油气悬架越野火箭炮的发射振动性能

贾召敏，曹 兵，张云波，李文博

（南京理工大学机械工程学院，南京 210094）

油气悬架越野火箭炮的发射振动性能

贾召敏，曹 兵，张云波，李文博

（南京理工大学机械工程学院，南京 210094）

针对某型火箭炮在发射过程中的冲击对越野车垂直和俯仰的振动影响，基于数学模型和AMESim软件分别搭建了前后两车桥连通式油气悬架和独立式油气悬架的仿真模型，研究了在发射过程中冲击作用下对越野车的振动性能影响，并与独立式油气悬架的越野火箭炮的振动性能进行对比，分析了这两种油气悬架刚度特性，研究表明:连通式油气悬架能够有效降低车身垂向振动加速度和俯仰角加速度，平衡车桥载荷，快速保持发射后越野车的稳定，减小对越野车的破坏性。

连通式油气悬架，独立式油气悬架，火箭炮，AMESim

0 引言

油气悬架将液压传动控制和悬吊系统两项技术结合，是发展现代特种车辆及大型车辆的关键技术之一，已经广泛应用于军用车辆、工程机械、乘用车、油气悬挂系统具有刚度渐变和非线性铅垂线刚度特性，在崎岖路面时，悬挂动行程加大，悬挂刚度增大，可增加悬挂的抗冲击能力，降低悬挂被击穿的概率，提高车辆的越野行驶车速，同时，通过油路的沟通，油气悬挂可以提高车身的侧倾角刚度，在良好的路面状况时，悬挂动行程较小，悬挂刚度较小，可以减小上传车身的垂直力，降低车身的垂直加速度，提高车辆的行驶平顺性。

王欣［1］建立的同轴连通式油气悬架系统的数学模型，基于Simulink分析了油气弹簧参数对侧倾角刚度和铅垂线刚度的影响，林国问［2］基于5自由度1/4导弹发射车模型和AMESim软件，对比分析了采用两种悬架时在不同激励下导弹发射车的垂向振动特性，庄德军［3］建立了油气弹簧非线性数学模型,对不同幅值和激振频率下的油气弹簧进行仿真分析，纵观已发表的文献，对油气悬架的研究主要集中在车辆平顺性以及油气悬架数学模型建立与仿真分析等方面。

连通式油气悬架系统有别于独立式油气悬架系统，它是利用油管将两车桥上的油气悬架系统的油室或者气室相连，可以使越野车各车桥在不平路面或者发射时使两轴载荷分配上保持均衡，使两车桥轮胎产生较大的位移，接地性能良好。

本文研究的某高机动越野火箭炮前后两个车桥，其上的油气悬架系统共两组，同侧两车桥上的油气悬架连通为一组，即左前与左后、右前与右后两个组，鉴于整个系统建模复杂，本文利用专业的液压软件AMESim搭建了其中一组2桥连通式油气悬架系统，并基于此基础上构建了1/2车动力学仿真模型，为了加以比较，文中还构建了一组2桥独立式油气悬架系统。通过给车体施加不同的激励，分别研究了两种类型的越野火箭炮的垂向振动、俯仰振动。

1 越野火箭炮物理模型与数学模型

1.1 物理模型

本文研究对象是某高机动越野多管火箭炮，主要由柔性车梁，连通式油气悬架，回转台，底座，储运发射箱，定向器，多管火箭弹等组成，该多管火箭炮的结构如图1所示。

图1 某高机动越野火箭炮的结构示意图

油气悬架主要由蓄能器和液压缸组成。气室中有油气隔膜，将气室分开，一侧设有充气阀，充入高压工业氮气；另一侧与液压缸的内腔相通，充满减振液。液压缸主要由阻尼阀、活塞及缸筒等组成，两端分别与车桥和车架相连接，当载荷增加时，液压缸活塞上移，使内腔容积减小，迫使减振液进人气室一侧，推动油气隔膜向另一侧移动，压缩其中的气体，使压力升高。此压力的反作用力又通过减振液传给活塞，使之与悬架承受的载荷相平衡，越野车运行中，当车架与车桥产生相对运动时，活塞在液压缸筒内上下滑动，推动减振液在液压缸与气室之间经过阻尼阀流动使振动迅速衰减，从而起减振器的作用，结构如图2所示。

