无人机液压弹射系统弹射性能的仿真研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

无人机液压弹射起飞方式以液压能源作为弹射动力，具有操作简单、运动惯性孝动作灵敏等优点，是近年来国际上出现的-种比较先进的中小型无人机弹射起飞方式，目前，只有少数国家研究此项技术 J。

由分析可知，蓄能器充油压力、液压缸无杆腔直径、无人机及滑车质量是影响系统设计的关键参数，合理地匹配参数问的数值不仅可以改善系统的弹射性能，还可以在同-系统上弹射多种型号的无人机。通过对上述关键参数的仿真研究，得到了其对系统弹射性能影响的规律，为系统的设计和参数间的匹配提供了参考。

1 无人机液压弹射系统工作原理无人机液压弹射系统主要由液压能源系统、电气控制系统、滑轮增速系统、弹射架与滑车系统和缓冲系统等组成。系统工作过程可分为充压、弹射、活塞返回三个阶段，我们主要研究系统的弹射过程，其工作原理简图如图 1所示。

充压时，将换向阀6置于中位，油液打开顺序阀3对蓄能器进行充油，使其达到规定的充油压力；弹射时，换向阀6右端电磁铁接通，液控单向阀5反向开启，蓄能器中高压油进入液压缸无杆腔驱动活塞，活塞杆连同连接体带动动滑轮组向右低速运动，在定滑轮组的1.变量泵 2.溢流阀 3.顺序 阀 4.蓄能器 5.液控单 向阀6.三位四通电磁换向阀 7.单向阀 8.连接体9.液压缸 10.增速滑轮组图1 无人机液压弹射系统工作原理简图另-端，钢丝绳带动滑车及无人机高速运动。滑车加速到弹射架导轨顶端而停止运动，无人机脱离滑车起飞，完成弹射；活塞返回时，换向阀6左端电磁铁接通，泵油液进入液压缸有杆腔，将活塞推回到液压缸最左端。

2 无人机液压弹射系统数学模型的建立2.1 数学模型收稿 日期 ：2013-04-08作者简介：刘晓龙(1987-)，男，内蒙古乌海人，硕士研究生，主要从事无人机弹射系统弹射性能的学习研究工作。

2013年第9期 液压与气动 6l功率键合图法(Power Bond Graph Method)是-种系统动力学建模方法，它以图形方法来描述系统动态结构，是对系统进行动态数字仿真时有效的建模工具 。

在建模过程中，为了方便分析，作了以下处理：(1)忽略了液压油的感性，并对管道的液阻进行了合并；(2)忽略了系统中各种阀口的开启时间和阀1：截面积的变化。

按照功率键合图建模的有关规则 ]，建立无人机液压弹射系统的键合图模型，模型中的状态变量有：液控单向阀到液压缸入口间管道容积的变化 ，液压缸有杆腔容积的变化 ，活塞、连接体和动滑轮组的动量P 滑轮组等效动量矩Ⅳ 。，液压缸有杆腔容积的变化 。，液压缸出El到溢流阀间管道容积的变化 ：，钢丝绳的变形 ，无人机及滑车的动量 P 。如 图 2所示。

图2 弹射系统的键合图模型根据建立的系统键合图模型，可以列出下列描述弹射系统动态特性的状态方程： 击。(s - )- 1。( - )(·) 击·( - )-P l1.A1 (2)- - - - n (3)Ⅳ13 ·，。 (4)。 ：P ll·A - 1， ( V18- C41](5) 去。( V18- V2)- 1( V2-Se2)(6)支 · el- P31 (7)P31 F。-F (8)式中：S。 为蓄能器油液压力； 为回油箱压力；C 为液控单向阀到液压缸入口问管道液容；C，为液压缸无杆腔液容；C 为液压缸有杆腔液容；C4液压缸出口到溢流阀间管道液容；C 为钢丝绳容性；R 为液控单向阀和蓄能器出口液阻之和； 为管道液阻和液压缸人口液阻之和； 液压缸出口液阻； 为管道液阻和溢流阀液阻之和； 为液压缸活塞处摩擦力； 为滑车处摩擦力；F。为无人机 自身动力； 为活塞、连接体和动滑轮组质量之和；I， 为滑轮组等效转动惯量； 为液压缸无杆腔活塞有效面积； 为液压缸有杆腔活塞有效面积；，m2为无人机和滑车质量之和；凡为滑轮组增速比。

