多级液压缸换级缓冲仿真方法研究

王增全，巩军亮，张涛华，徐振贤，白 静

多级液压缸换级缓冲仿真方法研究

王增全1，巩军亮2，张涛华1，徐振贤1，白 静1

（1. 北京航天发射技术研究所，北京，100076；2. 中国人民解放军96111部队，韩城，715400）

某型号在作战流程中，导弹完成快速起竖后需将发射架快速回收到位，发射架起竖、下放时间及过程中的冲击响应对型号的作战准备时间及发射安全性有重要影响，多级起竖液压缸在发射架快速回收过程换级时会产生较大的冲击振动，为解决这一问题，液压缸在换级时研制了节流缓冲装置。针对此技术开展仿真方法研究，对液压系统起竖回路及缓冲装置进行了理论分析，基于某型号多级起竖液压缸建立机械液压联合仿真模型，通过与试验数据的对比，验证了该仿真方法的正确性，对控制流程优化和液压系统缓冲参数的确定具有指导作用。

节流缓冲；多级液压缸；仿真分析

0 引 言

多级液压缸因其结构紧凑，在有限的安装空间内可实现比单级液压缸更长的行程，从而得到了越来越广泛的运用。多级液压缸在驱动负载时，各级缸筒的依次伸出或收缩是通过缸筒间的相互碰撞来实现机械限位，因此在液压缸换级过程中经常会产生较大的冲击。要保证多级液压缸运动的快速性和平稳性，提高多级液压缸的运动性能，必须在液压缸换级时增加缓冲装置缓解冲击。

某型号发射车作战流程中，导弹起竖完毕后，需要将发射架回收后进行发射，因此要求发射架能够在尽量短的时间内回收到位且过程中动作平稳。因此该型号多级液压缸各级缸筒在起竖和下放过程末端均设计了缓冲装置，来提高起竖和回收过程的平稳性。本文基于某型号多级液压缸对起竖液压系统起竖回路及液压缸换级缓冲等效方式进行研究，基于AMESim建立了该型号起竖液压系统仿真模型，对发射架起竖、下放过程进行仿真研究，通过与试验数据对比，验证了此分析方法的正确性，对控制流程优化和液压系统缓冲参数的确定起到了指导作用。

1 液压系统缓冲理论分析

式（2）为液压系统容腔节点的压力，式（3）为液压构件的流量，将式（2）、式（3）联立，然后结合其它容腔节点公式及其它液压构件的流量方程即可对起竖液压系统中各位置的压力变化进行研究。

2 多级液压缸缓冲阻尼等效方式

2.1 缓冲方式介绍

缸筒与缸筒之间的缓冲阻尼是通过各级缸筒上的节流圈与阻尼套的配合产生的。阻尼套末端是沿某一曲率变化的楔形面，节流圈随缸筒一起运动，当缸筒运动接近末端时，节流圈与阻尼套的配合间隙变小，缸筒运动到末端时，节流圈与阻尼套的配合间隙达到最小，在回油腔建立起一定的背压，减轻各级缸筒之间的碰撞。

2.2 缓冲阻尼等效方法

软件中没有具体的节流圈结构形式，因此将节流圈简化为薄壁小孔的形式，本文将节流圈等效为薄壁小孔后，根据各级缸筒的相对位移量来控制薄壁小孔的通流面积来模拟节流圈的阻尼作用。薄壁小孔开度等效原则为：在相同流量下，油液流过节流圈后两端的压差与流过薄壁小孔后两端的压差相等，依此来等效出薄壁小孔的通流面积。薄壁小孔形式及控制方式如图2所示。

图1 节流圈等效节流仿真模型

计算流经节流圈内环面积的流量，根据节流圈与阻尼套的配合形式，该环形流属于最大偏心环形缝隙流，流量计算公式

计算等效薄壁小孔的流量，流经薄壁小孔的流量公式为

通过式（4）~（7）可计算出不同流量下薄壁小孔的等效通流面积。

各级缸筒伸出或到位时通过控制阻尼孔的开度来模拟节流圈与阻尼套的配合关系，某一级的阻尼孔开度控制曲线如图2所示，软件中阻尼孔的开度由节流面积与阻尼孔开度因子来控制。

图2 软件中阻尼孔开度控制曲线

3 仿真方法验证

3.1 多级液压缸仿真模型的建立

软件中没有现成的多级液压缸模型，根据多级液压缸工作原理，可将其分解为若干个相互连通的单级液压缸的组合，如图3所示。图3中虚线相连的两个物体在实际中是一个物体。

图3 多级液压缸分解为多个单级液压缸

结合多级液压缸缓冲等效方式及多级液压缸的简化形式建立某型号液压系统起竖回路仿真模型，见图4。

图4中平衡阀用于平衡发射架起竖时的重力，当发射架的重力方向与起竖液压缸运动方向一致时，将起竖液压缸回油腔压力升高，使起竖液压缸不会在发射架的重力作用下运动失控；在系统停止供油时，该阀的正反腔油口将起竖液压缸的正反腔锁住，使发射筒能在任意位置停留。

