液压弹射机构动力系统研究

弹射技术(弹射器)广泛应用于现代军事工业，如飞机的弹射起飞、导弹的弹射发射、弹射救生座椅等。按照动力执行元件的不同，主要有燃气式、蒸汽式、电磁式和液压气动式，其中燃气式存在高温损害、蒸汽式体积庞大效率低、电磁式存在强磁场干扰 。美国海军曾在航母上安装液压弹射器，后来收稿 日期 ：2012-05-03基金项目：浙江势技厅重大科技专项重点工业项目(201 1 C1 1059)作者简介：赵伟(1986-)，男，博士研究生。E-mail：zhaoowei###sina.corn；阮健(1963-)，男，教授，博士生导师。E-mail：wxmin###mail.hz.zj.cn兵 工 学 报 第34卷受到功率不足的限制，满足不了大型飞机的起降要求而被淘汰 。但液压弹射技术具有功率-质量比大、快速性好等优点，随着液压控制元件技术的进步，在中小功率、移动式弹射设备 中重新获得重视 。如无人飞机的气液压弹射起飞装置 ，主要由气液压动力系统、滑轮增速系统、缓冲系统和卸荷系统等组成，动力系统使液压缸活塞速度达到5 m/s，通过滑轮增速进行 6-7倍 的速度放大 以满足无人机的起飞速度要求，通过卸荷系统使动力系统卸荷，同时缓冲系统对飞行器发射载体进行减速制动 。与之相比，本文研究的液压弹射动力系统具有极快的响应速度(从发出指令到活塞加速过程结束约70 ms)，采用液压缸内部缓冲结构进行系统的缓冲制动(无人机弹射系统依靠液压缸外部增加卸荷系统与缓冲制动系统进行制动)，制动过程不需要外部控制，更加可靠，缓冲效率高，结构紧凑。

另据资料显示，EDO公司为美国新-代隐身战机提供的AVEL垂直导弹发射系统也采用液压(气液混合)弹射技术，关于 AVEL系统的技术细节，EDO公司尚未对外公布 。

本文提出了-种以伺服阀作为核心控制元件的液压弹射动力系统技术方案，旨在发展响应时间短、弹射速度快、结构紧凑的液压弹射装置。采用蓄能器提供弹射流量以解决液压泵功率不足的限制，设计了-种新型液压缸缓冲结构以避免高速活塞组件对液压缸端盖的撞击。在论述系统工作原理和设计方法的基础上，分别对动力系统的弹射和缓冲过程进行了理论和实验研究。

l 液压弹射动力系统1.1 系统工作原理如图1所示，溢流阀设定系统工作压力，电磁阀打开，液压泵输出的高压油液进入主阀进油腔，并通过伺服阀进入主阀回油腔，在弹簧力作用下主阀阀芯静止，主阀关闭，液压缸处于复位状态。由于蓄能器气体充气压力低于系统工作压力，约为后者的0.5倍，则高压油液进入蓄能器压缩气体存储能量。

当蓄能器气体压力达到系统压力，蓄能器充液过程结束，切换伺服阀阀芯位置，使其出油 口与油箱连通，造成主阀回油腔油液失压，主阀阀芯两端压力失去平衡并快速上移，主阀打开，蓄能器气体膨胀并推动油液通过主阀进入液压缸进油腔，推动活塞实现弹射，液压缸回油腔油液作为补充流量通过差动回路引回进油腔。弹射结束，切换伺服阀使其进出油口连通，主阀重新关闭，通过相关辅助回路使液压缸回缩复位，准备下次弹射。

图 1 液压弹射动力系统原理 图Fig.1 Schematic diagram of hydraulic catapultpower system1.2 高速液压缸缓冲结构高速液压缸必须进行适当的缓冲与制动，以避免产生强烈的撞击与振动，采用液压缸内部缓冲结构较合适 。如图2所示 ，缓冲结构由缓冲活塞 、活塞和复位弹簧组成，活塞与活塞杆刚性连接。图2(a)中，缓冲活塞首先进入缓冲区，部分遮盖回油口，提高回油腔压力，起到辅助缓冲作用；图2(b)中，当缓冲活塞与液压缸缸盖接触，缓冲活塞停止运动，活塞继续推动活塞杆向前运动，活塞与缓冲活塞之间的容腔(称为缓冲腔)在活塞的挤压作用下 ，油液压力(称为缓冲腔压力)急剧升高，阻碍活塞运动。由于缓冲活塞带有锥型凸缘，缓冲腔的油液受挤压流动的截面积是逐渐变小的，缓冲效果比较平稳。缓冲过程结束后，由复位弹簧使缓冲活塞与活塞分离复位。