2。2 模型中参数的计算由于蓄能器放油过程短暂，因此此过程可视为绝热过程，且蓄能器工作过程中压力变化不大，根据气体状态方程经分析推导可得Hj：dt-号 (9) C式中：c q Ca-A√÷(Sel- I/4 l (1P / ) ，/ - L，其中：P。为蓄能器充气压力；p 为蓄能器充油压力；Vo为蓄能器容积；q为蓄能器流量；4为等效截面积；南为气体熵数； 为液压油弹性模量；C 为流量系数；p为液压油密度。

3 系统仿真模型的建立3.1 系统的仿真模型由于此状态方程组是非线性的，为了提高数值计算的精度以保证仿真的精确性，选用四阶 Runge-Kuta法解状态方程组 J。本研究是在 MATLAB软件上编制仿真程序进行仿真，为了使仿真结果最大程度地与实际相吻合，在程序中添加必要的约束条件来补偿建模时忽略的因素，变量的初值是由系统实际工作的情况求得。

3.2 主要 数据由初步计算可得模型的主要参数：蓄能器容积为0.05 in ，蓄能器充气压力为 14 MPa，蓄能器充油压力为20 MPa，无人机及滑车质量为 1 10 kg，弹射架导轨长度为7 In，滑轮组增速比为2O，液压缸无杆腔直径为0.11 m，行程为0.5 m，仿真时间为0.8 s。

62 液压与气动 2013年第9期3.3 蓄能器充油压力对弹射性能的影响(见表 1)表 1 充油压力的影响充油压力/MPa 行程/m 末速度/m.s 时间/s16 7 27.99 0.4920 7 31.70 0.4324 7 34.71 0.3928 7 37.52 O.36随着充油压力的增大，液压缸活塞杆端拉力增大，无人机末速度增大。当压力每增加 4 MPa时，末速度增加率分别为 12.8%、9.9%和 8.1%，末速度增加趋势减小，因此可通过适当的增加蓄能器充油压力来提高无人机末速度。

3.4 液压缸无杆腔直径对弹射性能的影响(见表2)表 2 无杆腔直径的影响无杆腔直径/m 行程/m 末速度/n1.s 时间/sO.11 7 31.70 0.430.125 7 35.91 0.380.14 7 39.75 0.340.16 7 44.29 0.3O随着液压缸无杆腔直径的增大，无人机末速度也随之增大，增长率分别为 13.3%、10.7%、11.4%。由于液压缸活塞杆速度的限制，可通过合理的匹配无杆腔直径和液压缸行程来达到增速的目的。

3.5 无人机及滑车质量对弹射性能的影响(见表 3)增加无人机及滑车的质量使末速度减小，质量每增加 20 kg，无 人机末速 度减小率 分别 为 9.3%、7.9%、6.8%。由于随着质量的增加，无人机安全起飞速度也增大，因此合理地匹配参数间的数值可以使得同-系统弹射多种型号的无人机。

表3 无人机及滑车质量的影响质量/kg 行程/m 末速度/ITI.s 时间/s90 7 34.96 O.39110 7 31.70 0.43130 7 29.21 0.47150 7 27.23 0.504 结论(1)基于功率键合图法建立了无人机液压弹射系统的数学模型，在 MATLAB软件上编制了系统的仿真模型；(2)通过仿真研究，得到了蓄能器充油压力 、液压缸无杆腔直径、无人机及滑车质量等参数对系统弹射性能的影响规律，对液压弹射系统的工程研发具有重要的参考价值，通过参数间的合理匹配，同-系统可以满足多型无人机的弹射要求，从而对资源的高效利用有着积极的意义。