無(wú)人機(jī)氣液壓彈射系統(tǒng)研究

無(wú)人機(jī)氣液壓彈射系統(tǒng)研究

組成蓄能器組無(wú)人機(jī)氣泵的飛速速度是20世紀(jì)90年代國(guó)際先進(jìn)的誘導(dǎo)動(dòng)能波速跑向來(lái)的一種先進(jìn)的方法。氣液壓彈射系統(tǒng)中動(dòng)力源使用多個(gè)皮囊式蓄能器并聯(lián)安裝,構(gòu)成蓄能器組。相比于一般的液壓泵動(dòng)力源,具有瞬時(shí)彈射功率大、存儲(chǔ)能量大、裝機(jī)容量小、系統(tǒng)壓力穩(wěn)定、系統(tǒng)振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。氣液壓彈射系統(tǒng)可以分為液壓缸驅(qū)動(dòng)式和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)式兩種形式,國(guó)內(nèi)對(duì)于后者進(jìn)行的研究很少本研究將對(duì)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)式的無(wú)人機(jī)氣液壓彈射系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)建模,并對(duì)彈射過(guò)程應(yīng)用AMESim軟件進(jìn)行仿真分析。1無(wú)人機(jī)氣壓縮機(jī)系統(tǒng)的工作原理氣液壓彈射系統(tǒng)工作原理如圖1所示。由于能源系統(tǒng)要在短時(shí)間內(nèi)為無(wú)人機(jī)加速提供動(dòng)力,因此,由蓄能器組存儲(chǔ)能量作為主動(dòng)力源2射系統(tǒng)的組成無(wú)人機(jī)氣液壓彈射工作原理如圖2所示。從圖2可以看出,無(wú)人機(jī)氣液壓彈射系統(tǒng)主要包括皮囊式蓄能器組、開(kāi)關(guān)式插裝閥、液壓馬達(dá)以及無(wú)人機(jī)與載物車等幾部分。圖2中,p皮囊底部的面積A其中,A設(shè)(p對(duì)式(2)在點(diǎn)(p設(shè)蓄能器組進(jìn)油閥末端流量為Q式中負(fù)號(hào)表示氣腔體積變化和油液流量相反。2.2進(jìn)油插裝閥閥口面積梯度在進(jìn)油插裝閥打開(kāi)時(shí),通過(guò)閥口的流量與壓力之間的關(guān)系其中進(jìn)油插裝閥閥口面積梯度為:式中,Cx———閥芯位移,mm對(duì)式(6)線性化并進(jìn)行拉氏變換可以得到:式中,pKx2.3雷達(dá)數(shù)學(xué)模型在發(fā)射過(guò)程中液壓馬達(dá)的輸出力矩特性方程的拉氏變換式式中,DJT式中,QCV2.3卷筒半徑的影響彈射過(guò)程中,牽引皮帶會(huì)纏繞在卷筒上,因此卷筒半徑會(huì)不斷增大,變化的卷筒半徑會(huì)對(duì)牽引力產(chǎn)生影響。卷筒半徑R為:其中,r將式(4)代入式(3),可得卷筒半徑與載物車瞬時(shí)位移的關(guān)系為:從而可得牽引帶牽引力為:2.4無(wú)人機(jī)與載物車運(yùn)動(dòng)方程無(wú)人機(jī)與載物車在彈射過(guò)程中承受牽引帶牽引力、發(fā)動(dòng)機(jī)推力、空氣阻力、升力、重力和摩擦阻力作用,于是可得出無(wú)人機(jī)與載物車的運(yùn)動(dòng)方程其中,m為無(wú)人機(jī)與載物車綜合質(zhì)量;T為無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推力;μ為載物車車輪與軌道間的滾動(dòng)摩擦系數(shù),μ=0.01;g為重力加速度;θ為發(fā)射架仰角;c3氣液壓空氣系統(tǒng)建模AMESim軟件提供模塊化建模方式,提供包括機(jī)械庫(kù)和液壓庫(kù)在內(nèi)的多個(gè)子模型庫(kù),可以建立液壓系統(tǒng)模型和驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)模型的聯(lián)合仿真模型,并且使模型具有很高的準(zhǔn)確性本研究重點(diǎn)針對(duì)氣液壓彈射系統(tǒng)的動(dòng)力源、控制元件及負(fù)載三部分重點(diǎn)進(jìn)行建模。動(dòng)力源主要為皮囊式蓄能器組,控制元件主要為開(kāi)關(guān)式插裝閥,負(fù)載主要為牽引皮帶、卷筒、液壓馬達(dá)、無(wú)人機(jī)與載物車。3.1蓄能器動(dòng)態(tài)特性分析使用AMESim中的HCD(HydraulicComponentDesign)與PCD(PneumaticComponentDesign)可較為準(zhǔn)確地模擬蓄能器在實(shí)際工作中的動(dòng)靜態(tài)特性。