气动抛绳器建模仿真与试验研究

王志文　熊　伟　王海涛　王祖温

大连海事大学，大连，116026

气动抛绳器建模仿真与试验研究

王志文熊伟王海涛王祖温

大连海事大学，大连，116026

简要介绍了气动控制击发型气动抛绳器的结构与工作原理，应用AMESim建模仿真软件对气动抛绳器系统进行了建模仿真，得到了气动抛绳器主要组件的动态响应特性。将弹体抛射初速度的仿真值与抛射试验测量值进行对比分析，结果基本一致，验证了模型的可靠性。研究结果为气动抛绳器的进一步优化设计提供了参考。

气动抛绳器；建模仿真；动态响应；海上救助

0　引言

抛绳器又名撇缆枪、抛绳枪、抛投器等，是一种远距离抛射绳索的器具，被广泛应用于海上救援、舰船补给、消防救援、水文勘测等领域[1]。利用抛绳器为遇险船舶引缆是当今海上救助主流的引缆方式，抛绳器性能的优劣直接影响救助成功与否。

传统气动抛绳器大都采用机械直动式换向阀，需通过操作人员扣动扳机的方式实现阀的气路切换。操作人员扣动扳机的时间相对较长，且操作时间不稳定，这导致阀体响应速度较慢且抛射稳定性相对较差。为提高阀体响应速度和抛射稳定性，本文对气动抛绳器进行了改进，将手动扳机击发改进为气动控制击发。为了减少改进设计中的不确定性，缩短研发周期，提高工作效率，降低设备加工成本，并更好地了解装置的动态性能，对设计方案进行正确的建模仿真是一种行之有效的方法[2]。

AMESim是一款基于键合图理论的系统建模仿真软件，可以实现机电液气等一体化的综合物理系统建模仿真，而且模型库中不同物理领域的模型单元都经过了严格的测试和实验验证[3]。本文应用仿真软件AMESim对气动抛绳器进行建模仿真，通过弹体抛射速度的仿真结果与抛射试验测量结果的比较检验模型的正确性，为装备的后续研发提供可靠的基础仿真模型。

1　抛绳器结构与工作原理

气动抛绳器是将高压气体存储的内能转化为弹头飞行的动能的一种装置[4]。本文在文献[4]所述气动抛绳器的基础上进行了部分改进，主要是将机械式手动击发改进为高压气体控制击发，气动抛绳器三维结构如图1所示，其本体主要组件结构如图2所示，腔内活塞2将工作腔B和控制腔A分隔开，工作腔提供抛射时的工作气体(击发时工作气体释放，推动发射管内弹体加速前进)，控制腔内高压气体作用在腔内活塞底部，与弹簧一同控制工作腔的开启和关闭。进行击发时，打开保险7，供给控制气体，控制气体经控制气体进口c进入到控制活塞5上部，推动活塞5向下运动，活塞推动推杆4和阀芯8向下运动，随着阀芯的向下运动，阀芯8与阀座之间的排气通道打开，控制腔A中的高压气体依次经过控制腔气路通道a、排气通道和大气通孔d排放至大气。放气过程中，控制腔A中的气体压力迅速降低，腔内活塞2上的力平衡被破坏，活塞向控制腔侧运动(图2中所示为向右运动)。此时，腔内活塞2前端的橡胶密封块和腔筒3之间形成的密封被破坏，工作腔B中的高压气体迅速充入到发射管中，推动弹体1加速，当弹体离开发射管时达到最大速度，完成抛射。阀体部分具体的结构特点和工作过程可参考文献[4]。

图1　气动抛绳器结构示意图

1.弹体　2.腔内活塞　3.腔筒　4.推杆　5.控制活塞　6.进气接头　7.保险　8.阀芯　9.安全阀　a-控制腔气路通道　b-工作腔气路通道　c-控制气体进口　s-工作气体进口　d-大气通孔　A-控制腔　B-工作腔　C-控制气体　S-工作气体图2　抛绳器本体主要组件结构图

图3是抛绳器系统的原理图，系统由发射管、主腔体、阀体和气源气路四部分组成，储气瓶内的高压气体经过截止阀、减压阀，然后分别经过供气电磁阀和击发电磁阀供给抛绳器工作气体和击发控制气体。

