徐桐 曹立軍 馬萬鵬

摘要：為研究液壓油質特性變化對火箭炮高低調炮的影響，以某火箭炮高低隨動系統(tǒng)為研究對象，基于MSC_ADAMS、EASY5仿真軟件建立高低隨動裝置機電液耦合動力學模型，并通過對比試驗與仿真結果驗證模型的可信性。在此基礎上，重點分析液壓油溫與含氣量對火箭炮高低調炮的影響，同時針對液壓油污染導致的過濾器堵塞故障進行仿真分析。結果表明：液壓油溫與含氣量對火箭炮高低調炮的影響不能忽略，過濾器堵塞故障隱蔽性較強不易察覺，通過改變液壓油質特性進行仿真可以獲得較完善的知識與樣本，為火箭炮液壓系統(tǒng)故障診斷與維修保障提供參考。

關鍵詞：液壓油;機電液耦合;油溫;含氣量;堵塞

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0153-08

收稿日期：2018-04-04;收到修改稿日期：2018-05-21

基金項目：國家自然科學基金（51575523）

作者簡介：徐桐（1994-），男，甘肅秦安縣人，碩士研究生，專業(yè)方向為武器系統(tǒng)仿真與虛擬樣機技術。

通信作者：曹立軍（1979-），男，山東海陽市人，副教授，研究方向為武器裝備消耗規(guī)律與可靠性。

0 引言

在火箭炮武器系統(tǒng)中，高低隨動裝置主要用于驅動定向器束進行縱向角度調整，其動力學涉及機、電、液、控等多領域，傳統(tǒng)的單領域仿真已經(jīng)無法滿足對該類系統(tǒng)進行完整、準確的分析要求[1]，必須建立多領域協(xié)同的仿真方案，充分考慮系統(tǒng)間的耦合效應，從而提高仿真分析精度。其中液壓系統(tǒng)具有故障率高、形式隱蔽、維修困難等特點，而液壓系統(tǒng)故障的70%。是由液壓油引起的[2]，液壓油質異常直接影響火箭炮調炮的工作性能，同時增大了功率損失，降低了元件使用壽命。

隨著多體動力學研究的不斷深入，針對大型復雜裝備液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性研究取得了一系列進展。李偉等[3]利用MSC.ADAMS和EASY5仿真軟件建立了供料機機電液耦合動力學模型，通過設置不同液壓油溫度明確了油溫對供料機性能的影響規(guī)律;郭勇等[4]運用MSC.ADAMS和AMESim軟件建立了負載獨立流量分配液壓系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，分析得到適當增加固定參數(shù)能有效提高液壓系統(tǒng)動態(tài)特性與穩(wěn)定性;印寅等[5]采用功率鍵合圖法建立了結合起落架動力學和液壓系統(tǒng)的多學科協(xié)同仿真模型，詳細介紹了混合系統(tǒng)中各關鍵參數(shù)對起落架收放性能的影響。以上研究對大型復雜裝備液壓系統(tǒng)的設計開發(fā)具有一定的指導作用，而針對液壓油質特性對系統(tǒng)工作性能的影響考慮不夠，無法全面準確分析液壓系統(tǒng)的動力學特性。

以某火箭炮高低隨動系統(tǒng)為研究對象，基于協(xié)同仿真技術建立其機電液耦合動力學模型，在驗證模型可信性的基礎上，重點研究分析了液壓油溫、油液含氣以及油液污染導致過濾器堵塞等對火箭炮高低調炮性能的影響，明確了相關參數(shù)變化時的規(guī)律特征，為實際裝備的液壓油選擇與故障診斷提供了參考依據(jù)。

1 高低隨動系統(tǒng)調炮原理與液壓油質分析

1.1 高低隨動系統(tǒng)組成及工作原理

火箭炮高低隨動系統(tǒng)由機械、液壓、控制三大系統(tǒng)組成，其中機械系統(tǒng)主要包括高平機、定向器束、起落架、夾板組等;液壓系統(tǒng)主要包括伺服泵總成、手動泵總成、控制閥組、鎖緊閥組等;控制系統(tǒng)主要包括火控計算機、隨動控制箱、數(shù)模轉換器、測角裝置等。串行通信接口接收火控計算機發(fā)出的高低控制信號，并自動計算出該信號與火箭炮實際俯仰位置間的誤差及控制規(guī)律，通過功率放大器驅動電液伺服閥控制變量泵斜盤擺角和擺動方向，進而控制高平機實現(xiàn)火箭炮高精度俯仰調炮與自動操瞄。其工作原理如圖1所示。

