基于功率鍵合圖法的無人機(jī)彈射器緩沖系統(tǒng)仿真研究

基于功率鍵合圖法的無人機(jī)彈射器緩沖系統(tǒng)仿真研究

緩沖系統(tǒng)的研究與分析隨著無人機(jī)在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，無人機(jī)槍技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。隨著用戶要求的傳輸質(zhì)量和動作速度的增加，緩沖區(qū)系統(tǒng)要求的緩沖區(qū)效應(yīng)變得越來越困難。本研究根據(jù)某種彈射器的實(shí)際工作要求對一種新研發(fā)的緩沖系統(tǒng)進(jìn)行了研究與分析。緩沖系統(tǒng)的主要作用是在高速運(yùn)動的滑車接近彈射架終端時,利用蓄能或耗能元件快速吸收滑車的動能,從而減小滑車對設(shè)備的機(jī)械沖擊。對于質(zhì)量較大,起飛速度較高的無人機(jī)彈射系統(tǒng),僅依靠液壓缸緩沖器來實(shí)現(xiàn)滑車的緩沖,會產(chǎn)生緩沖系統(tǒng)壓力過高、鋼絲繩受力過大、緩沖行程過長等問題。本研究的緩沖系統(tǒng)同時利用滑塊、液壓缸緩沖器和溢流閥三種元件對滑車進(jìn)行緩沖,既解決了上述問題又使系統(tǒng)具備了緩沖能力強(qiáng),可靠性高且無反彈,便于控制等特點(diǎn)。1液壓動力源關(guān)閉無人機(jī)彈射器緩沖系統(tǒng)的工作原理如簡圖1所示,系統(tǒng)主要由液壓馬達(dá)、繩輪和鋼絲繩、溢流閥、彈射架、滑塊、緩沖液壓缸、無人機(jī)及滑車等組成。當(dāng)無人機(jī)達(dá)到彈射速度并脫離滑車時,液壓動力源關(guān)閉(圖1中未畫出),緩沖過程開始?；囀紫扰c滑塊碰撞,滑車速度瞬間減小,驅(qū)動滑車運(yùn)動的前段鋼絲繩受到拉力。與此同時,液壓馬達(dá)出口油液開始并一直受到溢流閥的作用,其轉(zhuǎn)速持續(xù)減小,當(dāng)馬達(dá)的線速度小于滑車的速度時,滑車受到后段鋼絲繩的拉力,加快其減緩速度。當(dāng)滑車碰到緩沖液壓缸活塞桿時,受到較大的緩沖阻力,滑車速度迅速減小,直到滑車速度為零,緩沖過程結(jié)束。2緩沖系統(tǒng)的狀態(tài)方程以緩沖系統(tǒng)作為研究對象,根據(jù)系統(tǒng)工作簡圖1,建立無人機(jī)彈射器緩沖系統(tǒng)功率鍵合圖如圖2所示。以滑車的動量P1,連接滑車鋼絲繩的變形X3,繩輪的轉(zhuǎn)動慣量T6,液壓缸出油腔容積的變化V12作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量。依據(jù)功率鍵合圖,推導(dǎo)出緩沖系統(tǒng)的狀態(tài)方程:式中:C1為液壓缸出油腔液容;C3為連接滑車的鋼絲繩容性;R1為溢流閥液阻;R2為液壓缸出油油路上節(jié)流閥液阻;Ff為液壓缸活塞處摩擦力及滑車的重力分力;I1為繩輪及馬達(dá)的轉(zhuǎn)動慣量;I2為滑車和滑塊及鋼絲繩的等效質(zhì)量;r為繩輪半徑;A0為液壓缸出油腔作用面積。3約束條件的補(bǔ)償在建立數(shù)學(xué)模型時,為方便分析、研究,忽略了一些次要因素,對于一些在建立數(shù)學(xué)模型過程中暫時忽略而又必須考慮的因素在仿真模型通過加入約束條件給予補(bǔ)償,例如:緩沖液壓缸的油壓不能小于零;滑車的位移不能小于零;滑車在滑塊緩沖階段中液壓缸壓力不變等。利用MATLAB軟件把求解上述狀態(tài)方程的定步長的四階龍格庫塔法和系統(tǒng)約束條件結(jié)合在一起編寫成仿真程序。經(jīng)過仿真分析和理論驗(yàn)證,證明該仿真模型是正確合理的,可作為類似系統(tǒng)仿真分析和理論研究的依據(jù)。4元件工作參數(shù)本研究的緩沖系統(tǒng)是瞬時動作過程,主要元件工作參數(shù)的選擇和匹配對緩沖系統(tǒng)的性能有很大的影響,根據(jù)該緩沖系統(tǒng)的性能指標(biāo)(如:液壓缸壓力、緩沖行程等),確定影響該系統(tǒng)性能的主要元件工作參數(shù)為:溢流閥的調(diào)定壓力、液壓缸內(nèi)徑和滑塊質(zhì)量。