Ⅰ-发射管　Ⅱ-主腔体　Ⅲ-阀体　Ⅳ-气源气路　D-击发电磁阀　E-进气电磁阀　J-减压阀　K-截止阀 QP-储气瓶图3　抛绳器系统原理图

2　气动抛绳器建模仿真分析

2.1系统建模仿真

在AMESim软件中建立气动抛绳器系统仿真模型，如图4所示，根据实际系统参数设置仿真参数。

图4　抛绳器系统模型

在本模型中，由于阀体响应很快，为了在保证仿真精度的前提下加快仿真速度，故采用变间隔采样，在系统参数动态变化的时间段内采用较小的采样周期，在系统参数稳定时采用大采样周期。

抛绳器阀体模型是整个系统中最为关键的部分，其中摩擦模型的选取对阀体性能有很大影响。在抛绳器设计初期，由于系统模型没有考虑O形密封圈的摩擦，导致最初设计的控制活塞有效受力面积过小。加工完成样机后进行击发试验发现，当工作压力低于5 MPa时，抛绳器未能按预期设计正常工作。分析发现，滑阀及活塞O形密封圈的摩擦力是不容忽略的，经在设计模型中考虑摩擦力模型，加大控制活塞受力面积后，抛绳器完成了预期设计要求。本模型中O形密封圈摩擦模型采用Parker密封圈摩擦模型[5]。

为了仿真弹体抛射初速度(弹体离开发射管瞬间的速度)，采用位移传感器实时监测弹体位移，当弹体位移达到发射管长度时，将发射管内气体通向大气，即弹体离开发射管后不再受高压气体的推动作用。为了简化系统模型，在仿真模型中不设置减压阀，而直接采用恒压气源来仿真高压气体经过减压阀后的压力。0 s时进气电磁阀开启进行充气，充气控制信号控制进气电磁阀在1 s时关闭，然后击发电磁阀在2 s时控制击发电磁阀开启，进行击发。分别将气源压力设为7 MPa、6 MPa、5 MPa和4 MPa运行模型进行仿真，得到了系统各部分的动态响应特性。

2.2仿真结果分析

下面通过分析控制腔和工作腔内气体压力变化以及弹体在发射管内速度变化来说明抛绳器的工作过程，解释试验现象。

图5所示为6 MPa气源压力下控制腔和工作腔内气体压力随工作过程的变化。充气过程中，控制腔内气体压力一直高于工作腔内气体压力，直至两气腔压力几乎同时达到气源压力，这是因为工作腔容积比控制腔容积大得多，使得在充气过程中进入工作腔的气体升压相对缓慢，此压力差的存在也保证了在充气过程中腔内活塞能够确保工作腔的密封。在进行击发时，工作腔内的气体压力下降滞后于控制腔内气体压力下降，控制腔内气体压力的迅速下降使腔内活塞能够快速响应从而开启工作腔，工作腔内高压气体迅速释放，推动弹体在发射管内加速。

图5　气源压力为6 MPa时控制腔和工作腔内气体压力变化

图6、图7所示分别为控制腔和工作腔在4种不同气源压力下腔内气体压力变化曲线。在充气过程中，气源压力越高，腔内压力上升越快，但是不同气源压力下充气完成的时间基本相同。在击发过程中，气源压力越高，腔内气体压力下降越快，工作腔内高压气体能够迅速释放完毕，这是因为在较高压力下击发时，腔内活塞两侧形成的气体压差相对较大，从而腔内活塞响应更快，将工作腔打开释放高压工作气体。

图6　不同气源压力下控制腔内气体压力变化

图7　不同气源压力下工作腔内气体压力变化

图8所示为不同工作压力下弹体在发射管内的速度变化曲线，可以得出，工作压力越高，弹体离开发射管时的抛射初速度(图8曲线的峰值)越大；弹体在发射管内加速度越大(表现为图8中速度上升曲线的斜率越大)，加速时间越短。图9所示为不同工作压力下弹体在发射管内所受合力的变化曲线，可以看出，当腔内活塞打开后，高压气体迅速充入发射管，导致弹体合力迅速上升至最大值。之后弹体在发射管内加速前进，发射管内气体容积增大，气体压力下降，同时随着弹体速度的迅速增加，发射管内壁作用在弹体上的摩擦阻力也迅速增大，最终导致弹体合力逐渐减小。值得注意的是，压力越大弹体开始加速的时间越接近于击发时间(2 s)，即压力越大弹体响应越快，从根本上分析，阀体的响应特性起到了关键作用。如图10所示，工作压力越高，阀体响应速度越快，阀芯到达行程终点的时间越短，从而使控制腔中气体能够快速释放，进而腔内活塞能够更快速地响应。因此可以得出，气动抛绳器阀体响应速度的快慢与稳定性对抛绳器抛射性能有很大影响。

