.2013.07.009基于 FLUENT分析的连杆清洗设备设计开发吴任和 ，战祥乐 ，姜莉莉Design of Cleaning Machine f0r Connecting Rod Based on FLUENTWU Ren-he ，ZHAN Xiang.1e ，JIANG Li.1i(1.广东轻工职业技术学院，广东 广州 510300；2.广东工业大学，广东 广州 510006)摘 要：应用FLUENT的流体动力学模拟分析了不同内缩角喷嘴在不同压力值下所产生的射流速度和速度梯度，为选择高压喷淋冲清洗设备设计提供了理论支持和实践参考。针对清洗不同类型的孔、面选择适当内缩角的喷嘴，设计了可摆式连杆定位装置，高压低压交错喷冲，清洗无死角。该设备简单易用，工作稳定，大大提高了清洗效果和工作效率。

关键词：高压喷淋冲洗；连杆；FLUENT；PLC控制中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)07-0030-03引言连杆作为连接活塞与连杆的重要受力元件，其在加工和装配过程中残留在内部的污染物往往是造成元件早期失效和故障的主要原因。目前产品清洁度已被列为该产品质量的-项重要指标，产品清洁度质量控制也成为汽车行业产品质量管理方面的-个重要环节。

连杆清洁度的评定是指用规定的方法检测残留在元件内的颗粒污染物数量。评定其清洁度的基本原则和方法是：用清洁的试验液将附着在零件湿表面上的颗粒污染物冲刷到试验系统中，然后采集样液并测定其中的污染物含量，由此确定元件的清洁度。国内外在执行的标准中都只是提到在有要求时，应对颗粒的尺寸和种类进行测试 ，可优先选择沉积在 100 m滤纸上的残留物。因此，国内-般采用称重法来评定，即用折算到单个元件的颗粒污染物质量(mg)表示。

本研究通过应用 FLUNET强大的流体物理模型对连杆高压喷淋中的液体力学运动、紊流和涡流产生机理进行分析计算来选择喷嘴类型以及设置冲洗的各个参数，以达到更好的清洗效果。

1 清洗设备设计的几个关键点1.1 清洗剂的选取现在连杆清洗所用的洗涤剂中，以水基碳氢清洗剂和油基清洗剂为主。水基碳氢清洗剂有着很多独特的优点：溶油能力强、安全、气味孝净洗力高、可以完全挥发、可以蒸馏回收反复使用等 j。而煤油作为-种传统的清洗剂以其使用方便、容易采购等优点被很多企业所采用。碳氢清洗剂的清洗效果较好，闭口闪收稿 日期 ：2013-01-14作者简介 ：吴任和(1978- )，男，广东广州人，讲师，硕士，主要从事液压技术方面的科研和教学工作。

矩、高速小扭矩排量变化控制。由液压系统仿真方法的分析和某火炮液压系统仿真实例可以看出，本研究提出的单步显式 RTRK4算法能满足火炮的计算机实时仿真，并且通过构建新的 ODE算法函数应用于SIMULINK仿真是有效可行的。随着火炮液压系统和计算机技术的迅速发展，实时仿真将得到更广泛的研究和应用。