仿真技术在发射装置气压作动筒故障分析中的应用

李娟

（航空工业郑州飞机装备有限责任公司，河南 郑州450005）

1 概述

发射装置是军用战机的重要组成部分。执行任务时，发射装置必须保证安全悬挂，并且按飞机指令可靠投放，一旦发生故障将直接影响载机的安全和作战任务的完成。它主要由气压作动筒、连杆机构等组成。气压作动筒是导弹发射装置机械部分的动力源,气体通过作动筒使连杆机构动作,将导弹推离发射装置,并在弹离结束后收回弹射机构。作动筒的动特性影响导弹离机的最佳参数,即导弹的离机时间、速度、角速度及最大加速度等。由于发射装置气压作动筒故障存在耦合性、隐蔽性、随机性等特点，因此,对作动筒进行深入分析和研究具有重大实用价值。

目前，国内外对发射装置气压作动筒故障分析的理论研究还较少，常用的方法是根据经验进行故障定性判定，然后通过试验进行特性分析[1]。根据对作动筒的结构和工作原理分析，作动筒实现功能主要靠气体流动和机械作动。其中保证气体流动的主要因素为通流截面，包括节流孔和密封面；其中保证机械作动的主要因素为：衔铁、阀芯和内筒。如果气体流动或者机械作动受到影响，则可能导致作动筒无法正常运动，从而影响发射装置开钩。本文以发射装置气压作动筒为研究对象，运用AMESim 中的PCD 库进行建模仿真，考虑作动筒气体流动和机械作动受到影响的因素，分析在先导阀阀芯、主阀阀芯、节流孔在不同故障参数输入情况下，作动筒的动态响应特性。

2 作动筒数学原理[2-3]

作动筒活塞腔内气体状态方程：

其中Ge、Πe是流入活塞腔的气体质量及单位质量气体能量，Gl、Πl是流出活塞腔的气体质量。在排气杆运动到位之前，活塞腔内不流出气体。

悬挂物运动方程：

vb是悬挂物和活塞运动线速度，SQ是活塞截面积，WQ0是活塞腔初始容积，Sc是散热面积，PQ是活塞腔内压力，Pa为大气压，g 是重力加速度，ωb是悬挂物转动角速度，φb是悬挂物转动角度，Mb是悬挂物质量，MP是活塞质量，Jb是悬挂物转动惯量。

3 作动筒AMESim 模型

运用CAE 仿真软件对产品在非正常工作条件下的性能做出预估，或对故障进行仿真研究。首先建立初步的部件产品和系统模型，利用正常工作条件下的试验结果修正模型参数，在修正后的模型上加上“异常”工作条件，得到仿真结果即是出现的故障现象[4]。AMESim 提供了一个系统及工程的完整平台，从其丰富的气动库和气动元件设计库可以搭建气路系统[5]。但是，其中的气路控制阀门种类较为单一，不能满足气动系统设计要求，需要根据气路控制的结构设计原理，利用PCD 库（气动元件库）的子模型组合建立控制阀的模型。通过PCD 库建立的发射装置气压作动筒仿真模型，如图1 所示。

图1 作动筒系统仿真模型

4 仿真分析

设定图1 气压作动筒的参数，其中作为输入信号的环境参数气瓶压力分别为7MPa，容积2L，开钩力2000N，开钩行程20mm。分别假设先导阀阀芯卡滞总行程的20%、50%、80%；通往主阀芯腔的先导阀节流孔堵塞通流截面积的20%、50%、80%；主阀阀芯卡滞总行程的20%、50%、80%；作动筒导向锥处的节流孔堵塞通流截面积的20%、50%、80%时，分析作动筒的动态响应特性。

从图2 可以看出：先导阀阀芯运动总行程的20%，作动筒150ms 解锁挂钩；先导阀阀芯运动总行程的50%，作动筒91ms解锁挂钩；先导阀阀芯运动总行程的80%，作动筒78ms 解锁挂钩。

图2 先导阀卡滞故障模式仿真分析

从图3 可以看出：通往主阀芯腔的先导阀节流孔变为原面积的20%，作动筒保持不动作；通往主阀芯腔的节流孔变为原面积的50%，作动筒89ms 解锁挂钩；通往主阀芯腔的节流孔变为原面积的80%，作动筒73ms 解锁挂钩。

图3 先导阀节流孔堵塞故障模式仿真分析

从图4 可以看出：主阀阀芯运动总行程的20%，作动筒73ms 解锁挂钩；主阀阀芯运动总行程的50%，作动筒78ms 解锁挂钩；主阀阀芯运动总行程的80%，作动筒78ms 解锁挂钩。

从图5 可以看出：作动筒导向锥处的节流孔堵塞原面积的20%，作动筒199ms 解锁挂钩；作动筒导向锥处的节流孔堵塞原面积的50%，作动筒105ms 解锁挂钩；作动筒导向锥处的节流孔堵塞原面积的80%，作动筒82ms 解锁挂钩。

图4 主阀卡滞故障模式仿真分析

图5 作动筒导向锥处的节流孔堵塞故障模式仿真分析

5 结论

通过AMESim 对发射装置气压作动筒进行建模和仿真，得出了先导阀阀芯、主阀阀芯、节流孔在不同故障参数对气压作动筒动态品质的影响。结果表明，先导阀阀芯、主阀阀芯卡滞行程越长，节流孔通流面积堵塞越大，作动筒开钩时间越长；只要阀芯不在初始位置卡滞，节流孔有气流通过，作动筒均能在一定时间内完成开钩动作，不会出现在解锁过程中停滞的现象发生。

通过仿真技术可以有效地利用专家经验进行定量评估系统性能，还可以为通过试验进行故障定位指明方向，大大节约了时间成本和试验经费，使得故障定位快速、准确。