某火箭弹发射装置自适应平衡机原理方案研究*

方 航 王敏毅 黄朝学

(中国船舶重工集团公司第710研究所 宜昌 443003)



某火箭弹发射装置自适应平衡机原理方案研究*

方 航 王敏毅 黄朝学

(中国船舶重工集团公司第710研究所 宜昌 443003)

为增大某型火箭弹发射装置高低射角,特将定向器耳轴设计于尾部,由此产生的较大且变化的质量偏心矩依靠平衡机解决。负载质量偏心矩直接受高低角、剩余载弹量、火箭弹种、火箭弹布置位置等因素影响,该新型平衡机输出平衡力矩需实时动态准确平衡质量偏心负载。论文从机电结合的角度提出带控制单元的自适应平衡机,将力矩平衡经机构转化为液压力平衡问题,控制系统接收测量参数并实时解算出理论输出压力,与测量实际负载压力比较得出压力差构成负反馈调节电液伺服阀开度,直至负载完全平衡。理论分析该系统方案可行,协同主平衡机可以实现质量偏心矩动态平衡,有效提高发射装置快速响应性能。

平衡机; 主动双向平衡; 自适应; 控制系统

Class Number TJ01

1 引言

采用倾斜发射方式的某发射装置定向器(起落部分)通过耳轴和高低机安装在回转底盘上,瞄准时定向器在高低机的驱动下绕耳轴转动至预期高低角。在发射装置总体设计时为了满足大仰角要求且防止定向器尾部在较大射角的情况下与装置底盘干涉,耳轴一般都设置在定向器尾部,这样定向器成了一个以耳轴为支点的悬臂梁,定向器的重量以及其上装载的弹药总重量相对耳轴会产生一个较大的质量偏心矩M。高低射角、剩余载弹量、弹种、火箭弹布置位置也使得M跟随上述四种参数变化,工程中将面临实时动态平衡负载质量偏心矩的难题。此外,由于耳轴位置靠后,当高低角为较小锐角与较大锐角甚至直角时,质量偏心矩相对耳轴转动方向相反,即质量偏心矩M出现双向的情况。装置变换射角时,起落部分俯仰运动需克服很大的质量偏心矩M,使得高低机的结构尺寸,功率参数等较大,整个系统惯性大、响应速度慢、精度低。为解决较大质量偏心矩问题,多数发射装置均采用平衡机以提供一个与质量偏心矩M大小相近、变化规律相似、方向相反的平衡力矩,以降低高低机工作负荷和动力传动扭矩,保证高低机打高快速,打低平稳。

实际工程应用中,出现了各种结构类型的被动式平衡机。被动式平衡机大都只能平衡部分质量偏心矩且为静态平衡,很少能在变动负载条件下动态平衡质量偏心矩M问题的主动平衡的自适应式平衡机。国内张景华、丁宏民提出了液体气压式平衡机自动补偿系统[1],但仅限于导弹发射装置的安装,且只能单向平衡质量偏心矩。由于质量偏心矩M与起落部分空载质量、高低角、装载弹种和载弹量、弹位(不同弹种及同一弹种在不同的发射管产生的偏心力矩不同)等因素均相关。当装置工作时,质量偏心矩M实际上不断变化,交变的载荷对装置的寿命、效率,可靠性等方面产生极大的副作用。在该背景下,若采用适应负载变化的自适应平衡机理论上能够较好的平衡质量偏心矩M,发射装置的性能预期将得到提高。本文针对某类发射装置提出一种自适应平衡机的方案,并分析其优点及关键技术。

2 自适应平衡机设计方案提出

2.1 国内现有平衡机的原理方案

平衡力矩一般由弹性元件提供,根据弹性元件不同,主要分弹簧式[2]、链条式、扭杆(叠板)式[3]、气压式、气液式和弹簧液体式。根据对起落部分施力情况不同分为拉式平衡机、推式平衡机、也有变行程和考虑起落部分质心位置变化的万能平衡机。主要类型[4]简短介绍如下:

图1 拉式平衡机

图2 推式平衡机

1) 弹簧式平衡机:如图1、图2所示,它是由弹簧提供平衡力矩的平衡装置,随着仰角的增大(减小),弹簧压缩量相应减小(增大),平衡机即可向起落部分提供一个随仰角变化的平衡力矩。此类平衡机结构简单、工作性能不受气温变化的影响、便于维修,应用较广。

