液压系统在炮控系统中的重要作用和散热设计

坦克液压系统是典型的电液式伺服系统，通常由液压缸、放大器和油箱三部分组成，能以小功率的电信号输入，控制大功率的液压压力输出，并能获得很高的控制精度和很快的响应速度。目前，世界各国仍有很多装备采用液压系统控制炮塔或火炮。液压系统作为炮控系统的重要组成部分之一，并不是孤立存在的。它的设计问题，不但涉及液压系统本身的功率、位置控制等因素，还要充分考虑结构、体积、质量和工艺上的要求。通常坦克炮控系统的液压系统由液压放大器、动力油缸、补油箱和油管构成。其中，液压放大器作为液压系统的动力元件，是整个系统的关键部件，也是液压系统设计的关键。

液压放大器的主要参数包括系统的供油压力、伺服阀流量和液压缸的有效面积和等。液压放大器设计过程中，首先应确定供油压力，在供油压力选定好后，可根据负载匹配或最大负载力确定执行元件——动力油缸的规格和容量。液压放大器的设计不仅要满足火炮负载的要求，还要考虑它对控制性能的影响，尤其是要满足系统稳定精度的要求。

1.动力油缸设计

① 按结构要求，动力油缸首先应满足炮塔内部空间要求。重要参数是动力油缸耳轴和火炮耳轴之间的距离。

② 按功能要求，设定动力油缸的最大压力、工作面积和工作行程，这些值通常通过动力油缸所必须输出的工作力矩决定。火炮在高低向的运动方程式可用下式表示：

式中，Jn 为火炮转动惯量；Mc 为稳定力矩；Mb 为火炮耳轴摩擦力矩；φn 为火炮绝对角位置。

火炮耳轴摩擦力矩Mb 通常对比老装备实测获得，进而在已知火炮惯性力矩Jn、火炮绝对角位置φn 及火炮耳轴摩擦力矩Mb 的基础上，获得关键因素稳定力矩Mc，并依据此数据完成液压执行元件的参数设计。

③ 根据结构和功能需求完成动力油缸参数的计算。动力油缸的上下腔压力通常依据液压系统设计的经验公式计算，公式为

式中，C1、C2 均为设计常数；f 为液压活门的压力，q 为液压活门的流量，二者由液压放大器决定。

动力油缸的上下腔压力差为

Δ p=p1-p2=C1(f1-f2)+C2(q1-q2)

动力油缸的工作力矩为

式中，Δq=2SLpβ；S 为动力油缸的活塞工作截面积；L 为火炮耳轴中心线到动力油缸耳轴中心线之间的距离；vβ 为火炮运动的相对速度。

2.液压放大器设计

在动力油缸设计完毕之后，动力油缸所需的工作力矩Mc 得到确定，进而动力油缸上下腔内部的压力和工作截面积就得到了确定。

（1）放大系数确定

如液压放大器采用二级放大的模式，则它的综合放大系数可用式（4-52）表示。典型结构图如图4-27所示。

图4-27　液压二级放大器典型结构

式中，Sz 为动力油缸的工作截面积；S2 为液压放大器二级控制活门的工作截面积；S1 为液压放大器一级控制活门的工作截面积；S0 为液压放大器初始控制活门的工作截面积；为第一级和第二级控制力臂的长度比。

对于液压放大器内部的控制活门面积，通常依据系统的工作可靠性和所需的力矩放大要求，在前期确定。其中，在确定第一级放大系数时，要充分考虑前置控制信号放大器的要求，否则，不能使系统整体性能最优，有时甚至难以工程实现。

