无人机液压弹射器制动系统的结构设计与研究

2015-04-16郑州大学机械工程学院河南郑州450001

液压与气动 2015年9期

，， (郑州大学机械工程学院，河南郑州　450001)

引言

目前，随着各领域对无人机的应用越来越多，对无人机弹射技术的需求越来越高，这就导致无人机弹射起飞后制动系统对滑行小车的制动性能的要求越来越高，达到制动系统要求的制动效果所需的技术难度也越来越大[1]。本研究提出了一种新型的无人机液压弹射器制动系统结构设计方案，并对该方案进行了理论研究和试验验证。

制动系统的主要作用是在高速运动的滑车接近弹射架终端时，利用蓄能器或耗能元件快速吸收滑车的动能，从而降低滑车对设备的机械冲击[2]。对于弹射质量较大，起飞速度较高的无人机，仅依靠滑车缓冲系统来实现滑车的制动，会产生缓冲系统压力过高、钢丝绳受力过大、缓冲行程过长等问题[3]。制动系统同时包括两个制动分系统：绳轮制动系统、滑车缓冲系统，这两个制动分系统先后对滑车进行多次降速，最终达到制动目的，既解决了上述问题又使系统具备了制动能力强、可靠性高且无反弹、便于控制等特点。

1　液压弹射器制动系统工作原理

该制动系统由绳轮制动系统、滑车缓冲系统两个制动分系统组成，其中绳轮制动系统主要用来通过降低绳轮转速达到制动目的，主要由液压马达、绳轮、溢流阀、制动模块、钢丝绳组成；其中，制动模块如图1所示，滑车缓冲系统主要通过吸收滑车动能来降速，主要由弹射架、滑车、滑块和缓冲液压缸组成。这两个制动分系统相互配合最终达到制动目的。

1.制动液压缸　2.中间连接板　3.侧连接板　4.邮箱侧壁 5.摩擦片连接板　6.摩擦片　7.绳轮

整个系统工作原理简图如图2所示，当滑车速度将要达到35 m/s时，滑车压下行程开关，液压动力源关闭，电磁换向阀开始换向。其中行程开关和滑块之间的距离是通过电磁换向阀的换向延迟时间计算而得[4]，使滑车在碰到滑块的同时，无人机刚好达到弹射速度并脱离滑车，缓冲过程开始。与此同时，在阀控系统和溢流阀的作用下，液压马达出口压力上升，进口压力下降，从而降低马达转速；另外，制动液压缸充油使得液压缸缸体和柱塞杆同时向外运动驱动摩擦片使绳轮转速降低。该制动系统由于在制动分系统液压缸缓冲系统中增加了滑块缓冲，使得滑车在碰到滑块的瞬间，相对于单纯的液压缸缓冲瞬间阻力减小了很多，因此钢丝绳受到的瞬时拉力减小了很多，当滑车与液压缸柱塞杆碰撞时，速度已经减小到30 m/s左右，此时的液压缸最高压力和钢丝绳的最大拉力也降低了很多。最终通过两个制动分系统的降速，可以在无人机起飞后瞬间成功将滑行小车制动。

1.液压马达　2.绳轮　3.溢流阀　4.弹射架　5.后段钢丝绳 6.滑车　7.无人机　8.行程开关　9.滑块　10.缓冲液压缸 11.单向阀　12.前段钢丝绳　13.制动系统

2　液压弹射器制动系统结构设计

2.1　绳轮制动分系统

液压弹射器在缓冲初始阶段滑车的速度高达35 m/s，绳轮的转速高达160 rad/s，此时对高速转动绳轮的合理制动显得尤为重要，制动系统是整个弹射系统中的关健装置，它的制动性能直接影响了液压弹射器的安全性和稳定性[5]。该制动分系统采用制动液压缸驱动制动模块的摩擦片同时制动高速旋转绳轮的两侧以保证液压弹射器在缓冲过程中的可靠性。

如图3所示，该制动分系统主要由制动液压缸1、两侧连接板2、中间连接板3、摩擦片连接板7和石棉摩擦片6等元件组成，各个元件之间通过销轴和开口销实现铰接，中间连接板通过螺钉连接使制动系统固定在油箱侧壁上，当系统在弹射阶段时，制动系统未启动，绳轮两侧与摩擦片留有一定的制动距离；当缓冲阶段开始时，马达进出口液控单向阀关闭，出口压力逐渐升高，当压力升至制动液压缸的驱动压力时，缸体和柱塞杆同时运动，使绳轮两侧的摩擦片瞬间动作，从而完成对绳轮的制动[6]。其中，该制动分系统要求在同一时间对绳轮两侧快速制动，由于在工作过程中液压系统的压力较大、液压缸行程较长，因此采用双作用柱塞式液压缸[7]；另外，综合考虑材料的使用性能(力学、化学和物理性能)以及工艺性能(锻、铸、焊)等，选用Q345作为连接板材料，并在表面电镀铬，即增加了连接板的硬度、耐磨性和抗蚀性，又达到了良好的装饰效果[8]。