2) 扭杆式平衡机:如图3、图4所示,它是由弹性杆件的扭转变形而产生平衡力矩的平衡装置,弹性杆件可以是圆截面的整体式扭杆也可以是多层叠板式,为缩短扭杆的轴向尺寸,可与扭力筒串联[5]使用,而成为扭杆一扭筒式平衡机。此类平衡机结构紧凑、维修简单、寿命较低,此外还有扭杆为多件平行并联的结构,构造复杂但传递扭矩较大。

图3 并联扭杆式平衡机

图4 串联扭杆式平衡机

3) 气压式平衡机:被压缩的气体产生平衡力矩,当装置起落部分高低射角改变时,活塞杆与外筒相对移动,筒内容积及气体压强随高低射角改变而产生相应变化。该类型的平衡机优点是重量较轻,加工和调试比较容易,但缺点是气压易受到温度变化的影响,且配备气动系统。

4) 液体气压式平衡机:它是利用压缩气体作储能介质,由液体传递气体压力而产生平衡力矩的平衡装置。主体部分包括活塞杆、活塞、接续器、液压室、缸体、气压室,蓄力器和柔性软管等。柔性软管一端连接蓄力器,另一端连接接续器入口。该类平衡机具有摩擦阻力小,密封性好等优点,但总体结构不紧凑。

上述叙述的平衡属于被动式平衡,大都只能应对发射装置高低角变化引起的质量偏心矩变化,当高低角不变,载弹量改变,弹位和弹种改变时平衡机的输出平衡力矩大都是固定值,始终无法实时跟踪并平衡负载,变化的负载力矩还得由高低机解决。主动式平衡机是能实时跟踪质量偏心矩M的变化,在控制系统的控制规律作用下实时调整相关控制参数使输出扭力矩接近负载力矩,达到最佳平衡效果的新型平衡机,相对上述被动式平衡机又被称为自适应平衡机。理想情况下,自适应副平衡机配合主平衡机协同工作可完全解决负载力矩,高低机只起到启动制动作用。

2.2 自适应平衡机创新点分析

该自适应平衡机方案上是可行的,与传统的被动式平衡机有较大区别。传统的平衡机只能在一定范围内或者改变某几个特定参数来改善平衡机的性能,尽可能减小不平衡力矩,调整量有局限,而且不能克服摩擦力矩和其他阻力矩的不利影响,因此整体性能有缺陷,无法动态平衡质量偏心矩。然而,自适应平衡机引入机电控制单元,接收影响质量偏心矩M变化的所有参数,自动的实时解算出理论压力pt,与实际检测结果比较分析并用该偏差值控制该系统。

1) 该系统针对理论压力pt与实际压力的偏差值,将温度与气体多变对系统的影响考虑在内,使得分析简化。其他被动式平衡机如气压式平衡机通常设计温度与气压控制单元维持气压稳定,无疑造成设计成本提高、结构复杂、可靠性与可维护性降低。

2) 该自适应平衡机考虑了各种因素造成的压力偏差,如:摩擦力矩、摩擦力、液压缸油泄漏等,这是传统平衡机不能解决的。

3) 该自适应平衡机可以双向平衡质量偏心矩M,发射装置可以满足大仰角工况的需求。同时减轻主平衡机的工作负担,有利于延长主平衡机的使用寿命与缩短维修周期。

4) 平衡原理新颖。该主动平衡器将力矩平衡问题转化为力平衡问题,进一步转化为压力平衡。在力矩平衡向力平衡过程中,引入的等效摇杆滑块机构将不平衡力一大部分传递给地基,剩余水平方向上的小部分力由液压平衡,极大地降低油缸的工作负荷,对装置轻型化、响应速度高,精度高将发挥重要作用。

5) 系统工作平稳、振动小。液压传动传递力或力矩大,传动平稳,在相同原理下如果使用纯机械传动,可能会引起系统振动、噪音,同时不方便控制。该平衡机比较适合该类型发射装置的结构,有利于整体布局安装,配合被动式主平衡机协调工作,理论上会产生较好的效果,对装置的总体性能发挥促进作用。