2 系统设计分析液压动力系统在弹射过程中加速液压缸活塞使其最大速度超过8.0 m/s，进入液压缸的油液流量在活塞速度最大时达到最大，根据流量连续性方程(1)式计算接近2 000 L/min.液压泵的瞬时流量达不到要求，采用蓄能器提供此流量。

QAv， (1)式中：Q为流过管道任-横截面的流量；A为管道横截面有效面积； 为油液在管道中的平均流速。

动力系统在弹射过程中，蓄能器气体膨胀对外做功转变为弹射组件(活塞组件及负载)的动能及管路中损耗的热能，根据能量公式得第 4期 液压弹射机构动力系统研究(a)辅助缓冲阶段(a)Secondary cushion stage(b)主要缓冲阶段(b)Main cushion stage图 2 高速液压缸缓 冲结构Fig.2 High speed cylinder cushion structurep A r7÷mu ApAV， (2)式中： 为蓄能器弹射过程中的平均压力；m为活塞组件及负载总质量；为负载速度；叼为机械及容积总效率 ；弹射过程所需油液体积1 2m AV - . (3) PBr/- p△p为管路总压力损失，由沿程和局部损失两部分构成，由于管路短而粗，以局部压力损失为主。由于管路流道复杂且存在局部阻力区域的重叠干扰，按(4)式计算的结果不够准确，需通过试验确定。

Ap∑A寺等∑ 等， (4)式中：A为沿程阻力系数；z和d分别为管路长度与直径 ；p为油液密度 ； 为局部阻力系数。

若系统结构参数不变，由(4)式知 △p只与液流速度相关 ，可在空载状态下测出不 同弹射速度对应的 △p值进行标定，则不同质量负载所需蓄能器平均压力 可按(5)式计算。

P- P-o 2 ， (5) a 十- - - 式中：p-。为空载时蓄能器平均压力；m。为空载质量。

3 数学模型将液压动力 系统工作 过程分为 2个 阶段：1)弹射过程，从开始至负载获得最大速度并脱离液压缸；2)缓冲过程，负载已被弹出，活塞组件在缓冲作用下，速度由最大减至较小值。

3.1 弹射过程数学模型弹射过程 中，高压油液通过主阀进入液压缸进油腔，其简化模型如图3所示，由2部分构成：1)蓄能器排出的油液，为主要部分；2)液压缸差动回路引回的油液 ，即Q Q Q：， (6)式中：Q 为流人液压缸进油腔的流量；Q 为蓄能器排油流量 ；Q：为液压缸 回油腔流出的流量。

如图3所示，按照流体动力学理论，流入液压缸进油腔的流量 Q (弹射流量)与从液压缸回油腔流出的流量 Q 分别为Q A √ ， ㈩Q A √ . ㈩液压缸进油腔与回油腔的流量连接性方程分别为A ，A： - . ，据牛顿运动定律，液压缸活塞组件及其负载的动力学方程为m -p2Azmg-Fr-B dy )(7)式 ～(11)式 中：C 为流量系数 ，取 0.6；A 为进油节流面积，即主阀阀口开启面积，与主阀芯位移成正比；A 为回油节流面积；p 、P 、P 分别为蓄能器、液压缸进油腔和回油腔压力 ； 。、A：为液压缸进 回油腔活塞面积；Y为液压缸活塞杆位移 ；V 、l，2为液压缸进回油腔容积 ；E 为油液弹性模量 ，取 700 MPa；为液压缸活塞和活塞杆处 密封件的库伦摩擦力 ；B 为粘性摩擦系数。