（2）拖动电动机功率确定

液压放大器拖动电动机的力矩Mj 主要用于补偿火炮耳轴上的摩擦力矩、液压系统中的黏性摩擦力矩和绝对运动及相对运动产生的惯性力矩。即

式中，Mt 为火炮耳轴上的摩擦力矩；Mb 为液压系统中的黏性摩擦力矩；Jn 为火炮的惯性力矩；φn 为火炮每秒的绝对角位移；Mh 为位移运动的惯性力矩。

火炮耳轴上的摩擦力矩Mt 和火炮每秒的绝对角位移φn 为工程已知量，Mb 可以根据动力油缸的工作力矩公式进行工程近似处理得到，折算系数为，即

当火炮重心移动时，火炮的不平衡力矩会形成惯性力矩Mh，即

式中，G 为火炮起落部分的重力；ap 为火炮纵向摆动时的直线加速度；l 为重心的直线位移量。

式中，aβ 为坦克在纵向摆动时的重心角加速度，通常按照一定的道路谱，工程实际测得；L 为火炮耳轴的中心线到坦克重心的距离。

进而，关于液压放大器拖动电动机力矩Mj 的所有参数值均得到了确定，最大输出功率Pm 可用下式求得：

式中，vm 为火炮最大振动速度；δc 为液压系统与火炮之间的综合传动系数，与液压放大器中液压泵的形式和压力传递方式有较大关系。

通过上式，可以计算得出拖动电动机的输出功率，适当考虑过载情况，即可得出所需电动机的功率。

3.火炮射击和闭锁情况设计

为了保护液压系统和火炮自身的安全，液压系统通常设计有闭锁保护装置，从而在火炮射击、大幅度冲击等情况下能够闭锁火炮和液压系统，制动火炮的激烈振动。在闭锁情况下，液压放大器和动力油缸之间的油路会自动切断，这时只需计算动力油缸的承受能力和卸荷方式即可。(www.xing528.com)

工程上通常根据坦克以振幅0.1 rad、频率2π 的振动条件来计算动力油缸所需承担的最大压力，从而在振动条件已知的条件下，可以得出坦克的最大振动加速度。又因为在火炮承受冲击负载时，动力油缸所承受的力矩主要来自火炮的惯性力矩，所以通过下式即可计算得出动力油缸所需承担的最大压力。

式中，S 为动力油缸的活塞工作截面积；L 为火炮耳轴中心线到动力油缸耳轴中心线之间的距离；Jn 为火炮的惯性力矩；φn 为火炮每秒的绝对角位移。

另外，火炮射击及其他闭锁情况所产生的最大力矩均远小于火炮的惯性力矩，所以动力油缸只要满足上述要求即可。

最后还要考虑液压系统的散热问题，进行系统的热效应计算，得出液压放大器、动力油缸和补油箱的散热面积需求。这也是液压部件表面均有散热设计的原因。

4.典型液压系统

（1）液压放大器

液压放大器在炮控系统中位于放大器和动力油缸之间，用来将放大器输出的两支直流电流信号变为送至动力油缸上、下腔的液体压力差，并且该压力差的大小与放大器输出的两支直流电流差成正比。液压放大器由液压放大器本体及油泵电动机两部分组成（图4-28）。

液压放大器本体部分包括控制电磁铁、活门支座、齿轮泵组等主要部件。由一个铝制外罩-顶盖将这些部件封闭起来并形成内腔，内腔中充满着液压油。下面分别介绍液压放大器的几个主要部件：

图4-28　液压放大器构造图

1）控制电磁铁

控制电磁铁是一个旋转电磁铁（图4-18），它安装在液压放大器护盖上，由定子和转子两部分组成。

控制电磁铁转子轴上固定有活门调节器的一级杠杆。当控制电磁铁工作时，一级杠杆转动，控制着活门调节器一级封阀的工作，从而控制整个液压放大器的工作。

由此可知，控制电磁铁的作用，就是将放大器输出的电信号转换为液压放大器的液压信号。

2）活门调节器

又称作活门支座。活门支座固定在齿轮泵护盖上，它由一级杠杆、一级封阀、二级杠杆、二级封阀、两个活门、两个逆向阀和支座本体等组成，如图4-29所示。控制电磁铁通过一级杠杆控制左、右一级活门封阀的开启程度，由于封阀的节流作用，控制了两个一级油道中的压力差。一级油道中的两个活门受力面积较大，它将一级油道压力差转换成较大的力矩，进而又通过二级杠杆和二级活门封阀控制二级油道的工作，在二级油道中获得一个比较大的液压差，这就是活门支座对液压系统工作油压的放大作用。放大的液压差被送往动力油缸上、下腔，最后形成推动火炮转动的稳定力矩或瞄准力矩。

