賴浩凱，樓京俊，孫炯，祝勇

1 中國人民解放軍92962部隊(duì)，廣東廣州 510200

2 海軍工程大學(xué)船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430033

3 海軍工程大學(xué)科研部，湖北武漢 430033

0 引 言

隨著高新技術(shù)武器系統(tǒng)的發(fā)展，不具備隱身性能的艦艇將易于遭受攻擊。由此，隱身性能已成為評(píng)價(jià)艦艇先進(jìn)性的重要指標(biāo)。當(dāng)前,存在的問題是：當(dāng)艦艇某裝置在采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)（完全開啟）時(shí)，其蓋板會(huì)與止擋板發(fā)生碰撞并產(chǎn)生較大沖擊噪聲，從而對(duì)艦艇隱身性能造成嚴(yán)重影響。

針對(duì)上述問題，周志才等［1］通過建立艦艇某裝置啟閉數(shù)學(xué)模型來研究其機(jī)械結(jié)構(gòu)，并基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化來降低該裝置的啟閉噪聲。但是，其缺陷在于噪聲降幅有限，且無法對(duì)已列裝使用的裝置進(jìn)行改進(jìn)。胡名璽等［2］通過在裝置啟閉時(shí)的止擋位置處增設(shè)橡膠抗沖墊來降低噪聲，這樣雖有一定降幅，但也不能從根本上解決裝置在開啟時(shí)出現(xiàn)噪聲過大的問題，且橡膠墊在復(fù)雜環(huán)境下壽命有限，需經(jīng)常進(jìn)行檢查與更換，故會(huì)增加使用人員的工作量。謝地等［3］基于液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而降低裝置在啟閉時(shí)發(fā)出的噪聲。但是，該方案也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)恒壓源下的液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制?；诖?，本文擬采用ADAMS和AMESim軟件來建立艦艇某裝置的啟閉模型，并計(jì)算其在開啟時(shí)所受到的沖擊力和沖擊加速度。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上還對(duì)恒壓源的液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以減小該裝置在開啟時(shí)所受到的沖擊力［4-6］，進(jìn)而為降低其沖擊噪聲提供一種思路。

1 裝置啟閉建模

圖1為艦艇某裝置啟閉結(jié)構(gòu)原理圖，液壓缸活塞主要通過拉桿和導(dǎo)向筒轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄，曲柄花鍵端套在花鍵軸上部的花鍵上，另一端則用銷柱與拉桿相連，且拉桿后部與導(dǎo)向活塞相連。由于曲柄和拉桿的這種關(guān)系，使得導(dǎo)向活塞的前后運(yùn)動(dòng)變成了花鍵軸與轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可驅(qū)動(dòng)蓋板進(jìn)行開啟或關(guān)閉。艦艇某裝置開啟可視為一個(gè)由液壓缸控制的四連桿機(jī)構(gòu)，其中蓋板為處于開啟與關(guān)閉狀態(tài)下艦艇某裝置在Solidworks軟件中的模型，如圖2所示。

圖1 裝置啟閉結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the opening and closing device on ship

圖2 裝置啟閉時(shí)，在Solidworks軟件中的建模Fig.2 Model of the opening and closing device based on Solidworks software

ADAMS作為經(jīng)典運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件，主要用于進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析［7］；而AMESim則是常用的液壓仿真軟件，主要用于液壓系統(tǒng)建模與優(yōu)化［8］?，F(xiàn)在，通過采用ADAMS軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，然后在AMESim軟件上實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)優(yōu)化。并且，在仿真過程中應(yīng)將AMESim軟件作為主控軟件，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換［9］。

1）在Solidworks軟件中建立艦艇某裝置在啟閉時(shí)，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各零部件的模型。然后，將其parasolid格式的圖形文件導(dǎo)入到ADAMS軟件中。

