新型无人机液压弹射装置的设计与研究

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7期

，， (郑州大学机械工程学院，河南郑州　450001)

引言

无人机起飞方式众多，有手抛、火箭助推、弹射起飞等方式[1]，而弹射起飞中的液压弹射是目前国内外的研究主流。目前，液压弹射常用如下两种方案：方案一，采用液压缸带动滑轮增速系统进行弹射，该方案由液压能源系统、电液控制系统、滑轮组增速机构、缓冲机构、无人机及滑行小车等组成，由于液压缸结构特征、密封性能以及安装方式的限制，液压缸的运动速度一般只有3 m/s左右，远低于无人机的起飞速度38 m/s，所以需要设置增速比不小于12.7的增速滑轮组，而增速比越大滑轮组结构越复杂，能耗越大、效率越低、性能越差、维护成本越高，所以该方案多适用于中小型无人机低速起飞的场合。方案二，液压马达弹射方案，该方案主要由液压能源系统、液压马达、运载装置、缓冲制动系统、弹射架装置等多个分系统组成，直接由马达带动绳轮使无人机加速至起飞速度，无需增速机构，提高了系统效率，但由于液压马达排量和成本的限制，该方案多用于中小型无人机的弹射起飞[2]。

为满足中、重型无人机弹射起飞的要求，提出了一种新型无人机液压弹射系统，该系统采用液压缸带动齿轮齿条增速原理，增速比可达15倍，该方案结构紧凑、性能稳定、成本低，最高可弹射质量为400 kg的无人机。

1　无人机弹射起飞工作原理

无人机液压弹射起飞装置结构图如图1所示，包括弹射轨道2、液压系统3、增速系统4、缓冲系统5、拖车6、滑行小车7等组成。

图1　无人机液压弹射系统整体结构图

无人机置于滑行小车上，滑行小车通过钢丝绳与绳轮连接，绳轮通过花键与增速系统中增速箱的齿轮输出轴连接，在液压缸的两端设置有齿条(齿条与液压缸同步运动)。弹射前，滑行小车由卡紧装置固定在轨道上，由液压泵向蓄能器充入高压油液[3]，当油压达到设定值时，溢流阀溢流，该过程为蓄能器储能阶段；弹射时，液控单向阀反向开启，高压油液瞬间进入增速系统液压缸的无杆腔中，在高压油液的推动下缸体向前运动(活塞杆固定)，带动固定在缸体左右两侧的齿条运动，齿条又与增速箱输入轴小齿轮啮合，从而带动固定在两个增速箱高速轴上的绳轮做高速转动，无人机和滑行小车在钢丝绳牵引力的作用下沿轨道迅速加速[4]，达到起飞速度后与设置在轨道末端的缓冲液压缸上的缓冲块撞击，无人机脱离滑车后在自身动力和惯性的作用下弹射起飞，该过程为无人机弹射起飞过程；弹射后，滑行小车最终通过绳轮制动和撞击缓冲液压缸上的缓冲块儿而停止。无人机顺利弹射后，液压系统同时完成复位状态，即：增速系统液压缸、绳轮制动液压缸活塞杆收回、缓冲液压缸活塞杆伸出，高压油泵向蓄能器充油，蓄能器处于满载状态。

2　增速系统

2.1　工作原理

增速系统的作用是使无人机随滑行小车在有限长度的轨道上加速至安全起飞速度。结合滑轮增速系统的不足，提出一种新的增速系统，如图2所示。

该增速系统由增速箱1、绳轮2、液压缸3、齿条4、油箱5组成。增速箱放在两侧的油箱上，绳轮通过花键连接到两增速箱高速轴之间，两个齿条固定在液压缸两侧(齿条与液压缸同步运动)，与增速箱低速轴小齿轮相啮合。高压油液进入液压缸无杆腔，推动液压缸及齿条向前运动，从而可以通过增速箱使绳轮高速转动，以使无人机迅速加速到起飞速度。