1.2 液壓油質故障分析

液壓油是液壓系統(tǒng)傳遞能量的工作介質，其性能的優(yōu)劣直接影響火箭炮高低調炮的工作性能。液壓油屬性主要包括油液溫度、粘度、含氣量及油液污染等。由文獻[6]可知，當系統(tǒng)壓力不超過15MPa時，油液粘壓特性可以忽略，故本文只考慮油溫變化對油液粘性的影響。由于液壓系統(tǒng)的復雜性，火箭炮高低調炮的常見故障如調炮緩慢、爬行、機構運行不穩(wěn)或無法調到指定射角等，通常對應一系列故障因素，故本文針對不同液壓油屬性所產(chǎn)生的實際故障，采用故障樹的形式對液壓油質故障進行故障分析，其故障樹分析圖如圖2所示。

其中油液溫度異常對火箭炮調炮影響較大，過高時會使油液粘度下降而增大泄流損失[7]，過低時會使油泵自吸能力下降而增大摩擦阻力，大幅降低了系統(tǒng)工作效能;油液污染會加速液壓泵及閥組等元件的磨損[8]，若雜質堵塞過濾器則會使液壓泵吸油不足，直接導致調炮不平穩(wěn)甚至無法實現(xiàn)調炮;油液中混入一定空氣后，由減壓產(chǎn)生的“氣穴”現(xiàn)象會使油液呈不連續(xù)狀態(tài)，形成局部液壓沖擊[9]，導致調炮動作緩慢或出現(xiàn)爬行，同時伴隨強烈的振動與噪音。通過對液壓油質特性故障樹分析可以看出，許多液壓系統(tǒng)故障都與液壓油息息相關，而液壓系統(tǒng)自身故障率高、可視差且不易拆卸，為明確液壓油屬性對火箭炮高低調炮的影響規(guī)律，采用建立虛擬樣機的方法，進行不同油質條件下的仿真分析。

2 高低隨動系統(tǒng)虛擬樣機建立與校核

2.1 高低隨動系統(tǒng)伺服控制理論

伺服系統(tǒng)采用典型的PID控制器，通過實現(xiàn)高平機的快速精準定位來滿足火箭炮的戰(zhàn)斗性能。典型的PID控制器包括比例（P）、積分（1）、微分（D）3個環(huán)節(jié)[10]。傳統(tǒng)PID控制器的系統(tǒng)結構框圖如圖3所示。

為被控對象的傳遞函數(shù)，r（t）為系統(tǒng)輸入，e（t）為反饋偏差，u（t）為控制器輸出，d（t）為擾動，y（t）為系統(tǒng)輸出。PID控制器的輸出可列寫為：式中：K_p——比例系數(shù);

T_i——積分時間常數(shù);

T_d——微分時間常數(shù)。

在實際工程實踐中，PID 3個參數(shù)通常采用工程整定法確定，即通過不斷對建立模型的參數(shù)進行調整修改，從而滿足系統(tǒng)動態(tài)性能的要求。

2.2 高低隨動系統(tǒng)機電液耦合建模

考慮各子系統(tǒng)間的拓撲結構及邊界條件，采用MSC.ADAMS-EASY5聯(lián)合仿真的建模方法進行建模。首先在三維實體建模軟件SolidWorks中根據(jù)實際裝備尺寸建立高低隨動裝置各機械零部件模型并裝配，導入ADAMS軟件定義模型材料與重力方向，根據(jù)零部件間的拓撲關系添加約束，完成隨動裝置機械部分建模;其次根據(jù)液壓控制回路組成與工作原理，利用EASY5軟件基礎庫及高級液壓庫中的標準元件，對液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)回路進行建模[11]。高低隨動裝置系統(tǒng)間耦合關系如圖4所示。

