2021, Vol. 43
2. 河南省水下智能装备重点实验室，河南 郑州450015
2. Henan Key Laboratory of Underwater Intelligence Equipment, Zhengzhou 450015, China
气缸作为弹射装置有单杆气缸、多级气缸、柔性气缸[1]、内外气缸[2]、无杆气缸[3]等，气缸的动力多为高压气瓶，并配置相关的管路、阀件的组成弹射装置，用于弹射无人机、导弹等武器装备。
绳索式气缸作为弹射装置，采用燃气作为活塞运行的驱动力，相比传统气缸，减少了辅助气源及相应的管路阀件等辅助设备，同时改变了弹射负载的布置方向，通过柔性绳索与滑轮的配合，将气缸与负载由串行布置改为并排布置，有效缩短发射装置的轴向空间，提高了发射平台的灵活、机动的作战能力。
目前，国内在弹射领域已经对绳索式气缸在设计及试验等方面进行了研究。李盛等[4]对双缆索式气缸进行开发与研究，通过选用高强度缆索，将单缆索改成双缆索，可以保证气缸在更高的气压下工作，大大提升了气缸的输出作用力，以达到高速弹射的目的。李德庚等[5]对基于绳索式气缸工作原理，建立了无人机弹射过程的动力学模型，对影响起飞关键参数进行了数值仿真计算和分析，最终通过试验数据对比，验证了模型的准确性，对弹射装置的研制设计提供了支撑。闫晴霄等[6]针对钢丝绳气缸式弹射装置建立发射内弹道计算模型，并对陆上发射及水下发射2种状态进行简单的计算分析，获得了陆上及水下的发射内弹道数。综合上述研究，本文针对绳索式气缸结构参数对弹射特性的影响开展进一步分析。首先在AMESim环境下建立绳索式气缸的仿真模型，再结合试验数据对模型的准确性进行验证，最后分析了气缸的关键参数对弹射特性的影响规律。为绳索式气缸在弹射领域的的设计及应用提供理论指导。
1 结构组成及工作原理 1.1 结构组成绳索式气缸主要由缸筒、活塞、滑轮组、绳索、推力滑块、缓冲块等结构组成，若用于水下弹射，在气缸的尾端安装储气瓶，以减小弹射过程的背压；若用于陆上弹射，气缸尾端储气瓶可拆卸，在弹射过程中可将无绳腔的气体及时排除，提高气缸动力的利用率。绳索式气缸的结构如图1所示。
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图 1 绳索式气缸结构 Fig. 1 Structure of rope cylinder |
其主要工作原理如下：高压燃气从气缸的进气口进入，活塞在燃气压力的作用下以一定的速度向前运行，同时通过绳索沿着滑轮组牵引推力滑块前活塞的反方向运行，弹射负载在推力滑块的推动下，以一定的速度向前运行，直至推力滑块被缓冲块阻挡住，弹射负载以一定速度离开装置，气缸完成工作。
2 仿真模型利用AMESim软件建立绳索式气缸仿真模型，仿真模型如图2所示。根据实际样机尺寸对其配置相应的结构参数，仿真模型的参数如表1所示。在建模过程中进行以下几点简化：
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图 2 绳索式气缸仿真模型 Fig. 2 Simulation model of rope cylinder |
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表 1 仿真模型参数 Tab.1 Parameter of simulation model |
1）将燃气的详细组分简化为空气，并将空气视为理想气体；
2）忽略气体在气缸缸筒内流动过程的变化及热量损失；
3）忽略气体温度对缸内压力的影响。
为验证模型的准确性，采用试验测量值的气压作为气缸仿真的输入。图3为试验值与仿真值弹射速度对比曲线，其速度趋势一致性较好，经计算最大偏差为5.7％，因此该模型能够准确预测装置的弹射特性。
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图 3 试验与仿真计算对比 Fig. 3 Comparison between experiment and simulation |
在气缸进气口压力及弹射负载相同的情况下，气缸对负载的弹射特性（速度和加速度）主要受气缸的结构参数影响，针对绳索式气缸的缸径、初始容积、储气瓶容积、密封间隙4个关键参数的变化对弹射特性的影响规律展开了分析。
3.1 缸径由图4可知，随缸径的增加，负载运行相同行程所需要的时间减少，弹射最大速度及加速度增大，但当缸径增加至85 mm时，弹射速度出现拐点，同时储气瓶的背压明显增大。这是因为随缸径的增加，无绳腔的气体体积变化率大，导致气缸的背压腔压力在活塞运行接近至末端时压力急速上升，从而导致活塞加速度和速度减小。
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图 4 缸径对弹射特性影响 Fig. 4 Influence of cylinder diameter on ejection characteristics |
由图5可知，随初始容积的减小，弹射负载速度最大值及加速度最大值提前。这是因为进气口输入固定的压力时，初始容积小，气缸有绳腔的建压速度快，同时由于容积小，压力降低程度小，导致活塞的推力大，加速度大。但初始容积过小会导致燃气的动力系统背压较高，在气缸设计时应适当考虑。
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图 5 初始容积对弹射特性影响 Fig. 5 Influence of initial volume on ejection characteristics |
由图6可知，储气瓶的容积高于20 L之后，随容积的增加，负载的速度和加速度有所增加，但幅度不大，达到相同的行程所用的时间接近。而当储气瓶容积15 L时，负载的速度在接近目标行程时有明显的拐点，在拐点的位置，储气瓶的压力明显上升。这是因为储气瓶容积的高于20 L之后，无绳腔的气体体积变化率小，而在15 L时，无绳腔的气体体积变化率大，导致气缸的背压腔压力在活塞运行接近至末端时压力急速上升，从而导致活塞加速度和速度减小。所以在气缸设计时，要充分考虑储气瓶的容积效应。
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图 6 储气瓶容积对弹射特性影响 Fig. 6 Influence of cylinder volume on ejection characteristics |
由于气缸弹射速度较快，为减小弹射过程中密封圈产生的摩擦力，在活塞处的密封采用间隙密封。由图7可知，当密封间隙小于0.05 mm时，随活塞密封间隙的减小，负载的速度有所增加，但幅度不大，达到相同的行程所用的时间接近。当密封间隙为0.1 mm时，活塞过的漏气流量明显增加，储气瓶的压力在负载接近目标行程时明显增加，负载的速度在接近目标行程时相比小间隙低。这是因为密封间隙大，驱动活塞前进气口压力通过间隙泄漏至无绳腔，从而降低了有绳腔的气体压力，同时增加了气缸的背压，导致活塞速度减小。所以在气缸设计时，要充分考虑活塞密封的间隙与缸筒的匹配性。
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图 7 密封间隙对弹射特性影响 Fig. 7 Influence of seal clearance on ejection characteristics |
本文根据样机结构参数建立了绳索气缸仿真模型，并通过试验值对仿真模型进行标定，最大偏差为5.7%。最终通过仿真模型研究了绳索式气缸的缸径、初始容积、储气瓶容积、密封间隙4个关键参数的变化对负载弹射特性的影响规律，为气缸的设计提供理论指导。
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