伺服阀响应时间决定主阀开启速度，即决定系统响应速度。伺服阀响应时间为5 ms，并假定阀芯位移按线性变化，如图 3所示，主阀阀芯运动过程中，回油节流口的流量方程为cdAm√ . )主阀回油腔的流量连续性方程为462 兵 工 学 报 第34卷Q -Av dyv- . (13)主阀阀芯的动力学方程为m -(p )Av-Kmy -- dyv. )(12)式 ～(14)式中：Q 为主阀回油流量；p 为主阀回油腔压力；A 为主阀回油节流面积，即伺服阀开口面积；A 为主阀阀芯作用面积；y 为主阀芯位移；为主阀回油腔体积 ；m 为主阀芯质量 ，B-为主阀粘性摩擦系数。

蓄能器气体膨胀过程时间较短，气体状态变化可按绝热过程处理 ，即p g0 P gVk. (15)蓄能器液体部分，活塞推动油液迅速排出，其排出油液流量为-。

dy，Q . ) s- s · (蓄能器活塞动力学方程为m - -- 誓. )(15)式 ～(17)式中：Vs、Vso为蓄能器油液体积及其初始体积， V A Y ；p 为蓄能器油液压力；ppg0为蓄能器气体压力及其初始压力；Vs、V 为蓄能器气体体积及其初始体积，V Vg0A y ；A 为蓄能器活塞面积；m 为蓄能器活塞质量；Y 为蓄能器活塞行程；F 为蓄能器活塞密封件库伦摩擦力；B 为蓄能器活塞的粘性摩擦系数；k为绝热系数，取 1.4。

图 3 液压动力系统模型Fig.3 Hydraulic power system model3.2 缓冲过程数学模型活塞缓冲过程开始时负载已经脱离，虽然液压缸速度较快但质量较婿仅是活塞组件的质量，缓冲时回油流量是活塞挤压缓冲腔的流量，如图4所示。

活塞缓冲过程中缓冲腔的流量连续方程为AnArp2图 4 活塞缓冲过程模型mcAPA 音 。

活塞缓冲过程中流出缓冲腔的流量为Q。：CdA / . (19)V P活塞组件的动力学方程为d vm - ≠ P1A1，n g-PeA。-P2A -dvK。Y。-Ffc-B o . (20)(18)式 ～(20)式中：Q 为缓冲流量；p 为缓冲腔压力；A 为缓冲节流面积，其值是缓冲活塞锥度和活塞缓冲行程的函数；y 为缓冲行程；A 为缓冲腔活塞作用面积；A 为液压缸回油腔作用面积； 为缓冲腔容积；m 为活塞组件质量；Ko为复位弹簧刚度；F 为活塞密封件库伦摩擦力；B 为缓冲过程粘性摩擦系数。

4 仿真分析与实验研究(6)式 -(17)式构成了弹射过程的液压动力系统数学模型，很难获得其解析解，采用四阶龙格库塔公式，在 MATLAB软件中编程得到其数值近似解，液 压 缸 活 塞 缓 冲过 程 也 采 用 同样 的研 究 方 法。

(18)式 -(20)式构成缓冲过程数学模型，求解可得活塞速度和缓冲腔压力随缓冲行程的变化情况，需关注的是速度的变化是否剧烈，缓冲腔压力峰值不能过高，防止破坏腔壁。动力系统主要结构参数如表 1所示。

动力系统实验原理如图 5所示 ，实验中系统及负载水平放置，活塞推动负载水平方向运动，没有负载重力作用的影响(理论上活塞竖直方向运动，存在负载重力作用影响)。由于活塞竖直向下运动过程中，重力作用对增大活塞运动速度是有益的，因此，水平试验时活塞运动速度能够达到要求，理论上第 4期 液压弹射机构动力系统研究活塞运动速度也必然能够满足弹射要求。另外，活塞缓冲过程开始时，负载被弹出，只有活塞组件的质量在缓冲制动下停止。其中 3个压力传感器 (型号：中国航天科技集团公司第701研究所 AK-2)分别测蓄能器压力 P。、液压缸进 回油腔压力 P 和 P：，速度传感器(型号：MTS传感器 RHM0300MD60)测活塞速度(弹射速度)，数字示波器 (型号：AgilentDSO6014A)记录测试数据，图5中未画出。