4.1壓力對緩沖系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響在保證系統(tǒng)其它參數(shù)一定的條件下,通過對溢流閥設(shè)定不同的調(diào)定壓力進(jìn)行仿真,得到溢流閥調(diào)定壓力對緩沖系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響如表1所示。由表1可知:當(dāng)系統(tǒng)的其它參數(shù)一定時,減小溢流閥的調(diào)定壓力,滑車的緩沖行程變長,鋼絲繩的最大受力變大,但是液壓缸壓力的最大值變化不大。因此,該緩沖系統(tǒng)為了減小緩沖行程和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)定溢流閥的調(diào)定壓力為31MPa。4.2指標(biāo)的影響在保證系統(tǒng)其它參數(shù)一定的條件下,通過改變液壓缸內(nèi)徑的大小得到液壓缸內(nèi)徑對緩沖系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響如表2所示。由表2可知:當(dāng)系統(tǒng)的其它參數(shù)一定時,減小液壓缸的內(nèi)徑,液壓缸最高壓力和鋼絲繩最大受力都變小,但是,緩沖行程也隨之變長。因此,該緩沖系統(tǒng)設(shè)定的液壓缸內(nèi)徑為0.60mm,既能降低液壓缸壓力、減小緩沖行程又能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4.3仿真結(jié)果分析在保證系統(tǒng)其它參數(shù)一定的條件下,通過改變滑塊質(zhì)量的大小得到滑塊質(zhì)量對緩沖系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響如表3所示。由表3可知:當(dāng)系統(tǒng)的其它參數(shù)一定時,減小滑塊的質(zhì)量,液壓缸最高壓力和鋼絲繩最大受力都變大且緩沖行程變長。增大滑塊的質(zhì)量,液壓缸壓力降低且緩沖行程縮短,但是,鋼絲繩最大受力增加很大已超過鋼絲繩的安全許用拉力。因此,該緩沖系統(tǒng)為了既能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性,又能相對的降低液壓缸壓力和縮短緩沖行程設(shè)定滑塊質(zhì)量為7kg。通過對緩沖系統(tǒng)主要元件工作參數(shù)仿真結(jié)果的詳細(xì)分析與研究,結(jié)合無人機(jī)彈射器緩沖系統(tǒng)的實(shí)際工作要求,設(shè)定該仿真程序的主要參數(shù):無人機(jī)起飛時滑車的速度為35m/s,滑車和鋼絲繩的等效質(zhì)量為31kg,滑塊的質(zhì)量為7kg,活塞桿的質(zhì)量為7kg,液壓缸初始壓力為5MPa,溢流閥調(diào)定壓力為31MPa,液壓缸內(nèi)徑為0.6m,仿真時間為0.1s。經(jīng)過仿真得出如圖3~圖5性能曲線。由圖3可知:滑塊緩沖的行程為0.3m,液壓缸緩沖的行程為0.82m,總行程為1.12m時仿真結(jié)束。由圖4可知:滑車在滑塊緩沖階段開始的一瞬間速度增加,這是由于碰撞時滑車速度瞬間減小,但是繩輪在馬達(dá)溢流閥的作用下轉(zhuǎn)速逐漸減小,前段鋼絲繩瞬間受力。液壓缸緩沖開始時,滑車速度減小變快。由圖5可知:在滑塊緩沖階段液壓缸壓力不變,當(dāng)滑車碰到液壓缸活塞時,液壓缸壓力瞬間增大。由仿真可知,t=0.074s時,滑車速度為0m/s,位移為1.12m<1.3m,滿足了無人機(jī)彈射器緩沖系統(tǒng)在短時間內(nèi)完成滑車緩沖的性能要求。5動態(tài)特性分析(1)對無人機(jī)彈射器緩沖系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究時,采用功率鍵合圖法建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并推導(dǎo)出了模型的狀態(tài)微分方程,經(jīng)