3 自适应平衡机原理方案设计

3.1 自适应平衡机数学模型

以某类型发射装置为研究对象,为满足最佳质量偏心矩M在高低机不直接参与的条件下的平衡效果,提高系统响应速度与精度,避免低速爬行,减小振动,该发射装置使用串联扭杆式平衡机与自适应平衡机两级平衡。其中将串联扭杆式平衡机作为主平衡机,自适应平衡机作为副平衡机,二者配合高低机完成起落部分俯仰运动。假设待平衡的质量偏心矩为M、起落部分空载质量为m、主平衡机提供的平衡力矩记作Tm、自适应平衡机提供的平衡力矩为Ta,高低机只解决惯性力矩,忽略各运动副摩擦阻力矩,建立力学[9]方程:

M=f(m,s,n,θ,Bb)

(1)

M=Tm+Ta

(2)

(3)

式中l1为实心圆柱形扭杆有效长度;l2为空心圆柱形扭杆有效长度;G为剪切弹性模量;d为实心扭杆截面圆直径;d2为空心扭杆外径;d1为空心扭杆内径;g(θ)为主平衡机通过四连杆与耳轴相连接,串联扭杆的合成扭转角是高低角θ的函数。

从式(1)～为(3)分析知,主平衡机在高低角θ确定时,输出平衡力矩为定值,且有极值要求,尤其是载弹量n、剩余弹种s及弹位Bb改变时,变动的剩余质量偏心矩只能由高低机平衡,造成高低机工况恶劣、疲劳寿命降低,所以假若另外设计一平衡机输出平衡力矩Ta能适应θ、n、s、Bb的改变而自动调整,配合主平衡机工作,则高低机负载将极大降低,真正适应打高快速,打低平稳的现代作战需求。

该自适应平衡机将要平衡的力矩通过等效摇杆滑块机构转变成平衡力F,液压缸净输出压力为p。假设驱动滑块右行程为正、逆时针转矩为正,反之为负。通过力学分析:

(4)

(5)

(6)

p=pl-pr

(7)

根据式(6),实际中存在摩擦阻力,摩擦力在起落部分上升运动中起反作用,而在下降中其实起到正面衰减作用,在工程中可加以利用。若为减小摩擦力,可在驱动滑块与滑槽之间采用静压润滑的方式,保证滑块行程方向的摩擦力最小,耗损能量最低。

自适应平衡机将变力矩平衡问题通过摇杆滑块机构等效为力平衡问题,进而通过控制系统转化为压力与流量控制问题。控制系统接收θ、s、n、Bb和其他参数,控制电磁阀和液压泵自动调整工作腔的油压pr或者pl。

3.2 气液式自适应平衡机设计方案

通过分析发射装置工作过程,结合《机械原理》[6]知识,提出自适应平衡机的方案,如图5所示。

图5 气液式自适应平衡机原理图

符号及参数说明:1为弹炮通讯识别器(剩余载弹量识别传感器、弹种识别传感器、弹位识别传感器等);2为耳轴;3为角位移传感器;4为起落部分(定向器);5为支撑杆;6为驱动滑块;7为液压缸;8为压力油;9为发射装置底盘;10为三通管;11为储能器;12为压力传感器;pl为左储能器气腔的压力值;pr为右储能器气腔的压力值;u为控制系统输入电压信号;n为发射管剩余载弹量(枚);s为弹种(共架发射装置可以发射不同类型火箭弹,各自质量不同);θ为高低角;Bb为弹位(不同位置的发射管);其他符号参见液压系统手册[7]。

3.3 自适应平衡机工作原理

假定忽略油缸泄漏、流体摩擦及其他机械摩擦:

1) 当高低角θ改变,弹种与载弹量s、n、Bb不变。控制器接收实时状态参数并自动解算出自适应平衡机需要平衡的力矩Ta及理论油压pt。假若M顺时针,则控制三位四通电磁阀左端得电,受控油泵给液压缸右腔供油,此时油缸左腔卸荷,左腔理论压力值pl=0Mpa,左右储能器两端的压力传感器检测油缸两端压力并反馈到控制系统。当ppt,则平衡机储能器实际压力过剩,控制系统控制电磁阀排放液压油,直到二者相等。由于现代作战装备对大仰角的需求,起落部分质心远离耳轴,当高低角θ增大到一定界限,质量偏心矩M会反向。此时电磁阀右端通电,油缸右腔卸荷,左腔供油,pr=0Mpa,工作原理同上。

