自动供输弹系统机电液一体化建模与仿真研究

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(1.军械工程学院， 河北 石家庄　050003； 2. 军械技术研究所， 河北 石家庄　050003)

引言

自动供输弹系统是集机电液为一体的自动化程度较高的复杂系统，该系统在自行火炮中扮演着极为重要的角色，它能快速自动的实现弹药的自动选择和装填，可以为战场环境节约大量的人力物力和战斗时间。该系统自装备部队以来，为进一步提高系统的工作效率和稳定性，国内外的专家学者对系统开展了大量的研究，取得了丰硕的成果，然而，在这些研究成果中，大部分是针对自动供输弹系统中的某一个子系统进行的分析和研究，在对整个自动供输弹系统机电液一体化仿真研究方面几乎还是一片空白[1-4]。因此，对整机一体化系统进行仿真研究对于系统结构优化设计和深入研究已经成为一种迫切需求。

对自动供输弹系统进行一体化仿真研究涉及到机械、控制、电子和液压等多学科领域，传统的物理样机研究模式存在周期较长、成本较高且修改不易等困难，而利用虚拟样机技术则能够较好的克服这些困难[5-7]，本研究拟对自动供输弹系统虚拟样机技术进行研究，将自动供输弹系统的机械、控制和液压子系统分开来建模，利用三种软件Pro/E、RecurDyn、MATLAB等建立了自动供输弹系统相应子系统的参数化模块模型，建立了基于多种平台的虚拟样机模型，并在此基础上进行了系统的机电液一体化联合仿真研究。

1　机电液一体化建模方法

自动供输弹系统机械子系统仿真模型的建立需要依赖两种软件Pro/E和RecurDyn。首先，在Pro/E软件中建立起带有质量、转动惯量的自动供输弹系统各子机构的三维模型，将模型装配完成后经简化处理导入多体仿真软件RecurDyn中，利用RecurDyn软件中相应的约束库和载荷库建立起自动供输弹系统的动力学仿真模型。

RecurDyn软件的主要优点是能够进行机械系统的动力学仿真分析，而对于像供输弹系统这样较为复杂的机电液一体化系统，仅仅依靠RecurDyn软件是远远不够的，但是RecurDyn软件提供了与很多优秀的控制软件的接口功能，利用这些功能可以对复杂的机电液一体化系统进行联合仿真测试。本研究利用MATLAB软件的Simulink模块建立了自动供输弹系统的液压系统模型和控制策略模块。由于供输弹系统的液压和控制子系统很难分开来建模，要想利用RecurDyn软件的Hydraulic和Control工具箱对系统进行精确的控制比较困难，所以利用Simulink软件包的模块化建模方法，对系统的控制策略和液压子系统及元件建立模块化模型，然后利用RecurDyn软件之间的接口实现机电液系统之间的互联互调。

2　机械系统和液压系统之间交互参数设置

对自动供输弹系统虚拟样机进行仿真研究需要将在不同软件中协同工作生成的不同类型的数据和模型集成为有机关联的整体，而模型之间的集成需要数据的传输和参数的关联来实现，而自动供输弹系统工作过程中的主要动力是由液压系统提供的，因此两者之间有着极为密切的联系。根据机械动力学原理，自动供输弹系统的机械子系统受到液压系统输出力和外界负载的共同作用，在相关约束作用下，输出各种运动学参数，如图1所示。

图1　自动供输弹机械系统与液压系统之间的交互关系

图1中A、B代表的是机构直线运动的速度和位移，v、e代表机构旋转运动时边界点处的切向线速度和角位移，液压缸输出压力为F=A1p1-A2p2-f，其中A1为液压缸无杆腔活塞的面积，A2为液压缸有杆腔活塞面积，p1为液压缸无杆腔压力，p2为液压缸有杆腔压力，f表示活塞杆运动过程的压力损失。

马达输出转矩为T=VΔp/2π，式中V为马达排量，Δp为马达输入口和输出口之间的压力差。

如此可以使自动供输弹系统中的机械部件产生旋转运动和直线运动。

从图1中也可以看出，机械系统也反作用于外界负载和液压系统。供输弹系统的机械子系统模型对负载的影响主要是弹丸或药筒在整个供输弹过程中位置的变化引起的。供输弹机构在供弹和输弹过程中各机构输出的位移、速度、角速度和角位移等参数对液压系统模型的影响主要集中在马达流量和液压缸压力上。

图2　液压缸原理图

在虚拟样机环境中将自动供输弹系统的机械和液压系统有机的整合实质上就是上述状态参数之间的相互传递，使得两个系统之间实现有机的关联，自动供输弹系统模型中力和力矩的大小引用液压系统模型中的液压力及力矩输出，而在液压系统模型的各元器件流量和压力方程中也引用机械系统中各点的速度和位移函数。