為實現(xiàn)高低隨動裝置機電液聯(lián)合仿真，需在ADAMS軟件中創(chuàng)建設計變量（design variable），并通過ADAMS/Controls模塊將機械模型與EASY5拓展庫中的AD模塊對接，AD模塊中輸出的角位移量作為反饋信號輸入PID控制器，進而實現(xiàn)火箭炮高低精準調炮。根據(jù)系統(tǒng)機電液參數(shù)間的傳遞關系將各模塊進行連接，最終建立的高低隨動系統(tǒng)機電液一體化虛擬樣機如圖5所示。

2.3 虛擬樣機可信性驗證

針對所建立的高低隨動系統(tǒng)虛擬樣機模型，只有滿足了可信性要求，在此基礎上進行的液壓油特性仿真才具有應用價值。對于復雜系統(tǒng)虛擬樣機驗證方法的研究已較為深入，其中校核可信度的最佳途徑是將仿真結果與試驗數(shù)據(jù)進行對比[12]。對于高低隨動系統(tǒng)模型的校核，根據(jù)現(xiàn)有裝備試驗條件以及高低調炮的主要性能指標，需測定實裝空載工況下俯仰調炮的動力學響應，即通過高低旋變測試與系統(tǒng)壓力測試來驗證所建模型的準確性。

實裝測試方面：試驗前對火箭炮進行多次多角度自動調炮，在確定實際裝備性能狀態(tài)良好的同時達到熱機目的;將旋變記錄儀、壓力采集儀標定零位后，設定采樣頻率為10000Hz，進行600mil（360°=6000mil）自動調炮;為提高試驗結果精度，采用觸發(fā)采集同步得到高低旋變信號與壓力信號，圖6為實際裝備試驗裝置。

仿真實驗方面：在EASY5軟件中設置調炮角度指令為600mil，同時在ADAMSNiew中仿真計算起落部分的高低角位移與角速度隨時間變化曲線，采用GSTIFF積分器和S12方程進行求解，仿真時長25s，仿真步長0.001。

由于實際裝備存在個體差異與偶然誤差，一次調炮試驗不具有普遍性和一般性，因此需對狀態(tài)良好的火箭炮進行多次多角度調炮試驗。旋變測試方面以完成一次調炮所需時間與調炮過程最大角速度作為誤差指標，將不同角度調炮得到的調炮時間與最大角速度平均值與仿真結果進行對比，如表1所示;壓力測試以完成一次調炮過程時高低機升腔壓力峰值與蓄能器油腔壓力值作為誤差指標，求取試驗結果與仿真結果的平均值后進行對比，如表2所示。

通過對比分析可知，實際裝備調炮的動態(tài)特性與仿真模型基本相同，選取的評價指標誤差均低于5%。故可以認為所建機電液一體化虛擬樣機模型與實際裝備具有較高的重合度與可信度，利用該仿真平臺進行液壓油質特性研究是可行的。

3 液壓油質特性仿真分析

液壓油質特性仿真是在分析系統(tǒng)結構與工作原理的基礎上，利用滿足可信性要求的虛擬樣機模型，通過改變油液屬性設置進行仿真計算與模擬再現(xiàn)的過程，研究的難點在于向虛擬樣機模型注入油質故障的方式是否準確有效。根據(jù)液壓油屬性從內部關系到外部特征的分析，本文采用參數(shù)化和等效的注入方法改變液壓油質特性[13]：

1）參數(shù)化法：分析液壓油數(shù)學模型，確定相關參數(shù)對液壓油質特性的影響，對相應參數(shù)進行變量化處理，實現(xiàn)液壓油屬性更改。

2）等效法：分析液壓油污染引起的堵塞故障與系統(tǒng)內部間的等效關系，建立等效堵塞模型，實現(xiàn)對堵塞類故障的注入。

根據(jù)前文對液壓油質的故障樹分析，基于所建立的高低隨動系統(tǒng)虛擬樣機模型，主要針對不同油液溫度、油液含氣量以及油液污染所造成的過濾器堵塞故障進行仿真計算，分析對比不同故障條件下的調炮角位移、角速度及高平機人口壓力，確定不同油質條件對火箭炮高低調炮的影響規(guī)律。值得注意的是，在改變虛擬樣機模型油質特性的過程中，必須保證模型其他結構及參數(shù)不發(fā)生變化。

