基于AMESIM的无人机起飞弹射液压系统的建模与仿真

基于AMESIM的无人机起飞弹射液压系统的建模与仿真 基于AMESIM的无人机起飞弹射液压系统 的建模与仿真 液压气动与密封l/2O10年第9期 基于AMESIM的无人机起飞弹射 液压系统的建模与仿真 秦贞超周志鸿 (北京科技大学机械工程学院,北京100083) 摘要:无人机起飞弹射液压系统要求高压,高速,反应时间快,国内进行的相关研究 比较少.本文分析了无人机起飞弹射液压系统的 工作原理.对插装阀的结构进行了描述,运用AMESIM软件对液压系统进行建模 与仿真.仿真结果表明该系统性能良好,能够在短时间 内将无人机加速到规定的速度值,同时,该仿真结果也为液压系统的调试提供了参 考依据. 关键词:无人机;起飞弹射;AMESIM;插装阀 中图分类号:TH137.7文献标识码:A文章编号:1008—0813(2010)09—0016-03 ModelingandSimulationofHydraulicSystemintheLaunch EquipmentofUAVBasedonAMESIM Q1NZhen-chaoZHOUZhi-hong (MechanicalEngineeringUniversityofScienceand TechnologyBeijing,Beijing100083,China) Abstract:HydraulicSystemintheLaunchEquipmentofUAVrequireshighpressure,high— speed,tresponsetime,therelatively studiesinChinaisfewI1lispaperanalyzestheprincipleofHydraulicSystemintheLaunchEq uipmentofUAV.describesthestructure ofcartridgevalve,modelingandsimulationbasedonAMESIM.Theresultsofsimulationsho wthatthesystem'sperformanceis good,itcanaccelerateUAVtotheprovisionsvelocityinshorttime,theresultsofsimulationpr ovideareferencefordebuggingofthe hydraulicsystem. KeyWords:UAV;take-off;AMESIM;CartridgeValves O引言 无人机液压弹射起飞方式是20世纪9O年代在国 际上出现的一种先进的无人机发射方式.其工作原理 为:由液压泵向预先充好气的蓄能器,连接管道内充入 高压油,油压达到规定值时,关闭液压泵,使液压能储 存于蓄能器中.蓄能器瞬时提供大流量液压油,以满足 无人机与滑行小车瞬时加速的需求.液压缸的活塞杆 与绕有钢丝绳的滑轮组联接,钢丝绳另一端与装载无 人机的滑行小车联接.当滑行小车被释放后,蓄能器气 囊腔内的高压气体膨胀,迫使蓄能器油腔内的高压油 排出.驱动液压缸的活塞和动滑轮组,无人机与滑行小 车则在钢丝绳牵引力的作用下沿导轨迅速加速,滑行 小车撞击缓冲块的瞬间,速度会略低于无人机的速度, 同时,释放机构起作用,无人机因惯性而起飞,滑行小 车最终带动缓冲块撞击缓冲器而停止【l'21. 收稿日期:2010=5-15 作者简介:秦贞超(1986一),男,硕士研究生,在北京科技大学机械工程学 院车辆工程专业就读,研究方向为车辆工程,液压系统设计与控制. 16 国内对无人机起飞弹射液压系统的研究比较少. 并且因为该液压系统的系统压力高,油缸行程长,作用 时间短,所以该系统的设计存在着很大的难度.由于无 人机的加速主要靠加速油缸的作用,所以本文只对加 速系统应用AMESIM软件进行仿真研究. 1插装阀的结构和工作原理 在无人机起飞弹射液压系统中,插装阀的应用必 不可少,插装阀可以起到快速换向的作用,反应时间较 短.在AMESIM液压库中,没有模型可以直接调用,需 要根据插装阀的结构建立模型. 插装阀结构简单,通流能力大,动态响应快,密封 性能好和抗污染等诸多优点,并且便于组合成多种功 能的复合阀,因而它在高压,大流量液压控制系统中的 应用很广. 插装阀按其控制功能可分为方向控制阀,流量控 制阀和压力控制阀.本文所应用的插装阀l,2的结构 如图1,图2所示.插装阀1,2的工作原理如图3,图4 所示 HvdrauliesPneumatics&Seals/No.9-20l0 体5一阀芯 1一盖板2一阀体3一弹簧4一阀芯5一阀套 图2插装阀2结构图 图3插装阀1原理图图4插装阀2原理图 2液压系统原理 液压系统原理,如图5所示. l一油箱2一过滤器3一液压泵4一联轴器5一电动机6一高压过滤器 7一直动式溢流阀8一直动式溢流阀9一节流阀lO一风冷却器 l1一电加热器12一加速液压缸13-单向节流阀14一插装阀1 15一插装阀216一液控单向阀17一单向节流阀18一蓄能器 l9一单向节流阀2O一压力表21一球阀22一单向阀 图5液压原理图 打开蓄能器底部的球阀,电动机工作带动液压泵, 高压油通过单向阀进入到蓄能器,当压力达到设定的 压力时,直动式溢流阀7自动卸荷,停止向蓄能器供 油;电磁阀1,3通电,插装阀14,15打开.