图2 单气室油气弹簧结构示意图

1.2 数学模型

根据油气悬架的工作原理可知，在外界激励作用下，油气悬架的输出作用力主要由气体弹性力Fs、油液阻尼力FR和摩擦力Ff3部分组成，在工程应用上，由于摩擦力Ff占比重小，可忽略运动时产生的摩擦力Ff，则输出作用力：,朱孙科［4］得到的油气悬架的气体弹性力Fs、油液阻尼力FR分别为：

式中：为蓄能器平衡位置时气体压强；为蓄能器平衡位置时气体体积；为液腔I腔的截面面积；为液腔II腔的截面面积。

式中：sign为符号函数，定义油气悬架伸张行程为正方向，当油气悬架处于压缩行程时，速度x＜0,sin（x）=-1，当油气悬架处于伸张行程时，速度 x＞0，sin（x）=1；ρ为油液密度；A液II为液腔II腔的截面面积；Cd1为阻尼孔的流量系数；A01为阻尼孔的截面积；Cd2为单向阀的流量系数；A02为单向阀的有效过流面积；除阻尼力FR和相对速度外，式中其他参数均为定值。

根据简化的平面模型，推导出1/2越野车振动微分方程为：

上式中m为1/2越野车悬挂质量；J为1/2越野车转动惯量；lj（j=1，2）分别为两个车桥到质心的距离；mj（j=1，2）分别为两个簧下质量；kj（j=1，2）为两个轮胎的等效非线性弹性系数；Cj（j=1，2）为两个轮胎的等效非线性阻尼系数；X为悬挂质量位移；Xj（j=1，2）为簧下质量垂向位移；Cii（i=1，2）为油气悬架刚度系数；q为油气悬架阻尼系数；θ为路面输入；为车身俯仰角［5］。

图3 1/2连通式油气悬架模型

图4 1/2独立式油气悬架模型

2 仿真模型建立

当悬架结构和外界负载确定时，油气弹簧刚度取决于每个气室气柱高度之和，相比独立式油气悬架系统，连通式油气悬架系统其两车桥上的油室是相连通，随着车体的振动，在一定时间内油缸中的油液压力是基本相等的，但由于液压管路较长，压力的相位会有一定的滞后时间，此时，每个油气弹簧的刚度均相等且取决于总的气柱高度，如果总的气柱高度不发生变，单个油气弹簧的刚度也不发生变;当气柱高度发生变化时，每个油气弹簧的刚度会相应的变化但相等，连通式油气悬架系统表现为串联的性质，由于仿真时间较短，可以认为系统是在静止状态下受到到阶跃信号的激励，同时，文中研究的是两个车桥上的油气弹簧相互连通，因此，系统的整体刚度相较于独立式有所下降，对改善系统的垂向振动和俯仰振动性能有明显的作用［6］。

在多管火箭炮发射过程中，其后坐力会对车身产生突加载荷，文中研究了突加载荷的激励下越野车的垂向振动和俯仰振动响应，在0 s~0.5 s时，车身保持稳定，在0.5 s时施加幅值为2X103N的阶跃载荷来模拟突加载荷，以模拟多管火箭炮发射式时瞬时产生的后坐力,考虑到路面不平和轮胎的弹性变形，用正弦信号来模拟其对连通式油气悬架的影响，幅值为50mm，频率为2Hz,其中前桥的输入激励比后桥相位上超前180°，仿真时间为5 s，步长为0.001s,重要的仿真模型参数如表1所示［7］，其中蓄能器的初始充气压力需要特别注意，在仿真的时候要调整到使车身保持平衡状态，阻尼孔直径的大小直接关系到系统对阶跃相应的衰减速度。

表1 仿真模型参数

由于两轴连通式油气悬架系统数学模型比较复杂，利用解析方法求解很难解决，目前处理这方面的方法基本上都是采用定性分析或者计算机仿真，文中通过液压软件AMESim搭建了包含两轴连通式油气悬架系统的多管火箭炮越野车连通式油气悬架的仿真模型，为了对比分析，同时也搭建了多管火箭炮越野车独立式油气悬架仿真模型［8］，文中搭建仿真模型的同时，考虑了油管长度对压力损失的影响，橡胶管弹性模量和管路长度在表1中详细的列出，以尽可能建立符合实际工况下的油气悬架系统，搭建的连通式油气悬架仿真模型如图5所示，独立式油气悬架仿真模型如图6所示。