表 1 液压动力系统主要结构参数Tab.1 The main structural parameters ofhydraulic power system参数活塞组件及负载总质量 m/kg活塞组件质量 m /kg活塞加速行程 y/mil活塞缓冲行程 Y /ram液压缸活塞面积A /mm液压缸活塞杆面积 A2/ram主阀阀芯质量 m /kg主阀阀芯作用面积Av/ram主阀阀芯最大位移 Yv/ram伺服阀最大开口面积A /mm蓄能器活塞面积A./ram蓄能器活塞质量 m /kg蓄能器活塞最大行程Y。/ram蓄能器气体初始体积 /L缓冲腔活塞作用面积A c/mm缓冲活塞锥度图 5 液压动力 系统实 验原理Fig.5 Experimental principle of hydraulic power system图 6为理论和实测弹射过程液压缸活塞速度 曲线，20 MPa工作压力对应的理论和实测速度均能在70 ms内达到7 m/s，理论值高于实测值约 1.3 m/s。

由于理论上考虑了负载重力的影响，试验中负载水平放置，没有重力的影响，因此存在由重力引起的活塞末速度误差约0.6 m/s，其他因素包括系统初始阻力、泄漏及管道压力损失。

图7和图8中，液压缸进油腔的压力P 在极短时图6 液压缸活塞速度曲线Fig.6 Velocity curves of cylinder piston间内上升到蓄能器压力 P ，然后 P 和P。同步减校随着液压缸活塞速度增大，P 和P。的差值(压降)不断增大，这在理论和实测曲线中都反映出来，实测最大压降3 MPa(对应液压缸活塞最大速度 )大于理论值。

罨图7 弹射过程理论压力曲线Fig.7 Theoretical pressure Curves of catapult process罨图 8 弹射过程实验压力 曲线Fig.8 Experimental pressure curves of catapult process图9中，活塞缓冲速度在 12 mm缓冲行程 内由7.6 m/s减至 1.7 m/s，此后随着行程的增加，速度不再减校缓冲制动过程对缓冲活塞锥度的加工精度比较敏感 ，如果此精度不能保证，缓冲速度应有波动；另外，缓冲腔的油液挤出流动(节流部分)是按照薄壁孔的出流公式计算的，但随着缓冲行程的加大，节流部分由薄壁孔逐渐变为细长环形缝隙，这也。。 曩量兵 工 学 报 第34卷是理论和实验速度差异的部分原因。

图9 液压缸活塞缓冲速度曲线Fig.9 Velocity curves of cylinder piston cushion图 10的压力曲线说 明了图 9活塞速度 的变化过程，缓冲开始时，活塞速度最快，导致缓冲腔压力P 急剧升高，达到 22 MPa(缓冲前 P 仅为 6 MPa)，活塞受到很大的反向制动力，速度迅速降低，随着速度降低 P 开始回落，在 12 mm行程后基本稳定在8 MPa，缓冲过程中回油腔压力P，基本不变。

图 10 活塞缓冲过程理论压力曲线Fig.10 Theoretical pressure curves of piston cushion process5 结论传统的弹射系统采用燃气或者高压气体作为动力源。燃气温度 (1 500 oC以上)对设备安全性构成严重威胁，气动弹射装置需要附带高压气瓶，且只能单次使用，造成设备笨重，同时，气动控制元件的响应速度慢，不能满足系统快速反应的要求。因此，提出液压弹射动力系统方案，通过建立系统数学模型对其进行了理论研究，并搭建原理样机进行了试验验证 。

1)本文研究的液压弹射动力系统结合了气体易于压缩存储能量和液体易于传递动力的特点。采用伺服阀控制主阀快速开启的方案，保证了系统对指令信号的快速反应能力；采用蓄能器较长时间的充液存储能量与快速释放，保证了足够的弹射能量，不但结构紧凑且能够重复使用♂果表明：液压动力系统能够在 70 ms时间内完成活塞加速过程，活塞运动速度达到 7 m/s以上。

2)传统的液压缸缓冲结构在缸盖处设置缓冲腔，造成缸盖尺寸大结构笨重，由于缓冲腔与活塞杆密封部位相连，高速制动产生的高压会对活塞杆密封件可靠性构成威胁。采用的高速缓冲结构其缓冲腔由活塞与缓冲活塞独立组成 ，不与密封件接触 ，能够承受更高的冲击压力，且不增加液压缸外部尺寸。

结果表明：缓冲结构能够在12 mm(时间约10 ms)液压缸活塞缓冲行程内使活塞速度由 7.6 m/s降至1.7 m/s，缓 冲 效 率 达 到 95% (缓 冲 效 率 ×100%). 缓冲前动能 -