2）設(shè)置各部件的質(zhì)量和材料參數(shù)，添加相應(yīng)的鉸鏈約束以及滑動(dòng)約束和驅(qū)動(dòng)，并完成艦艇某裝置在啟閉時(shí)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配。首先，設(shè)置仿真平臺(tái)相應(yīng)的輸入輸出參數(shù)，在ADAMS軟件中調(diào)用control模塊，并新建2個(gè)變量Mea.F和Mea.A。其中，Mea.F為ADAMS的輸入變量，代表液壓缸作用在連桿上的力；Mea.A為ADAMS的輸出變量，代表蓋板開啟時(shí)的角速度。然后，通過Adams/Controls Plant Export輸出 3個(gè)文件，即“.inf”，“.adm”和“.cmd”。這3個(gè)文件分別為：AMESim中的導(dǎo)入接口模塊的導(dǎo)入文件、控制數(shù)據(jù)文件和命令程序。通過AMESim軟件將可識(shí)別“*.inf”文件用于建立ADAMS軟件與AMESim軟件的接口，以用于下一步導(dǎo)入在AMESim軟件中生成的機(jī)液聯(lián)仿模塊［10］。

3）根據(jù)液壓控制系統(tǒng)原理圖，并利用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。首先，導(dǎo)入上一步ADAMS軟件生成的“*.inf”文件。然后，在導(dǎo)入過程中，可以從彈出的common按鈕區(qū)內(nèi)看到接口模塊的名稱、仿真步長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)分析等信息，并在仿真模式中選擇連續(xù)模式。最后，將接口模塊中的輸入變量與AMESim中的相關(guān)部件連接，從而完成模型創(chuàng)建。

圖3 液壓系統(tǒng)在AMESim軟件中的建模Fig.3 Model of hydraulic system based on AMESim software

2 仿 真

在進(jìn)行液壓系統(tǒng)優(yōu)化之前，首先需要驗(yàn)證模型的正確性。艦艇某裝置在啟閉時(shí)，其液壓系統(tǒng)采用壓力為8 MPa的恒壓泵，液壓缸工作面積為20 cm2，其零部件中的蓋板質(zhì)量為200 kg，蓋板旋轉(zhuǎn)半徑為0.76 m。開啟過程中，蓋板頂端初始速度為0，切線加速度為0.2g（g為重力加速度），持續(xù)時(shí)間0.4 s。根據(jù)實(shí)際工況對(duì)模型進(jìn)行仿真，選取流量為400 cm3/s的定量泵，旁通壓力8 MPa，蓋板開啟阻力2 kN，開啟阻尼2000 N·s/m，液壓缸行程1.5 m，碰撞接觸剛度1.7×108N·m，碰撞指數(shù)1.5，最大阻尼系數(shù)3×105N·s/m，切入深度0.1 mm，來計(jì)算開啟過程中蓋板的切線加速度以及碰撞時(shí)止擋板處的沖擊力，其中仿真時(shí)間設(shè)定為18 s，仿真步長(zhǎng)0.01 s。

圖4為蓋板切向加速度試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比，其中A為加速度，圖中可以看出，11.5 s處該裝置的蓋板與止擋板發(fā)生碰撞。試驗(yàn)沖擊加速度5.2g，仿真沖擊加速度6.2g，誤差19.2%。

圖4 蓋板切線加速度試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of tangential acceleration response at cover board which obtained by measurement and simulation

圖5為止擋板處的沖擊力試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比，圖中可以看出，該裝置的蓋板與止擋板發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊力時(shí)間歷程圖曲線基本一致。試驗(yàn)沖擊力17.7 kN，仿真沖擊力22.1 kN，誤差24.8%。由于碰撞過程復(fù)雜，模型中微小的參數(shù)變化都會(huì)引起結(jié)果改變，30%以內(nèi)的誤差在正常范圍內(nèi)。因此，基于ADAMS和AMESim軟件建立的艦艇某裝置啟閉模型與參數(shù)選擇是正確的，可以基于該模型開展相關(guān)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 止擋板處的沖擊力試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of impact force response at stripper backing plate which obtained by measurement and simulation