图4-29　活门调节器

另一种控制方式是通过控制阀实现控制，如图4-30所示。一路高压油进入滑阀腔，回流油冲击叶轮高速转动，带动滑阀向上升起顶在传力杆上，当控制电磁铁两个电磁线圈中的电流相等时，杠杆处于平衡位置，两个滑阀高度一致、开度相同，在1 号和2 号出油管路中油压相等，动力油缸处于静止状态。当控制电磁铁中的两个电流不同时，杠杆偏转，改变了滑阀的位置和开度，产生了不同的油压，并作用于油缸上下腔，驱动火炮运动。

图4-30　控制阀结构原理图

1，2—滑阀；3，4—活塞；5，6—叶轮；7，8—传力杆；9，10—闭锁电磁铁；11—杠杆；12—拔叉；13—阻尼调整阀；14—阻尼阀；15～18—单向活门。

3）齿轮泵组

齿轮泵组包括一个大齿轮泵组和一个小齿轮泵组，如图4-31所示。

图4-31　齿轮泵组

各泵组均有一个主动齿轮和两个被动齿轮，构成两个泵。主动齿轮通过同轴的被动齿轮，由电动机带动工作。泵室是由基座、泵体和护盖形成的密封腔，并用螺钉将它们固定在基座上。为消除液压封闭现象，在护盖上开有卸荷槽。前面讲过的安全阀，就设置在大齿轮泵的排油道上，以限制油道液压的最大值，使之不超过 kg/cm2。

（2）动力油缸

图4-32　动力油缸外形图

动力油缸是一种液力直线型驱动装置，其基本结构如图4-32所示，其上吊环通过销轴与炮塔上的支耳相连形成活动铰链，下吊环通过销轴与火炮摇架上的支耳相联，形成活动铰链。上、下吊环都为单耳环结构，这种连接方式一方面使得动力油缸在推动火炮俯仰运动时自身的摆动更加灵活自如；另一方面使其在炮塔中装卸更加方便。活门箱用四个螺栓固定在缸体上，闭锁电磁铁则用螺栓固定在活门箱上。当油缸上下腔的油压存在压力差的时候，就会在活塞上产生力使带活塞的导杆和缸体之间发生力的作用，推动摇架绕耳轴相对炮塔转动。

典型动力油缸的机械与液压结构均比较复杂，不同装备上的部件也存在一定差别，但大体的结构组成基本相同。

动力油缸在工作过程中很难避免受冲击载荷的作用。如坦克在行进间突然遇到障碍，可能会出现炮塔上的挡铁猛烈撞击火炮的现象。再如，由于动力油缸上下腔都没有制动区，上下极限位置完全靠机械限制，这样冲击载荷是无法避免的，并且冲击载荷引起的液压冲击现象更为严重，必须迅速卸荷。为此，在动力油缸上不仅设计有闭锁装置，而且设计有多处缓冲安全阀。

液力闭锁的实现是由两个闭锁电磁铁同时动作来完成的。当闭锁电磁铁通电后，滑阀被拉出阀套一定位置，单向阀钢球在弹簧的弹力、重力、液力的作用下迅速压到阀套的台阶孔上，双向油道不能回油，回油油路被断开，油缸上、下腔油液被封闭，活塞不能移动，因而将坦克炮与炮塔刚性固定在某一角度上，实现液力闭锁。

图4-33　动力油缸的油路示意图

为了防止过荷冲击对机件或油路的破坏，缸体上的油路还会设置安全阀等。图4-33是某型号动力油缸的油路示意图。在正常工作状态下，闭锁电磁铁不通电，闭锁阀打开，1 号油路通过2a、2b 连接到油缸下腔，2 号油路通过1a、1b 连接到油缸上腔，通过控制两路油压即可控制油缸上、下腔的压力差驱动火炮。当需要液力闭锁时，闭锁电磁铁把闭锁阀向上顶起，2a 到2b、1a 到1b 的通路被阻断，使油缸上、下腔空间被密封，实现液力闭锁功能。当过大的冲击作用于火炮时，为防止损坏油缸，安全阀会动作，使上、下腔瞬间构成通路。大的外力消失后，安全阀在弹簧的作用下迅速恢复原位。

5．油箱

油箱用来贮存和提供液压系统油液；冷却和过滤油液；补充因泄漏而损失的油液；容纳因温升膨胀而溢出的油液；排除油液中的空气和过滤沉淀油液中的杂质。图4-34为油箱结构图。油箱本体外有散热筋条。

图4-34　油箱外形图