作者简介：徐新奇(1991—)，男，硕士研究生，主要从事火炮发射控制技术研究，E-mail：2539384948@qq.com。
阀控反后坐装置设计与仿真研究
Design and Simulation of Valve Controlled Recoil System
传统的火炮反后坐装置是通过结构来预定制退机后坐流液孔的变化规律获得预期的液压阻力和后坐阻力。但由于不同环境、条件等因素的影响，实际的后坐阻力一般达不到预期结果，出现比预期更高的后坐阻力峰值，当射击工况改变时后坐阻力曲线产生变化，这不仅对火炮炮架等架体的受力不利，而且也影响到了火炮射击稳定性和射击精度[1-2]。本文根据火炮反后坐装置的作用原理,设计了阀控反后坐装置结构，并采用AMESim软件仿真[3-4]，研究和伺服阀开口大小对火炮后坐阻力的影响，为火炮反后坐装置的结构设计提供理论参考。
1 阀控反后坐装置
在传统火炮结构中，火炮后坐时，制退杆在炮膛合力的作用下挤压工作腔的液体，使液体一部分沿节制杆与制退活塞之间的环形流液孔进入非工作腔；一部分沿节制杆与制退杆内腔的环形间隙进入复进工作腔[5]。但在火炮结构不变的情况下，后坐阻力曲线发生偏差，无法调节和减小火炮后坐阻力。
针对以上问题，在制退机工作腔末端并联一个如图1所示的阀控反后坐装置结构，通过伺服阀辅助调节制退工作腔的部分液体转入非工作腔。复进时，伺服阀关闭，复进机构自行回复。为仿真方便，不考虑复进运动。阀控反后坐装置中，通过调节伺服阀的开口大小，调节液体的流量实现火炮反后坐装置后坐阻力峰值可调，降低后坐阻力对设计精度的影响。
1.制退活塞；2.节制杆；3.制退杆；4.伺服阀
图1 阀控反后坐装置结构
火炮后坐过程中，后坐反应时间很短，因此想要通过伺服阀控制制退机得到预期后坐阻力，需选择响应速度较快的直动式电液伺服阀[6]。伺服阀结构如图2所示，当伺服阀工作时，控制器中的控制信号输入伺服阀，比例电磁铁3通电产生推力带动阀芯2运动，使制退机中的液体从油口A、B进出，调节制退机的液压阻力大小。
1.阀体；2.阀芯；3.比例电磁铁；4.位移传感器；5.集成放大器；6.USB接口；7.总线接口；8.主插头
图2 伺服阀结构
火炮后坐时，制退杆在炮膛合力的作用下后坐运动，制退杆上的位移传感器测得后坐位移信号反馈给控制器，控制器将信号处理后输出控制信号进入伺服阀，控制伺服阀的阀芯运动，调节阀开口大小，以此调节制退机后坐阻力。控制原理如图3所示。
图3 阀控反后坐装置控制原理
2 阀控反后坐装置仿真分析
2.1 建立仿真模型
采用AMESim软件对伺服阀建模[7-8]，伺服阀模型如图4所示，由以下几个部分组成。伺服阀工作时，比例电磁铁4通电带动阀芯运动，伺服阀油口打开，制退机中一部分液体有A油口进入，B油口流出，进入制退机非工作腔。
1.弹簧缓冲模块；2.阀套模块；3.阀芯质量模块；4.比例电磁铁
图4 伺服阀模型
按照节制杆式制退机结构，每个部分在AMESim模型中一一对应进行等效变换[9-10]，阀控反后坐装置AMESim仿真模型如图5所示。
1.液压属性标志；2.炮膛合力；3.力发生器；4.制退杆部分质量；5.位移传感器；6.制退杆工作腔；7.节制杆工作腔；8.节制杆直径-位移曲线；9.饱和信号；10.活塞流液孔面积函数；11.可变流液孔；12.控制器；13.延时装置
图5 阀控反后坐装置仿真模型
2.2 仿真结果分析
1) 伺服阀开度对后坐阻力的影响
阀控反后坐装置中，伺服阀作为系统的辅助调节装置。火炮后坐时，控制器接受位移传感器传来的位移信号，输出电压信号控制伺服阀开口流量。制退机工作腔部分液体通过伺服阀流入非工作腔，以此减小制退机的液压阻力。
为验证伺服阀能否达到预期效果，分别取伺服阀开口为0%、20%、40%、60%、80%、100%，并进行仿真，如图6所示。
由图6可知，开始时伺服阀开口越大，后坐阻力峰值越小，曲线达到平稳状态的位移越小。但位移达到一定值后，后坐阻力开始增大，再次出现峰值，且远超过平稳状态时的后坐阻力值。说明伺服阀开度并非越大越好，也并非越小越好，适当调节伺服阀开度大小可以减小火炮后坐阻力。
针对上述伺服阀开口固定时无法获得理想的后坐阻力，在此采用可随后坐位移变化的伺服阀开度大小。由于选取的伺服阀结构中，流量与电压呈线性关系，其理想控制信号值如图7所示。
图6 不同开口时后坐阻力曲线
图7 控制信号曲线
输入理想控制信号开始对制退机进行仿真，并将其结果与无阀时对比，如图8所示。
由图8可知，有伺服阀控制制退机调节工作时，后坐阻力峰值明显比无伺服阀时减小约40 000 N，且后坐阻力达到峰值后在一段较长的位移过程中比较平稳，接近理想后坐阻力。对比仿真结果说明在火炮后坐过程中，可以通过伺服阀结构调节伺服阀开口大小，有效控制火炮反后坐装置的后坐阻力。
图8 有、无阀时后坐阻力曲线
2) 延迟时间对后坐阻力的影响
在实际控制中，火炮后坐时间很短，且变化极大，而伺服阀本身控制时有一定的延迟时间，往往无法实时精确控制，容易造成火炮毁伤。为此考虑控制阀延迟时间对后坐阻力的影响，在采用理想控制曲线的基础上，取延迟时间为5 ms、10 ms进行仿真分析，如图9所示。
图9 不同延时的后坐阻力曲线
对比图9中的不同曲线可知，延迟时间越长，后坐阻力峰值越大，伺服阀控制效果越小，越难得到理想的后坐阻力。
3 结论
1) 基本不用自设数学公式，能减少数学建模误差；
2) 在节制杆反后坐装置中并联加入伺服阀，高灵敏度、高频响调节伺服阀开口大小达到实时调节制退机工作腔的流量，减小火炮后坐阻力，达到火炮变后坐控制；
3) 控制阀的延迟时间会导致伺服阀无法最大程度减小后坐阻力、控制后坐阻力。
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