图8　不同压力下弹体在发射管内速度变化

图9　不同压力下弹体所受合力变化

图10　不同压力下阀芯位移变化

3　抛射试验研究

由于阀体集成在抛绳器内部，现阶段难以直接对阀体的动态响应特性进行测量。而弹体的抛射距离和抛射初速度是比较容易测得的，为了检验基于AMESim所建模型是否准确可靠，进行实地抛射试验，以测量不同压力下弹体的抛射初速度，抛射试验装置如图11所示。将仿真值与测量值进行比较，对比结果如图12所示。试验过程中利用雷达测速仪测量弹体在离开发射管瞬间的抛射初速度。分别测量在2～10 MPa工作压力下弹体抛射初速度，多次测量取平均值，得到不同工作压力下的弹体抛射初速度。

图11　抛射试验装置

图12　抛射初速度仿真值与试验值对比

从图12可看出，仿真值与试验测量值整体上变化趋势一致，在5～10 MPa压力范围内误差比较小，在2～5 MPa压力范围内仿真值与试验值存在较大误差，工作压力越低，误差越大。

除了传感器精度和人为因素导致的测量误差外，误差产生主要是因为仿真是在一定的假设条件下进行的，仿真模型与实际系统存在偏差，如仿真过程中选择的摩擦模型与实际摩擦情况存在偏差，实际气腔的变质量变容积热力学过程在仿真模型中处理还不完善[6]，传热模型也没有充分精确的考虑。而且，在抛射试验时发现，当气体压力较大时，气体惯性对系统动态特性也有一定的影响，在本模型中并没有给予考虑。

4　结束语

本文应用AMESim建模仿真软件对气动控制击发的气动抛绳器系统进行了建模仿真，仿真结果与试验现象一致，弹体抛射初速度的仿真值与试验测量值较为吻合，验证了模型的可靠性。在低工作压力时存在一定误差，主要是由模型的理想化造成的。后续工作将以本仿真模型为基础，对摩擦模型、传热模型以及管路模型进行进一步深入优化分析，尤其是对阀体部分的精确建模与实验分析。

[1]刘浪波.新型抛绳器设计及试验研究[D].大连：大连海事大学,2013.

[2]李宝仁，杨钢，杜经民.高压随动压力控制阀动态性能的仿真研究[J].华中理工大学学报,1998,26(7):24-26.

Li Baoren, Yang Gang, Du Jingmin. Dynamic Simulation Investigation of High Pressure Servo Control Valve[J]. J. Huazhong Univ. of Sci. & Tech., 1998, 26(7):24-26.

[3]付永领,祁晓野.AMESim系统建模和仿真——从入门到精通[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[4]王海涛，刘浪波，熊伟.气动抛绳器的改进设计[J].液压与气动,2013(4):110-112.

Wang Haitao, Liu Langbo, Xiong Wei. Improved Design of Pneumatic Line-thrower[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2013(4):110-112.

[5]Parker Hannifin Corporation. Parker O-ring Handbook[M]. Lexington: Parker Hannifin Corporation, 2007.

[6]LMS Imagine. Lab AMESim Pneumatic Library Rev 12 User’s Guide [M]. Roanne: LMS Imagine S.A., 2013.

(编辑袁兴玲)

Modeling, Simulation and Experiment of a Pneumatic Line-thrower

Wang ZhiwenXiong WeiWang HaitaoWang Zuwen

Dalian Maritime University,Dalian,116026

The structure and the working principles of a line-thrower were introduced,which was controlled by pneumatic valve herein. A model of the line-thrower was developed in AMESim software. The dynamic behaviors of main components were obtained by simulation. The results of the simulation and the experiments are consistent with each other and testify the reliability of the model, thus providing reference for further optimization of a line-thrower.

pneumatic line-thrower;modeling and simulation; dynamic response; marine rescue

2014-08-04

国家科技支撑计划资助项目(2014BAK05B06)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(3132014303)；交通运输部建设科技重点项目(2013328225080)

TH138DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.11.003

王志文，男，1989年生。大连海事大学船舶机电装备研究所博士研究生。主要研究方向为气压传动与控制。熊伟，男，1972年生。大连海事大学船舶机电装备研究所教授、博士研究生导师。王海涛，男，1973年生。大连海事大学船舶机电装备研究所教授、博士研究生导师。王祖温，男，1955年生。大连海事大学船舶机电装备研究所教授、博士研究生导师。