3 液壓控制系統(tǒng)優(yōu)化

艦艇某裝置開啟時(shí)噪聲過大是因?yàn)闆_擊力過大造成的，而沖擊力則是由蓋板碰撞止擋板造成的。由此可知，若能降低蓋板碰撞前的速度，就能降低開啟噪聲。但必須注意的是，在實(shí)際使用中該裝置的開啟時(shí)間是有規(guī)定的，必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成開啟操作。

原液壓系統(tǒng)僅能簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)蓋板的開啟和關(guān)閉，并不能控制蓋板開啟過程中的速度，其控制方案如圖6所示。

圖6 原液壓系統(tǒng)控制方案Fig.6 Original hydraulic system control method

設(shè)計(jì)一套基于接近開關(guān)的控制系統(tǒng)，控制原理如圖7所示。將原液壓系統(tǒng)中的電磁換向閥更換為無沖擊電磁換向閥，并在液壓推桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械定位點(diǎn)和定位點(diǎn)前安裝接近開關(guān)，改進(jìn)后控制方案如圖8所示。當(dāng)蓋板與止擋板接近時(shí)，接近開關(guān)向電控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，控制換向閥閥口減小，當(dāng)閥口減小到一定程度后需保持該開度。當(dāng)推桿到達(dá)最大行程，即蓋板與止擋板碰撞時(shí)，將觸發(fā)另一個(gè)接近開關(guān)，控制電磁換向閥完全關(guān)閉。

圖7 改進(jìn)后液壓系統(tǒng)控制原理Fig.7 Improved hydraulic system control theory

圖8 改進(jìn)后液壓系統(tǒng)控制方案Fig.8 Improved hydraulic system control method

對(duì)改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，選取接近開關(guān)安裝于拉桿移動(dòng)到最大行程前的15 cm處，無沖擊電磁換向閥完全開啟到閉合的時(shí)間設(shè)定為1 s，減小后的閥口開度設(shè)置為原開度的1/3。通過仿真模型對(duì)比來優(yōu)化前后的蓋板切線加速度和止擋板處沖擊力，以檢驗(yàn)實(shí)際控制效果，優(yōu)化前后仿真數(shù)據(jù)如圖9和圖10所示。

圖9 優(yōu)化前后蓋板切線加速度對(duì)比Fig.9 Comparison of tangential acceleration reponse at cover board before and after optimization

圖10 優(yōu)化前后止擋板沖擊力對(duì)比Fig.10 Comparison of impact force at stripper backing plate before and after optimization

由仿真結(jié)果可以看出，通過對(duì)電磁閥進(jìn)行控制，總時(shí)長(zhǎng)增加了1.2 s，可滿足裝置的時(shí)間開啟要求。但是，其最大沖擊加速度降低了58.1%（從6.2g降低至2.6g），最大沖擊力降低了60.1%（從22.1 kN降低至9.6 kN）。因此，碰撞產(chǎn)生的沖擊噪聲過大問題可以得到改善。

4 結(jié) 語

采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的艦艇某裝置在完全開啟時(shí)，其蓋板會(huì)與止擋板發(fā)生碰撞，并產(chǎn)生過大的沖擊噪聲。針對(duì)該問題，本文采用ADAMS和AMESim軟件聯(lián)合建立該裝置的啟閉模型，計(jì)算其蓋板與止擋板碰撞時(shí)所受到的沖擊加速度和沖擊力，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（其中，沖擊加速度誤差19.2%，沖擊力誤差24.8%），以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。然后，在此基礎(chǔ)上利用無沖擊電磁換向閥對(duì)原液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。仿真分析結(jié)果表明：在不影響裝置正常啟閉的前提下，采用此方法可明顯降低該裝置在開啟時(shí)所受到的沖擊加速度和沖擊力，其中，最大沖擊加速度降低了58.1%，最大沖擊力降低了60.1%。因此，沖擊噪聲過大問題得到有效解決。

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