图4中接口模块功能为将液压系统各级油缸的输出力传递给机械系统，并将测得的机械系统各级油缸的位移、速度变量以及起竖角度传递给液压系统，实现不同软件之间的联合仿真。

图4 某型号液压系统起竖回路仿真模型示意

3.2 仿真与试验结果对比分析

图5为发射架起竖过程液压系统正反腔压力仿真与试验变化曲线。图5中显示，正腔压力变化曲线，仿真数据最大值为约9.3 MPa，试验数据最大值为9.75 MPa左右，均出现在一级缸筒到位时刻，正腔压力在数值大小及变化趋势上均能够吻合；反腔压力变化曲线，仿真数据波动最大值为9.75 MPa左右，试验数据最大值为8.25 MPa左右，仿真数据在液压缸换级处波动范围稍大于试验数据，仿真数据在变化趋势上与试验数据趋势能够吻合。

图5 起竖过程液压系统正、反腔压力曲线

图6为发射架回收过程液压系统正反腔压力仿真与试验变化曲线。图6中显示，正腔压力仿真数据最大值为10.05 MPa左右，试验数据正腔压力最大值为9.75 MPa左右，均出现在一级缸筒到位时刻，正腔压力在数值大小及变化趋势上均能够吻合；反腔压力变化曲线，仿真数据波动最大值为12.0 MPa左右，试验数据最大值为11.25 MPa左右，仿真数据在液压缸换级处波动范围稍大于试验数据，仿真数据在变化趋势上与试验数据趋势能够吻合。

图6 回收过程液压系统正、反腔压力曲线

仿真与试验误差分析：某型号平衡阀为外购产品无具体参数，因此在仿真过程中借用其它型号平衡阀参数并进行相应修正，可能引入误差；试验中比例流量阀的反应时间通过控制流量变化来体现，且忽略换向阀的反应时间，对仿真引入了误差；仿真中动力学模型简化为刚体可能引入误差。

从图6可以看出，仿真结果在变化趋势、数值大小等方面都得到试验验证，说明本文提出的过程仿真分析方法的正确性，验证了仿真模型的有效性。

此次仿真为机械-液压联合仿真，上述重点介绍了液压部分的仿真建模，图7为机械-液压联合仿真得到起竖部分质心垂向加速度振动情况，图中现显示增加缓冲装置后加速度波动处峰值减小。

图7 发射架质心垂向加速度时域曲线

4 结束语

本文在对液压系统缓冲理论分析的基础上，将多级液压缸缓冲以外接阻尼孔的形式代替，给出了对应的流量关系式，对研究起竖液压系统增加缓冲装置后压力变化有指导作用。

针对某型号起竖液压缸换级缓冲进行了等效方式研究，建立了某型号起竖液压系统多级液压缸仿真模型，结合该型号试验测试结果验证了分析方法和建立的模型的正确性，对起竖和控制流程优化和液压系统缓冲装置设计具有指导作用。

[1] 高钦和, 黄先祥. 多级缸起竖系统运动过程的建模与仿真[J]. 系统仿真学报, 2005(07): 1563-1565, 1568 .

Gao Qinhe, Huang Xianxiang. Dynamic modelling andsimulation of erecting system with multi-stage cylinder[J]. Joumal of System Simulation, 2005(07): 1563-1565.

[2] 谢建, 等. 基于AMESim的导弹起竖系统建模与仿真[J]. 流体传动与控制, 2009(5): 13-15

Xie jian, et al. Missile erecting system based on AMESim[J]. Fluid Power Transmission&Control, 2009(5): 13-15.

[3] 黄先祥, 高钦和, 郭晓松. 大型装置起竖过程的动力学建模研究[J]. 系统仿真学报, 2002(3): 271-273, 277.

Huang Xianxiang, Gao qinhe, Guo xiaosong. Dynamic modeling of erected process for large mechanism[J]. Joumal of SystemSimulation, 2002 (3): 271-273.

[4] 马长林, 等. 基于软件协作的多级液压缸起竖系统建模与仿真研究[J]. 系统仿真学报, 2006, 18(S2): 523-525.

Ma Changlin, et al. Studies for modeling and simulation of erecting system with multi-stage cylinder based on software collaboration[J]. Joumal of System Simulation, 2006, 18(S2): 523-525.

Research of Simulation Method about the Throttle Cushion Technique with Multi-stage Cylinder

Wang Zeng-quan1, Gong Jun-liang2, Zhang Tao-hua1, Xu Zhen-xian1, Bai Jing1

（1.Beijing Institude of Space Launch Techology, Beijing, 100076; 2. Unit 96111 of PLA, Hancheng, 715400)

In the operational sequence of some Launching Platform, the emit frame will be retracted when missile erected. The emit frame retract time and shock response is very important for the time of operational preparation and hit precision. Aiming at the problem of large impact when changing leveling of the erecting hydraulic system of multi-stage cylinder, the throttle cushion technique has been adopted by some launching platform in the process of retracting with multi-stage cylinder. Scientific research is made on throttle cushion technique by computer simulation. The erecting hydraulic system and the mode equivalent of throttle cushion is researched by theory analysis. Compared the simulation results with the experiment results, we can prove that the methods of simulation is correct, which has instructive function for control processes optimization and control tactic of erecting hydraulic system.

throttle cushion; multi-stage cylinder; simulation method

TP391.9

A

1004-7182(2020)02-0083-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20200217

王增全（1986-），男，工程师，主要研究方向为机电液一体化系统建模与仿真技术。

巩军亮（1982-），男，工程师，主要研究方向为发射工程技术。

张涛华（1983-），男，高级工程师，主要研究方向为发射工程技术。

徐振贤（1978-），男，高级工程师，主要研究方向为发射总体技术。

白 静（1977-），女，高级工程师，主要研究方向为发射技术。

2018-09-25；

2020-02-21