兵器装备工程学报

某火炮液压缓冲器缓冲特性研究

分类:编辑推荐 发布时间:2018-12-23 19:53 访问量:2553

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    Citation format :HAO Baochen, SUN Weiguo, PAN Xiaobin.Study on the Buffer Characteristics of Artillery Hydraulic Buffer[J].Journal of Ordnance Equipment         Engineering,2018,39(9):54-58.

     本文引用格式 : 郝保臣,孙卫国,潘孝斌.某火炮液压缓冲器缓冲特性研究[J].兵器装备工程学报,2018,39(9):54-58.

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    作者简介 : 郝保臣(1994—),男,硕士研究生,主要从事机械结构设计研究,E-mail:1091515870@qq.com。


某火炮液压缓冲器缓冲特性研究

郝保臣 ,孙卫国 ,潘孝斌 1

(1.南京理工大学 机械工程学院, 南京 210094; 2.南京常荣声学股份有限公司, 南京 210008)

摘要 : 针对某火炮液压缓冲器在工作过程中流道结构变化的特点,在Fluent软件中建立了缓冲器的等效流场模型;根据伯努利方程,由工作腔压力推导反映液体流动过程受流道结构特征和流速影响的压力损失的液压阻力系数 ,分析了流速、节流杆直径与液压阻力系数 之间的关系。将系数 动态取值的方法应用到某火炮运动机构仿真分析中,通过试验对比缓冲器活塞杆位移验证了系数 动态取值方法的合理性。

关键词 : 液压缓冲器;液压阻力系数;流场仿真;Simulink

缓冲器用于吸收高速机械的惯性冲击,防止刚性碰撞对机械设备造成损伤 [1] 。本文分析的某火炮液压缓冲器具有特殊用途:它是适应某火炮架体摆动的缓冲装置,并非火炮反后坐装置,被缓冲的架体与底座通过转动轴连接,在重力与缓冲力作用下做下摆转动,要求下摆过程缓冲力平稳、时间尽可能短、到位速度接近于零。为满足工作时间要求,整个运动过程是一个先加速后减速的过程,而速度的变化导致缓冲力的大小改变,需要通过调整流液通道截面面积对缓冲力大小进行调节。由于缓冲器流液孔流道特征变化较大,因此液压阻力系数K的值也具有极大变化范围,将K设定为一常量的设计方法不再适用,得到的仿真结果也不能满足实际需要。

黄景峰等 [2] 利用伯努利方程建立了一种液压缓冲装置的数学模型,在Simulink平台下搭建了缓冲器的计算模型,根据Simulink模型对结构参数进行仿真计算,并分析了流液孔等参数对缓冲性能的影响。张笑慰等 [3] 利用Matlab/Simulink环境,对气液缓冲器进行了仿真,分析了阻尼孔阻尼与速度的关系和液体粘度、气体压力等对缓冲器动态特性的影响。上述论文为相关领域研究提供了很好的思路,本文针对新设计的液压缓冲器如何确定液压阻力系数 以及其工程应用展开研究。


Study on the Buffer Characteristics

 of Artillery Hydraulic Buffer

HAO Baochen , SUN Weiguo , PAN Xiaobin 1

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2.Nanjing Changrong Acoustic Inc., Nanjing 210008, China)

Abstract : In view of the change of channel structure of a artillery hydraulic buffer during its working process, the problem of how to select the hydraulic resistance coefficient was studied. The equivalent flow field model of the buffer was built in Fluent. According to the Bernoulli equation, the coefficient was derived from the pressure of working chambers. The relationship between the velocity, the diameter of the control rod and the hydraulic resistance coefficient was analyzed. The method of choosing dynamic value of was applied to a simulation model of a motion mechanism. By comparing the displacement of the piston rod with the test data, the rationality of the selection method of was verified.