單個(gè)蓄能器HCD與PCD模型如圖3所示。由圖3可知,恒壓氣源通過(guò)端口1對(duì)蓄能器充氣,使蓄能器的氣腔氣體壓力與恒壓氣源相等,利用二位二通氣閥控制充氣過(guò)程的啟閉。利用阻尼與彈簧模擬氣體阻尼系數(shù)c蓄能器組采用多個(gè)皮囊式蓄能器并聯(lián)安裝,為了表述方便,將單個(gè)蓄能器HCD與PCD模型用超級(jí)元件封裝,蓄能器組及出口管路仿真模型如圖4所示。3.2插裝閥hcd模型要滿足無(wú)人機(jī)彈射過(guò)程中瞬時(shí)大流量的要求,需要選用開(kāi)關(guān)式插裝閥,其具有通流能力大、響應(yīng)快、工作可靠、抗污能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)使用AMESim中的HCD(HydraulicComponentDesign)能較為準(zhǔn)確地模擬插裝閥在實(shí)際工作中的啟閉特性。插裝閥HCD模型如圖5所示。端口1、4分別為插裝閥的進(jìn)、出油口,端口3接高壓油,通過(guò)對(duì)換向閥信號(hào)端口2施加電信號(hào),控制主閥上腔的壓力。主閥上腔為零壓時(shí),主閥處于開(kāi)啟狀態(tài);主閥上腔為高壓時(shí),主閥處于關(guān)閉狀態(tài)。3.3基于應(yīng)力的約束副產(chǎn)物液壓馬達(dá)采用液壓元件庫(kù)中已有的液壓馬達(dá)模型,卷筒和繩索分別采用可定義轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的轉(zhuǎn)動(dòng)塊和可定義剛度和長(zhǎng)度的繩索,在卷筒和繩索間加入了轉(zhuǎn)矩-拉力轉(zhuǎn)化模塊,可以將輸出的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為拉力作用在質(zhì)量塊上,無(wú)人機(jī)與載物車沿軌道向下的重力分量與摩擦阻力等效為力信號(hào)作用在質(zhì)量塊上。此外,考慮到牽引皮帶有一定厚度,卷筒半徑在彈射過(guò)程中會(huì)不斷變大,卷筒半徑變化函數(shù)會(huì)對(duì)卷筒半徑進(jìn)行修正。負(fù)載系統(tǒng)仿真模型如圖6所示。4不同參量對(duì)起落架速度的影響無(wú)人機(jī)起飛速度v以下為在無(wú)人機(jī)與載物車的綜合質(zhì)量m、蓄能器容積V可以看出,無(wú)人機(jī)與載物車質(zhì)量m的增大會(huì)明顯降低無(wú)人機(jī)起飛速度,且影響程度較大。當(dāng)m由430kg降低至330kg時(shí),v可以看出,蓄能器容積V可以看出,液壓馬達(dá)排量D可以看出,卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J增大會(huì)使發(fā)射起飛速度降低,且影響程度很小。當(dāng)J由1.5kg·m各個(gè)參數(shù)對(duì)起飛速度的影響如表2所示?？梢钥闯?無(wú)人機(jī)彈射過(guò)程中,當(dāng)上述幾個(gè)參量增大時(shí),根據(jù)其對(duì)起飛速度的影響程度,可以將其依次排序?yàn)?無(wú)人機(jī)與載物車綜合質(zhì)量→蓄能器組充氣壓力→液壓馬達(dá)排量→蓄能器容積→卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。升高數(shù)值一欄中,當(dāng)上述幾個(gè)參量減小時(shí),可以將其排序?yàn)?蓄能器組充氣壓力→無(wú)人機(jī)與載物車綜合質(zhì)量→液壓馬達(dá)排量→卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量→蓄能器容積。5仿真結(jié)果與分析本研究針對(duì)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)式的無(wú)人機(jī)氣液壓彈射系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)建模,并對(duì)彈射過(guò)程應(yīng)用AMESim軟件進(jìn)行仿真分析,得到以下結(jié)論:(1)基于氣液壓彈射系統(tǒng)原理和數(shù)學(xué)模型的研究,建立了單個(gè)蓄能器HCD與PCD仿真模型、開(kāi)關(guān)式插裝閥HCD仿真模型以及負(fù)載系統(tǒng)仿真模型;(2)仿真結(jié)果表明蓄能器組充氣壓力、無(wú)人機(jī)與載物車綜合質(zhì)量、液壓馬達(dá)排