3　MATLAB仿真模型的建立

RecurDyn软件中包含的Controls模块能够提供与MATLAB之间的标准接口，在接口对话框中可以方便的设置输入输出变量，每一个输入输出变量都可以在RecurDyn中定义成相应的状态变量，使供输弹机械系统的运动方程与液压系统的驱动作用关联起来，而供输弹机械系统中与液压驱动紧密相连的部件主要有协调器和输弹机两大部分，根据液压-控制驱动原理，可以对协调器及输弹机刚体动力学进行如下分析。

根据协调器工作原理，协调器属于单自由度系统，其动力学方程可以表示为：

Q=2Tdi1η1η2η3-TR+TG

(1)

式中，Td表示电机的驱动力矩；i1、i2、i3分别表示总的传动比，齿轮2、3到蜗轮的传动比和涡轮蜗杆的传动比；η1、η2、η3分别表示传动效率；I01、I23、I45、I6分别表示电动机和齿轮1，齿轮2和齿轮3，齿轮4和蜗杆，以及蜗轮、弹丸和支臂的转动惯量；TR为平衡机对支臂转轴的作用力矩；TG为重力矩。

根据刚体动力学原理，容易得出输弹机系统各构件转动惯量Je及等效力矩Me的表达式分别为：

(2)

(3)

式中：vsj为第j个构件的质心速度；Jj为第j个构件的转动惯量；ωj为第j个构件的角速度；ω为等效构件的角速度；n为活动构件总数；Je为等效转动惯量；φ为转角；Me为等效力矩，Me=Md-Mr；Md为驱动力矩，Mr为阻力矩。

而液压驱动系统油缸压力:

(4)

式中，p0和S分别表示为蓄能器初压和油缸活塞面积；V0为气体初始容积。

液压缸的流量q和活塞位移y之间的关系为：

(5)

式中，Vt表示从滑阀出口到液压缸活塞的两腔总体积；βe表示油液有效体积弹性模数；Ke表示滑阀的流量压力系数；m为负载质量；A为油压缸工作面积。

在MATLAB中打开生成的M文件，在其中设置和添加液压控制系统模型，如图3所示，U为输入变量，Y为输出变量，t为时间变量。

图3　接口参数设置

自动供输弹系统的液压系统模型按照实际系统功能可以分成几个模块，其中各种控制系统是作为一些与液压系统互相关联的模块嵌套其中，在M文件中添加已经建立好的液压控制系统模块后如图4所示。图中的联合仿真模型主要由4大模块组成，包括协调回路模块、输弹回路模块、摆弹回路模块和液压马达回路模块。各回路模块的工作原理基本相同，以液压马达回路模块为例来进行说明，将液压马达回路的阀芯位移作为输入，经由液压马达回路控制系统模块后，得出液压缸输出力和输出力矩，其中输出力矩由显示器1显示，输出力通过与RecurDyn接口模块联接进行仿真后得出液压马达的转速，而马达的转速通过反馈调节的方式反作用于回路模块， 于是形成一个闭合的联合仿真控制回路。

4　机电液一体化模型验证

为了确定一体化模型具有较高的精度，本研究采用实验值与仿真值对比校核的方法对联合仿真模型进行验证。所采用的实验条件和工况为：整个供输弹系统在水平地面上处于静止状态，火炮射角为30°，供弹机上只安放一发弹丸用于试验，弹丸为标准弹重，在弹筒内处于水平静止状态。对系统进行实验测试得出相关测试结果。在同等条件下对一体化联合仿真模型进行仿真分析，将所得的供弹机供弹阶段、协调器协调和摆弹阶段及输弹机输弹阶段弹丸的位移及速度仿真结果与实验测试数据进行对比所得曲线如表1-3所示，从自动供输弹系统三个关键阶段的仿真结果与实验数据的对比来看，两者比较吻合，证明所建立的机电液一体化虚拟样机模型具有较高的可信度，可用于进行更深入的仿真研究。

图4　联合仿真模型

项目弹丸速度最大值/m·s-1弹丸速度最小值/m·s-1弹丸速度平均值/m·s-1实测值0.2270.1220.187仿真值0.2250.1250.182

表2　协调阶段弹丸速度实测值与仿真值对比

表3　输弹阶段弹丸速度实测值与仿真值对比

5　结论

本研究利用RecurDyn软件和MATLAB软件建立了自动供输弹系统的机电液一体化联合仿真模型，并利用实验数据验证了仿真模型的正确性，通过对比发现，联合仿真模型仿真结果较以往的单个机械子系统虚拟样机模型仿真结果具有更高的精度。联合仿真模型的建立方法为后期大型复杂的机电液一体化系统仿真研究提供了一定的方法支撑，所建立的联合仿真模型为供输弹系统的优化设计及勤务保障提供了一定参考。

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