1.增速箱　2.绳轮　3.液压缸　4.齿条　5.邮箱

2.2　增速系统关键结构设计计算方程

在对增速系统关键结构进行选型设计时，可根据无人机弹射技术指标的要求[5]，通过对滑行小车加速过程动力学分析，并对绳轮及增速箱齿轮进行受力分析，确定增速箱齿轮模数、分度圆直径及齿宽等参数；并根据所受扭矩确定轴的直径；以及对液压缸进行推力及速度计算，确定液压缸的活塞杆推力、运动速度、工作压力、活塞有效面积和行程。增速箱和液压缸选型设计计算方程如下(式中符号见表1)。

表1　符号索引

齿轮设计公式：

轴设计公式：

液压缸设计公式：

设计计算时将初始参数设为无人机400 kg，起飞速度38 m/s，传动比12.7。通过计算分析得出三组齿轮模数分别为8、10、12；齿宽分别为110 mm、145 mm、170 mm；液压缸内径160 mm，活塞杆直径80 mm，传动比15。该系统结构紧凑，安全可靠，效率高，在尺寸、结构及性能上完全可以成功的将中到重型无人机(300～400 kg)以38 m/s的速度发射出去，解决了目前只能发射中小型无人机这个瓶颈，并为以后其他类型的无人机弹射器的研究奠定了基础。

3　液压系统的设计

液压系统是无人机弹射系统的动力源，是系统的核心部分[6]，而蓄能器可瞬时释放大量的高压油，可使无人机瞬时加速到较大的速度，因此选用蓄能器作为储能元件；该液压弹射系统需满足在蓄能器充油压力为25 MPa时，短时间内(0.7 s)将质量最高为400 kg 的无人机以38 m/s弹射起飞。液压缸具有结构简单、性能可靠等优点，作为系统的执行机构。液压原理图如图3所示。

整个液压系统主要分为以下四个阶段。电磁阀通、断电顺序如表2所示。

1) 蓄能器储能阶段

按下电机启动按钮，电机带动液压泵工作，油液通过单向阀5进入蓄能器7中，当蓄能器压力达到设定值时，溢流阀4溢流，充油结束，蓄能器储能。

2) 无人机弹射阶段

电磁换向球阀8、电磁换向阀10右侧通电，液控单向阀9反向开启，蓄能器7中的高压油液经过液控单向阀9迅速进入弹射液压缸的无杆腔，推动液压缸缸体向前运动，通过增速箱带动绳轮高速转动，完成无人机的发射阶段。

3) 缓冲阶段

所研究的缓冲系统由两部分组成，一是电磁换向阀13右侧通电(电磁换向阀8断电)，油液进入缓冲液压缸7的无杆腔中，通过背压阀11决定无杆腔中油液的压力，在滑行小车撞击冲击块16时，通过油液的压缩性来吸收一定的冲击能；二是通过给换向阀12右侧通电，油液进入绳轮制动液压缸17，从而使绳轮抱紧装置作用，抱紧绳轮，从而通过连接在滑行小车后侧的钢丝绳制动滑行小车。值得注意的是，两部分缓冲装置需同时作用，并合理匹配其结构参数和工作参数，以避免钢丝绳受力过大而崩断。

1.油箱　2.过滤器　3.液压泵　4.先导式溢流阀　5.单向阀 6.压力表　7.蓄能器　8.电磁换向球阀　9.液控单向阀 10、12、13.电磁换向阀　11.背压阀 14、17.弹射液压缸　15.缓冲液压缸　16.缓冲块

4) 液压缸复位

一次弹射结束后，电磁换向阀10、电磁换向阀9和电磁换向阀5左侧通电，液压缸14、15、17复位。

表2　电磁阀通断电顺序

4　试验验证

为了研究蓄能器充油压力对弹射性能的影响，在生产现场分别对蓄能器充油压力为15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa时对无人机起飞速度和弹射时间的影响做了试验验证，得出结果如表3所示。

表3　充油压力的影响

由试验数据得知，该系统在25 MPa时，满足了无人机起飞速度为38 m/s的性能指标，并且随着充油压力的增大，液压缸推力增大，无人机起飞速度增大，弹射时间缩短。当压力每增加5 MPa 时，起飞速度增加率分别为7.1%、5.2%和1.3%，起飞速度增加趋势减小，因此可通过适当的增加蓄能器充油压力来提高无人机末速度。