图5 连通式油气悬架仿真模型

图6 独立式油气悬架仿真模型

通过对两种模型的仿真分析，可以分别得到连通式油气悬架与独立式油气悬架情况下车身的垂向位移变化曲线和加速度变化曲线，如图7、图8所示；车身的俯仰角度变化曲线和角加速度变化曲线，如图9、图10所示。

图7 车身垂向位移变化曲线

图8 车身垂向加速度变化曲线

图9 车身俯仰角度变化曲线

图10 车身俯仰角加速度变化曲线

3 结论

文中分别建立了两桥连通式油气悬架系统和两桥独立式油气悬架系统的越野车仿真模型，在发射冲击的作用下，研究了连通式油气悬架系统对车辆的垂向和俯仰的振动性能影响，并与独立式油气悬架系统对车辆的振动性能影响进行了比较，主要得出以下结论。

通过对比车身的垂向位移曲线和俯仰角度曲线，可以明显看到连通式油气悬架相比独立式油气悬架更能有效减少车身振动，快速使车身保持稳定，平衡车桥载荷，这对火箭炮多管连续发射有重要的意义，可以有效提高火箭炮的射击密集度。

连通式油气悬架系统相比独立式，其垂向加速度和俯仰角加速度幅值较小，可以有效减小对车辆的破坏，提高车辆的使用寿命。

连通式油气悬架系统的刚度特性和独立式油气悬架系统的刚度特性是不同的，且前者的刚度小于后者的刚度。

通过仿真分析和理论公式的对比，本文通过AMESim软件搭建系统模型并进行系统性能研究，表明其对复杂液压系统研究是一种行之有效的方法。

［1］王欣，方新，高顺德.连通式油气悬挂系统刚度特性分析［J］.机床与液压，2012，40（9）：55-57.

［2］林国问，马大为，朱忠领.基于多轴连通式油气悬架的导弹发射车振动性能研究［J］.振动与冲击，2013，32（12）：144-148.

［3］庄德军，柳江，喻凡，等.汽车油气弹簧非线性数学模型及特性［J］.上海交通大学学报，2005，39（9）：1441-1444.

［4］马国清，檀润华.油气悬挂系统的非线性数学模型的建立及其计算机仿真［J］.机械工程学报，2002，38（5）：95-99.

［5］过学迅，吴涛.多轴油气平衡悬架振动性能研究［J］.华中科技大学学报，2001，29（1）：30-32.

［6］Yousefi A，Lohmann B.Order Reduction of Nonlinear Hydro Pneumatic Vehicle Suspension［C］//Proceeding of the 2006 IEEE International Conference on Control Applications，2006：1404-1408．

［7］Cao D，R akheja S，Su C Y.Pitch Plane Analysis of a Twin Gas Chamber Strut Suspension［J］.Journal of Automobile Engineering，2008，222（8）：1313-1335.

［8］Schumann A R，Anderson R J.Optimal Control of an Active Antiroll Suspension for an Off-road Utility Vehicle Using Interconnected Hydra Gas Suspension Units[J].Vehicle System Dynamics，2003，37（2）：145-156.

Vibration of a Rocket Artillery w ith Hyd-ropneumatic Vehicle Suspension

JIA Zhao-min，CAOBing，ZHANGYun-bo，LIWen-bo
（School ofMechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Considering influence of impact of rocket artillery during the launch to the off-road vehicle vertical and pitching vibration’s vibration characteristic，the simulation models of an interconnected HPSof two bridge from front and back and an independent HPSwere built based on the mathematic model and AMESim software，studied the impact and vibration effects on the off-road vehicle in the emission process，and compared with that with an independent HPS，analyzed the stiffness characteristics of the two type of hydro pneumatic suspension，research shows that:the interconnected hydro-pneumatic suspension can effectively reduce the vertical vibration acceleration and pitch angular acceleration，balance different axle load，keep stable for off-road vehicle quickly after emission，reduce the destruction on the off-road vehicle.

interconnected hydro-pneumatic suspension，independenthydro-pneumatic suspension，rocketartillery，AMESim

TJ713

A

1002-0640（2015）11-0163-04

2014-09-05

2014-11-12

贾召敏（1986- ），男，陕西宝鸡人，硕士研究生。研究方向：机电一体化。