蓄能器中的 高压油通过插装阀15进入到加速液压缸有杆腔.同 时,插装阀14打开,加速液压缸无杆腔内部的液压油 则通过插装阀14回到油箱.动作结束后,电磁阀断电; 电磁阀2通电,液控单向阀16打开,加速液压缸无杆 腔的液压油一部分通过插装阀14回到油箱:另一部分 通过液控单向阀l6进入到加速液压缸的有杆腔,进行 补油. 该液压系统在设计中采取了以下措施: (1)采用了大通径的二通插装阀.因为插装阀靠锥 面切断,接通油路.所以阀芯行程短,而且阀芯质量轻. 反应速度快,动作灵敏. f2)~11速液压缸的尾部添加了缓冲装置,防止液压 缸在快速收回的情况下.活塞猛烈撞击液压缸后端造 成损坏. 3AMESIM建模 本文仿真的目的是得到液压缸在加速液压缸即将 缓冲时,液压缸活塞杆的速度,加速度和位移.因为无 人机的起飞速度决定于加速液压缸,加速液压缸在即 将缓冲的瞬间,锁紧无人机的滑行小车撞击缓冲块,锁 紧与释放机构释放无人机,无人机由于惯性起飞,所 以,在AMESIM建模时,可以不考虑缓冲时电磁阀DT2 和液控单向阀16的动作,即:不对液压缸的缓冲进行 仿真.因为使加速液压缸收回的高压油来自蓄能器,液 压泵只起到向蓄能器供油的作用,所以假设蓄能器的 压力平稳下降,可以使用压力源代替蓄能器,因此可以 在建模时省略液压泵向蓄能器供油这一步骤,从而仅 对加速液压缸在蓄能器的作用下加速收回进行建模仿 真,从而得出液压缸活塞杆的速度,加速度. 加速液压缸和滑行小车之间通过滑轮组相连,使 用3个定滑轮和3个动滑轮的组合,滑轮组的缩放比 是6.在AMESIM中建模与仿真时,需要将无人机与滑 行小车的质量等效到加速液压缸的一端,根据能量守 恒定律,等效质量应该放大到36倍. 根据插装阀的结构建模并且设置各个参数,压力 源的初始值设置为180bar,结束时为160bar,时间段 为1.6s;电磁阀在0.5s时换向,右位接通,使插装阀动 作.AMESIM模型如图6所示. 17 昌 液压气动与密封/2010年第9期 图6加速系统AMESIM模型 4仿真结果 将仿真时间设置为2s,时间间隔为0.01s.通过仿 真得到活塞杆位移曲线(见图7),活塞杆速度曲线(见 图8),活塞杆加速度曲线(见图9). III ————— t, 三I\I—I?j 薹 直 喜》 置 图7活塞杆位移曲线 l I l { I 图8活塞杆速度曲线 -—- +一-+-+-+-+-十一 I 图9活塞杆加速度曲线 通过仿真得出的曲线图,可以看出:在0.5s时,信 号控制电磁阀换向.活塞杆在0.5s到0.97s的时间段内 行程为1.1m,末速度为4.7m/s.活塞杆的加速度在开始 时由于瞬间通入高压油,加速度存在波动,随着压力源 的压力下降,加速度的值降低,加速度在lOm/s处波动. 因为动滑轮组可以将速度和加速度放大6倍,所以无人 机在离开滑行小车即将起飞的瞬时速度为28.2m/s.从 而保证一定质量范围内的无人机在该系统的作用下短 时间加速起飞.该仿真结果与理论值基本保持一致,为 液压系统的调试提供了一定的参考依据. 参考文献 【1】吴泊宁,裴锦华,杜军玲.某型无人机导轨起飞装置气液压能 源系统的应用fJ1.南京航空航天大学,2005(4). [2】李悦等.无人机气液压弹射装置的关键系统设计[J1.南昌航空 工业学院.2002(2). [3】李壮云.液压元件与系统【M】.北京:机械工业出版社,2005. 『4J何存兴,张铁华.液压传动与气压传动[M].武汉:华中科技大 学出版社.2002. 『51李军华,张卫.基于AMESIM的吊具保护液压系统的建模与 仿真[J】.流体传动与控制,2009(3). [6】余佑官,龚国芳,胡国良.AMESIM仿真技术及其在液压系统 中的应用【JJ.液压气动与密封,2005(3). [7】W.霍夫曼等.液压元件及系统的动态仿真[M】.浙江:浙江大学 出版社.1988. 液压缸安装注意事项 液压缸必须严格按技术要求安装牢固可靠,不得有任何松动.安装往复式液压缸时,应做到以下几点: (1)安装前,必须仔细检查轴端,孔琐等处的加工质量,倒角并清除毛刺,然后用煤油或汽油清洗并吹 干. (2)安装面与活塞的滑动面和活塞杆的中心线,应保持一定的平行度和垂直度. (3)液压缸中心线应与负载力的作用线同心,以避免引起侧向力.否则密封体或活塞易磨损. (4)活塞杆端销孔应与耳环销孔f或耳轴)方向一致,否则液压缸将受以耳轴为支点的弯曲负载,产生磨 损,卡死等现象. (5)在行程较大,环境温度较高的场合,液压缸只能一端固定,另一端保持自由伸缩状态,以防热胀而 引起缸体变形. (6)行程较大的液压缸,应在缸体和活塞杆中部设置支承,以防自重产生向下弯曲现象. 18 '5,g,UUl蹬『.u箍量