1.制动液压缸　2.两侧连接板　3.中间连接板　4.液压马达 5.绳轮　6.石棉摩擦片　7.摩擦片连接板

摩擦片是制动系统中必须要有的关键部件。它的功能主要是通过摩擦来吸收动能，从而达到制动的效果，使整个机械设备能够安全可靠地工作。摩擦片的耐磨性能、机械强度是由摩擦材料的属性决定的[8]，因此，应在综合考虑制动系统对摩擦片性能要求的基础上，选择合适的摩擦材料。本研究综合考虑摩擦系数、耐磨性以及机械强度等方面，最终选择石棉橡胶作为该制动系统的摩擦片材料，以使摩擦片达到耐磨性好、耐热性强和性能稳定的特点。

2.2　滑车缓冲分系统

如图4所示，滑车缓冲系统包括滑块和缓冲液压缸两个主要缓冲部件，其中滑块通过紧固块套接在导轨上可以沿其滑动，滑块与缓冲液压缸之间安装有缩回杆，缩回杆与液压缸中空的柱塞杆套接，柱塞杆内安有弹簧。当高速运行的滑车与滑块瞬间碰撞时，滑块在缩回杆和弹簧的作用下，沿导轨和滑车一起向前运动，直到与柱塞杆再次碰撞。由此可知，缩回杆和弹簧的作用是防止质量相对较轻的滑块在突然碰撞后会偏离导轨弹出去。缓冲液压缸的柱塞杆直径为0.063 m，缓冲行程为0.6 m。

图4　滑块和缓冲液压缸示意图

3　试验验证

由于影响无人机液压弹射器制动系统制动效果的因素众多，在生产现场通过调节制动液压缸压力和更换缓冲液压缸柱塞杆分别对影响制动效果较大的制动力矩和缓冲液压缸柱塞杆直径的变化对制动效果的影响进行试验验证，其中制动基本要求参数如表1所示，试验所得数据如表2和表3所示。

表1　制动基本要求参数

表2　制动力矩对缓冲性能的影响

表3　缓冲液压缸柱塞杆直径对缓冲性能的影响

由试验结果可知，在保证其他参数不变的条件下，制动系统的制动力矩从1200 N·m增加到4100 N·m再增加到7000 N·m时，滑车的缓冲行程由0.94 m递减至0.60 m，钢丝绳最大瞬时拉力从3.94 t降到2.41 t，液压缸最高压力为从15.3 MPa下降到10.9 MPa，由此可得，在一定范围内增加制动系统的制动力矩，既能缩短缓冲行程，同时又可以降低钢丝绳的最大瞬时拉力和液压缸最高压力。但是过大的制动力矩会导致绳轮瞬间受到较大的冲击力，同时加大了绳轮和马达连接轴的扭矩，降低了系统的可靠性。当然制动力矩也不能过小，制动力矩过小时，缓冲行程可能超过系统要求的0.9 m，柱塞杆会碰撞液压缸底部，造成系统安全性降低。综合各方面因素，最终选择制动力矩为4100 N·m的制动系统，即能满足系统的缓冲性能要求，又可以使系统很好的应用在实际工程中，使系统在拥有足够安全系数的条件下缓冲性能达到最优。

在保证其他参数不变的条件下，缓冲液压缸柱塞杆直径从0.056 m增加到0.070 m时，滑车的缓冲行程由0.92 m递减到0.74 m，钢丝绳最大瞬时拉力从1.62 t上升到2.76 t，液压缸最高压力为从11.1 MPa上升到14.6 MPa，由此可得，在一定范围内，随着柱塞杆直径的增大，缓冲行程缩短，钢丝绳最大瞬时拉力升高，但是如果柱塞杆直径过大，钢丝绳瞬时最大拉力有可能超过钢丝绳最大承受拉力3 t，如果柱塞杆直径过小，缓冲行程有可能超过柱塞杆的行程，会对液压缸造成很大的冲击，造成系统安全系数降低。

为了满足系统的缓冲性能要求，由以上图表数据对比可得，选择缓冲液压缸柱塞杆直径为0.063 m，即能缩短缓冲行程又相对减小了液压缸的最高压力，使系统的安全系数达到最大、综合缓冲性能达到最优。