新型鱼雷发射系统前盖柔性开闭仿真设计

穆连运，成永超

（1.海军潜艇学院 战略导弹与水中兵器系，山东 青岛 266199；2.海军潜艇学院 学员二大队，山东 青岛 266199）

0 引言

潜艇在作战中的最大优势就是其隐蔽性，因此降低噪声是潜艇设计使用时的重要内容之一。潜艇在发射鱼雷时会因发射装置工作产生一定的噪声，其中，鱼雷发射系统前盖因开启、关闭瞬间产生的撞击噪声是其噪声的重要来源，对保持潜艇隐蔽性有很大危害。

传统前盖开闭装置液压回路在设计时为了追求前盖开闭的及时性[1]，忽略了由于前盖运动终端和始端速度过快而与艇体撞击瞬间产生的噪声，这个撞击噪声是敌声呐探测我方潜艇的重要依据。因此，如何控制前盖运动终端和始端的速度，降低开启、关闭瞬间的撞击噪声，具有一定的研究价值。

本文利用高速开关阀构建了前盖开闭装置速度控制液压回路，通过脉宽调制（Pluse Width Modulation，PWM）信号控制原理对液压缸的运动速度进行控制，相对降低行程终端和始端运动速度，从而降低了前盖开启、关闭瞬间的撞击噪声。

1 前盖开闭装置速度控制系统

1.1 高速开关阀结构及工作原理

高速开关阀是一种新兴的数字电液转换控制原件，主要通过脉宽调制（PWM）信号进行控制，其最主要的优点是结构简单、可靠性高，同时，它兼有价格低廉、抗污染能力强的特点，在液压系统速度和位置控制中成为一个新的应用热点[2]。

在本文的液压控制回路设计中采用的是常开二位三通高速开关阀，其结构原理如图1所示。

图1 高速开关阀结构原理图Fig.1 Structural diagram of high-speed on-off valve

当电磁衔铁线圈2处于低电平时，供油球阀7在压力油压差作用下向左运动，通过分离销使回油球阀5紧紧压在密封座上，此时进油口与控制口连通，回油口关闭；当电磁衔线圈2处于高电平时，衔铁1产生电磁力向右运动，通过推杆推动回油球阀5和供油球阀7克服进出油口压力差向右运动，此时进油口关闭，回油口和控制口连通。

1.2 速度控制液压回路设计

为实现高速开关阀对前盖开启、关闭液压缸的速度控制，设计了基于高速开关阀的改进型前盖开闭装置速度控制回路[3]，如图2所示。块，模拟前盖及减阻版质量。如图中所示，位移传感器安装在液压缸活塞杆上，用以采集液压缸运动位移，PC控制模块将位移信息转换成高速开关阀的控制信息，通过对高速开关阀开启关闭时间的控制，从而控制进入液压缸无杆腔的液压油流量，进而控制液压缸活塞杆的运动速度。

图2 改进型前盖开闭装置速度控制回路Fig.2 Speed control loop of improved front cover opening and closing device

图中：1为动力装置，2为液压泵，3为液压油箱，4为溢流阀，5为三位四通方向控制阀，6为常开型二位三通高速开关阀，7为PC控制模块，8为双杆活塞液压缸，9为位移传感器，10为质量

1.3 基于占空比的PWM调制信号控制

高速开关阀的开闭是由脉宽调制信号（PWM）进行控制，即在一个脉冲周期T内，开启时间的宽度Topen与T的比值大小来控制阀门开闭时间，从而调节流过高速开关阀的流量。Topen与T的比值称为占空比，用符号τ来表示，由高速开关阀的特性可知，在频率一定的情况下，τ越大，通过的流量就越大[4]。在本文的液压控制回路中，采用频率为50 Hz的PWM调制信号，占空比τ是根据活塞位移信号进行设置。

设将前盖完全开启需要的活塞行程为l，将活塞行程分为行程终端、始端和中间行程3段，其中在前盖行程终端、始端采用低速，即低占空比，在中间行程采用高占空比。设计其PWM调制信号占空比函数如下：

式中：τ表示前盖开启、关闭时高速开关阀PWM调制信号的占空比；x表示活塞位移；x∈ [ 0 ,n1） ∪（n2,l]表示在前盖开启过程中活塞行程始端的控制位置，n1表示在活塞行程终端的控制位置。

在本液压控制回路中，前盖开启时的速度控制阶段为x∈ [ 0 ,n1） ∪ （n2,l]，针对不同的n1、n2的取值进行仿真，然后获得合理的控制位置。

2 AMESim-Simulink联合建模与仿真

AMESim软件中包含一套液压气压标准应用库，用户可以根据实际液压回路搭建液压系统物理模型，然后在 Simulink中建立控制信号模型，通过在AMESim中创建interface接口将位移传感器采集的数据信号以 S函数的形式输入到 Simulink中，数据信号经处理后传回 AMESim中对物理模型进行控制[5]。

2.1 AMESim物理模型建立

根据前盖开闭装置液压回路原理图，在AMESim平台上搭建液压系统仿真模型[6]，如图3所示。

图3 前盖开闭装置液压系统AMESim模型Fig.3 AMESim model of hydraulic system of front cover opening and closing device

液压系统中各元部件子模型的功能和作用如表1所示。

表1 液压系统中各元部件子模型的功能和作用Table 1 Function and role of each component sub-model in hydraulic system

系统通过S函数将位移传感器采集的活塞位移信号传递到Simulink中，经过控制模型进行处理。

2.2 Simulink控制模型建立

在 AMESim仿真模式下点击运行，软件会自动调出Simulink界面，在Simulink中利用AMESim仿真生成的S函数，并在Simulink中设置S-function模块的名称和相关参数[7]。

由于PWM调制信号占空比τ是0～1的数字，因此，需要将位移传感器信号转换为相应PWM调制信号[8]，其算法模型如图4。

图4 前盖开闭装置液压系统Simulink控制模型Fig.4 Simulink control model of hydraulic system of front cover opening and closing device

2.3 仿真结果分析

本文仿真的具体参数设置为：前盖完全开启活塞行程l= 3 00 mm ，n1= 5 0 mm ，n2= 2 50 mm，其运动速度与位移的仿真结果如图5、图6所示。

图5 液压缸运动速度曲线Fig.5 Speed curve of hydraulic cylinder

图6 液压缸伸出位移曲线Fig.6 Extended displacement curve of hydraulic cylinder

通过图5、图6可以看出，液压缸活塞在9 s内完全伸出，并在行程始端和终端速度较低，在行程中段速度较高且运动稳定，符合设计要求。

在传统开闭系统中，活塞在行程始端和终端的速度为35 mm/s，而在本系统中活塞行程始端和终端的速度为20 mm/s，因此，改进型前盖开闭系统能大幅度降低行程两端速度，从而有效降低撞击噪声。

3 结束语

本文设计了基于高速开关阀的改进型鱼雷发射系统前盖开闭装置液压回路，并通过 AMESim-Simulink进行了联合仿真。仿真结果表明：通过对液压缸活塞行程终端和始端的速度控制，改进型鱼雷发射系统前盖开闭装置在满足快速开启前盖的同时，能有效降低前盖开启关闭时的撞击噪声，对保持潜艇隐蔽性有一定积极作用。