Key words : hydraulic buffer; hydraulic resistance coefficient; flow field simulation; Simulink



1 某火炮缓冲器结构与工作原理

某火炮装置结构简图如图1。架体通过转动轴与底座相连,液压缓冲器一端连接架体,一端连接底座。工作时将架体绕转动中心抬升至某一位置,迅速释放,使架体在重力作用下绕转动轴向下转动,缓冲器活塞杆被推进缓冲器缸体内。在液压阻力与重力的共同作用下,架体按照预定的规律向下摆动。

1.液压缓冲器; 2.架体; 3.转动轴

图1 某火炮架体运动示意图

分析架体的运动可以得到如下的微分运动方程

(1)

式中: 为缓冲器作用给架体的阻力的力臂, 为重力力臂, ZZ 为架体的转动惯量,  为架体的角加速度。缓冲阻力计算公式为

· · 2

(2)

式中: 为活塞工作面所受平均压力, 为活塞工作面面积, 为活塞非工作面的平均压力,相应地, 为活塞非工作面面积。

该液压缓冲器的结构示意图如图2,其中阻尼孔指的是活塞上开的通孔,节流杆的截面直径沿轴向变化,为加工制造方便,分为等截面圆柱段和变截面锥段。当活塞杆受外力作用向油缸内缩回时,无杆腔内液体压力升高,高于有杆腔,导致阻尼孔两侧油液存在压差,油液通过阻尼孔挤入有杆腔,形成液压阻力。通过节流杆与阻尼孔的配合,调节液压阻力,实现快速且平稳的缓冲下摆,并将末速度控制为接近于零。

节流杆与阻尼孔配合形成的流液孔通道是一圆环状流道。该流道间隙与直径比极小,不适合用流体力学给定的公式确定其沿程阻力损失。考虑通过流场仿真,模拟缓冲器内部流动,根据流场结果反推,确定液压阻力系数 的值。

1.活塞杆; 2.阻尼孔; 3.节流杆; 4.油缸; 5.蓄能器

图2 缓冲器剖面结构示意图


2 液压阻力系数


2.1 流场建模

为了便于流场仿真分析,将活塞和筒壁边界固定,给定入流速度 和出口压力,进行等效运动处理,如图3所示。实际工作过程中,液压缓冲器的缸体固定,活塞杆运动。活塞杆运动速度 ′与流场模型中的入流速度 的关系为

(3)

在实际应用中,缓冲器所提供的液压阻力的变化可以通过改变流液孔面积 实现。在活塞阻尼孔尺寸一定的情况下,流液孔面积的变化,主要由节流杆直径决定,故节流杆的直径不是固定值,而是根据需要的工作特性按一定规律沿节流杆的轴向变化。为了方便研究液压阻力系数 与活塞杆速度 ′、流液孔面积 的关系,在建模过程中,将节流杆取为一个直径固定的圆柱体,通过建立多个模型,得到不同流液孔面积、入流速度时的 值。 进一步通过式(3)得到 与活塞杆速度 ′的关系。

图3 流动模型示意图

伯努利方程如式(4)所示。

(4)

在图3所示的流动模型中, ω , , ω 为阻尼孔处绝对速度, 为入流速度。由流量连续性方程得到

(5)

式中: 为入流断面的面积; 为活塞阻尼孔与节流杆配合形成的流液孔的面积。

假设流动能量损失 正比于动能,则有

(6)

忽略重力变化,根据连续性条件由式(4)推导得

(7)

综合考虑各种损失,将式(7)进一步简化为

(8)

式中: 为液压阻力系数,或称理论与实际符合系数 [4] 。根据式(8)有

(9)

式中: ρ 、 为给定值, 、 均由流场模型决定。给定一个入流速度,通过流场仿真得到流场内部压力 ,即可由式(9)计算得到相应的液压阻力系数的值。


2.2 流场仿真

为了得到液压阻力系数的值,使用Fluent软件进行流场仿真。假设缓冲器内部液体为不可压缩三维粘性流动,采用 ε 湍流模型,非耦合方法、一阶迎风差分格式进行求解。其中,液体密度为850 kg/m ,出口压力为0.5 MPa。流场计算模型如图4所示(节流杆直径为9.3 mm)。

1.Ⅱ腔; 2.阻尼孔流道; 3.Ⅰ腔

图4 流场计算模型

入流速度 设定为0.1~0.5 m/s,间隔0.1 m/s。例如以入流速度 =0.1 m/s得到的流场速度分布如图5所示。

图5 流液孔附近速度场

通过设定不同的入流速度,得到活塞面上压力值,根据式(9)计算得到液压阻力系数 值,对得到的数据进行拟合,结果如图6所示。

图6 液压阻力系数与入流速度的关系( =9.3 mm)