3.1 油液溫度

火箭炮液壓系統(tǒng)在工作過程中由于系統(tǒng)內部壓力損失、克服摩擦阻力等一系列因素將產(chǎn)生能量消耗，這些損耗的能量絕大部分被轉化為熱能導致液壓油溫度升高，當油溫高于40℃時油液粘度急劇下降[14]。粘度變化會使系統(tǒng)各運動部件磨損加劇，泄流損失增大，泄流功率又使油液溫度升高，進一步增加泄流量從而陷入惡性循環(huán)。由于火箭炮液壓系統(tǒng)管路遍及火力系統(tǒng)各個組成部分，很難構建龐大的實裝試驗環(huán)境來精確改變液壓油的溫度，同時為避免外界環(huán)境條件影響，采用仿真手段研究具有明顯優(yōu)勢。由于本文研究的高低隨動液壓系統(tǒng)在工作時壓力小于15MPa，因此只考慮粘度隨溫度的變化，公式可表示為：

η=η₀e^{λ（T-T₀）}（2）式中：η₀——油液初始粘度，Pa·s;

T₀——油液初始溫度，K;

λ——粘溫系數(shù)。

針對油溫特性采用參數(shù)化的方式改變液壓油屬性：在所建液壓系統(tǒng)模型中，通過修改油液屬性模塊FP中的溫度參數(shù)來實現(xiàn)。設定參數(shù)為30℃、50℃（正常）、70℃，模型中其他參數(shù)不變，分別進行600密位高低調炮仿真計算，得到調炮角位移、角速度及高平機人口壓力隨時間的變化曲線如圖7～圖9所示，將圖9局部放大如圖10所示。由圖可知，油液溫度為30℃時，由于粘度增大使得管流阻力增大，調炮速度稍有下降，人口壓力增大了0.7MPa，增加了功率損失;油液溫度為70℃時，由于粘度降低內泄量增大，導致調炮動作緩慢，調炮到位時間延長，仿真計算結果與理論分析結果一致。

3.2 油液含氣

液壓油不可避免的會含有一定量的空氣，其中少部分可以溶解在液壓油中，部分以氣泡形式混合在液壓油中。當某處壓力低于空氣分離壓力時，溶解于液壓油中的空氣就會以氣泡的形式分離出來，直接導致調炮動作不穩(wěn);當壓力降至油液飽和蒸汽壓力以下時，油液中的空氣就會以極快的速度釋放出來[15]，同時伴隨強烈的振動與噪聲。油液中存在“氣穴”將會腐蝕金屬表面，降低元件使用壽命，“氣穴”中的氣泡流動到高壓區(qū)將會迅速破裂凝結成液體形成真空，周圍高壓油迅速補充造成局部液壓沖擊，從而導致高低調炮出現(xiàn)爬行、無法調到指定射角等故障。由于油液含氣對裝備的損傷較大，故在實際裝備的日常維護中通常采用控制預防與定期檢測相結合的方法，同時針對服役條件設置有相應的換油期限。

相比于使用實際裝備進行油液含氣量試驗，基于虛擬樣機的仿真技術可有效控制含氣量參數(shù)，同時避免含氣量注入對裝備造成的破壞損傷。仿真軟件中油液含氣比與油液有效密度的關系可表示為：式中：ρE——油液有效密度，kg·m^-3;

e——油液含氣比;

P₀——1標準大氣壓;

T₀——283K溫度;

T——實際溫度，K;

P——實際壓強，Pa;

ρ_a——實際空氣密度，kg·m^-3;