2) 当θ不变,弹种与载弹量s、n、Bb改变。起落部分位置与姿态固定,质量偏心矩M改变,对应的平衡压力也需改变。传感器实时自动检测s、n、θ、Bb并反馈至控制系统,系统解算出理论压力pt。当负载力矩M为顺时针,受控油泵向油缸右腔供油,直到满足压力平衡。当负载力矩为逆时针时,受控油泵向油缸左腔供油,经过反复比较,最终达到压力平衡。

4 自适应平衡机待解决关键技术

当前国内发射装置需要配置平衡机的场合普遍采用被动式平衡机,无法满足平衡机输出跟随发射装置工作参数改变而改变,即无法满足自适应平衡的要求。国内当前对该方面的研究文章数量也极少,满足发射装置结构特点的新型自适应主动平衡机研究应该得到相关人员的重视。

本文提出的自适应平衡机在实际应用中,需要解决以下关键技术:

1) 考虑运动副机械摩擦力、摩擦力矩、液压油泄漏等,随其他参数输入控制单元解算出接近实际模型的理论平衡压力pt。

2) 当高低角改变、质量偏心矩换向时,液压缸进油通路改变,由于惯性原因,油缸左腔或右腔某一腔压力将成为背压而阻碍装置运动,如何解决背压问题值得深入研究。

3) 副平衡机与主平衡机协同工作,如何分配各自承担的平衡负载,保证发射装置总体的性能最优。

4) 自适应控制系统设计。该主动平衡机相对被动式平衡机最大的区别是引入了控制单元并采用压力偏差负反馈的形式纠正偏差。系统的控制算法与软硬件设计以满足系统最终的响应速度、精度,稳定性要求是难点。

5) 发射装置在工作模式下要求响应快速,液压系统能否满足速度和精度要求;同时,整个系统安装在装置方向回转底盘上,会不会产生油液振荡、对系统的响应精度有何影响值得深入考虑。

5 结语

平衡机是大仰角发射装置的重要组成部分,极大影响装置的总体性能。本文提出的自适应平衡机的方案,理论上是可行的,在应用中能解决第4节提到的关键技术。同时,带机电控制的平衡机在国内并不常见,主动平衡的自适应平衡机创新点突出,设计原理新颖,对新型火箭弹发射装置研制具有一定借鉴和促进意义。

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《舰船电子工程》编辑部

Study on Decoy Launching Device Adaptive Balancing Machine Principle Scheme

FANG Hang WANG Minyi HUANG Chaoxue

(No.710 Research and Development Institute, CSIC, Yichang 443003)

In order to increase the pitching angle of a certain type of rocket launchers, the directional trunnion was designed in the tail and the resulting great changes and eccentric torque was balanced by balancing machine. Heavy load torque was directly influenced by the pitching angle, the residual amount of payload, the species and layout position of rockets and so on. This new type of balancing machine output torque must dynamically balance quality eccentric load accurately and real-time. The adaptive balancing machine equipped with control unit was proposed in this paper, which can be thought as combination of mechanical and electrical technology. The moment balance was transferred into hydraulic pressure balance problem. Control system recelived the measurement parameters, calculated the theoretical output in real time and compares with the actual load pressure, the differential pressure constituted a negative feedback which can be used to regulate the opening of electrohydraulic servo valve until it was balanced totally. The system scheme was feasible after theoretical analysis, the adaptive balancing machine can achieve quality eccentric torque dynamic balance and improve the launcher fast response performance with the help of main balancing machine.

equilibrator, active bi- balancing, adaptive, control system

2015年3月12日,

2015年4月29日

方航,男,硕士研究生,研究方向:机电一体化系统设计与应用。王敏毅,男,研究员,硕士生导师,研究方向:武器系统运用。黄朝学,男,高级工程师,硕士生导师,研究方向:机械系统设计。

TJ01

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.013