2.3 液压阻力系数分析

在缓冲器结构尺寸固定的情况下,影响缓冲器内流场变化的主要参数为入流速度和节流杆直径。在实际应用中,节流杆的直径是沿轴向变化的。分别以节流杆直径为9.1~9.9 mm,间隔为0.2 mm,建立五个流场计算模型,按上述分析方法,得到计算结果如图7所示。

图7 液压阻力系数 与入流速度 的关系

从图7的结果可知,随着节流杆直径的增加,阻尼孔内流道面积 的减小, 值逐渐增大,当 小到一定程度时, 值急剧增大。当入流速度 下降,也即活塞杆运动速度 ′下降时, K值也有所增大。对于该液压缓冲器模型,液压阻力系数的理论取值范围为1.5~8.5。


3 仿真结果应用与验证


3.1 台架试验与运动仿真

为了测试液压缓冲器的工作效果,进行了台架试验。每次试验初始,活塞杆被拉出的长度均不同,进行多次试验,以测试架体在不同位置时,缓冲器的缓冲效果。通过试验不仅验证了液压缓冲器的工作效果,也得到了架体、活塞杆等的运动数据。

联立式(1)、式(2)、式(8),利用Matlab/Simulink仿真环境,建立运动模型。在运动模型中, 值可以作为一个常量输入,也可以作为一个变量输入。当 作为一个变量输入时, 的确定方法如下:在节流杆的锥段上均匀选取八个点,根据此点的流液孔面积 和活塞运动到此点的速度,利用图7通过线性插值法确定仿真模型中该点的 值。其中速度的值参考 取常量时仿真得到的活塞运动到此点的速度值。由于运动模型是关于架体角位移 θ 的微分方程组,将 值与活塞运动到节流杆某点时架体角位移 θ 的值一一对应,得到 值与 θ 的函数关系,如图8所示。

图8 值与 θ 的函数关系

实际的 与 θ 的函数关系应为一连续的曲线,但是这种关系只能通过试验反推得到。设计时,很难找到函数 θ )的准确表达式,因此只能用分段函数近似。这种近似方法,对于缓冲器性能的研究是有效的。通过仿真结果与实验数据的对比,验证了液压阻力系数动态取值的合理性。


3.2 运动仿真结果分析

分别取 =3、5,进行 为常量的运动仿真,并与 为变量时的仿真结果进行对比,结果如图9所示。

图9 活塞位移随时间变化关系

图9表明, 值取固定值得到的仿真结果与利用Fluent结果插值得到的仿真结果差别比较明显。其中 =3时得到的仿真结果,在运动的初始阶段与用Fluent结果插值得到的仿真结果相近,但在运动的截止时间上差别较大。利用本文插值法得到的位移曲线与试验曲线对比如图10所示。

图10展示了活塞位移分别为218 mm和153 mm时,试验结果与Simulink仿真结果的对比。可见,利用本文插值法得到的仿真结果与试验数据吻合。

图10 仿真得到的活塞位移曲线与试验曲线

图11 仿真得到的活塞杆速度随时间的关系

图12 仿真得到的缓冲力与时间的关系

如图11所示,活塞杆的速度先增加后减小,仿真结果显示缓冲结束时活塞杆速度为0.009 3 m/s,接近于零。图12为仿真得到的缓冲过程中缓冲力的大小变化过程,缓冲力在0.565 s时达到2.062 7 N的最大值,随后有所减小并保持稳定。通过试验验证,动态取 值方法与实际相符,设计的缓冲器满足使用要求。


4 结论

1) 根据流场仿真得到的 值与真实值相符。在运动模型中,根据 、 的值选取适当的 值代入,可以得到与真实运动相一致的结果。

2) 对 进行动态取值的运动模型可以很好的预测缓冲时间、最大缓冲力等动力学参数。新的 值确定与选取方法的应用,为缓冲器的设计及其工作效果的预测、评估提供了较为可靠的参考。

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