ρ_f——理想油液密度，kg·m^-3。

針對油液含氣量特性采用參數(shù)化的方式改變液壓油屬性：在所建液壓系統(tǒng)模型中，通過修改油液屬性模塊FP中的含氣比這一參數(shù)來實現(xiàn)。設定參數(shù)為0.5%、2%、10%，模型中其他參數(shù)不變，分別進行600密位高低調炮仿真計算，得到調炮角位移、角速度、高平機人口壓力及流量隨時間的變化曲線如圖11～圖14所示。由仿真曲線可知，含氣量在0.5%和2%時，系統(tǒng)動力學特性均滿足裝備性能設計指標，說明油液正常含氣雖不可避免但對系統(tǒng)影響也十分有限;隨著油液含氣比增大，“氣穴”現(xiàn)象越發(fā)嚴重，當含氣量為10%時，調炮角速度出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，調炮到位時間明顯延長，同時在系統(tǒng)壓力起始階段出現(xiàn)長時間大幅度的振蕩，極大降低了系統(tǒng)性能，使之無法滿足要求的性能指標，仿真結果與理論分析十分相符。

3.3 油液污染

液壓油質量是保障液壓系統(tǒng)工作可靠性、經(jīng)濟性最重要的因素。油液中顆粒污染主要來自空氣中的塵土及沙粒，同時包括加工殘留的金屬屑等，雜質在液壓油工作過程中會引起摩擦副的磨損，進而導致液壓油氧化污染整個系統(tǒng)，因污染積累造成的油路堵塞還會引起部分零部件嚴重變形，甚至出現(xiàn)卡死停機現(xiàn)象。液壓油污染具有隱蔽性強與隨機性等特點，利用實體元件進行仿真試驗很容易造成油液污染且消耗大量時間，故利用仿真手段模擬過濾器堵塞故障更為高效。模型中油液流經(jīng)過濾器時產(chǎn)生的壓力降可表示為：式中：η——油液動力粘度，Pa·s;

Q——過濾器額定流量（通流能力），L·min^-1;

α——過濾器單位面積通流能力，L·min^-1;

A——有效過濾面積，m²。

針對油液污染造成的過濾器堵塞故障，采用等效化的方式實現(xiàn)：在過濾器出口串聯(lián)限流器元件，通過更改限流器流通孔徑模擬堵塞故障。設定限流器孔徑參數(shù)為10mm（正常）、6mm、4mm，過濾器額定初始壓降為0.06MPa，模型中其他參數(shù)不變，分別進行600密位高低調炮仿真計算，得到過濾器人口及出口壓力隨時間的變化曲線如圖15、16所示，人口壓力局部放大如圖17所示。由壓力曲線圖可以看出，隨著過濾器通流能力的降低，過濾器人口壓力不斷增大，而出口壓力未發(fā)生變化，這是由于過濾器為阻性元件而非容性元件，出口壓力只取決于系統(tǒng)負載且不受流通狀況的影響;當流通孔徑為6mm時，最大人口壓力約為10MPa，壓降約為。一14MPa，是額定初始壓降的2.3倍;當流通孔徑為4mm時，最大人口壓力為10.9MPa，壓降約為1.04MPa，是額定初始壓降的17.3倍，屬于嚴重堵塞故障。一般情況下，過濾器合理降壓區(qū)間為0.06～0.35MPa，故可以判定堵塞程度40%的過濾器仍可繼續(xù)使用，而堵塞程度達60%的過濾器已經(jīng)超出了其額定使用壽命，需要及時更換，仿真結果與理論分析比較吻合。

4 結束語

1）以某火箭炮高低隨動系統(tǒng)為研究對象，運用仿真分析軟件ADAMS-EASY5建立了機電液耦合動力學模型，并通過實裝試驗對模型進行了可信性驗證。

2）針對液壓油質特性進行了故障樹分析，并通過參數(shù)化法與等效法對油液溫度、油液含氣及油液污染造成的過濾器堵塞故障進行了仿真分析，明確了不同油質條件下火箭炮高低調炮的動態(tài)特性及運動規(guī)律，為液壓系統(tǒng)故障研究與維修保障工作提供了一定指導。

3）在實際工程中，高低隨動系統(tǒng)通常由電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)其位置及速度控制，在下一步工作中需針對控制系統(tǒng)進行建模優(yōu)化研究，為實現(xiàn)火箭炮高低精準調炮奠定理論基礎。

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（編輯：商丹丹）