飛機(jī)液壓系統(tǒng)建模與仿真研究

摘

要：飛機(jī)液壓系統(tǒng)作為飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是為飛機(jī)的各種操控裝置提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。隨著機(jī)載復(fù)雜系統(tǒng)的增加，現(xiàn)代飛機(jī)高度依賴于可靠的液壓系統(tǒng)，同時(shí)液壓系統(tǒng)的健康狀況直接影響到飛機(jī)安全性。以某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)為具體研究對(duì)象，建立了液壓系統(tǒng)各元件的數(shù)學(xué)模型，并利用AMESim仿真軟件建立了飛機(jī)液壓系統(tǒng)的仿真模型，驗(yàn)證了模型與真實(shí)液壓系統(tǒng)的一致性，確定了模型的可靠性，為后續(xù)診斷和預(yù)測(cè)研究奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：飛機(jī)液壓系統(tǒng)；數(shù)學(xué)模型；AMESim0

引言液壓系統(tǒng)由于具備功率重量比大、體積小、頻響高，壓力、流量可控性好，可柔性傳送動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶和工程機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域。飛機(jī)液壓系統(tǒng)是為飛機(jī)起飛、操縱、起落架收放和剎車等提供能源的關(guān)鍵系統(tǒng)，要求在整個(gè)飛行過(guò)程中可以連續(xù)可靠地運(yùn)行。作為大型設(shè)備的重要組成部分，在軍民兩大領(lǐng)域，液壓裝置均起著不可替代的作用，而其運(yùn)行狀態(tài)健康與否直接影響到整臺(tái)設(shè)備能否正常工作。故本文依據(jù)飛機(jī)液壓系統(tǒng)基本框架，針對(duì)液壓各部件數(shù)學(xué)模型建立了液壓系統(tǒng)正常工作模型，利用AMESim仿真軟件對(duì)液壓系統(tǒng)飛行時(shí)起飛階段的正常工作情況進(jìn)行了仿真分析。1

飛機(jī)液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型液壓系統(tǒng)是由液壓元件連接而成的，液壓系統(tǒng)的模型也由液壓元件的模型組成。以液壓元件模型為基本模塊（子模型），模塊間數(shù)據(jù)傳遞是以信號(hào)或功率鍵的連接方式完成的。針對(duì)功率的傳遞，通過(guò)功率鍵進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳遞，采取的是功率流的方法，從而使元件連接可讀性強(qiáng)；針對(duì)控制信號(hào)連接，采用的是信號(hào)流的方法實(shí)現(xiàn)單向傳遞，也可將兩類信號(hào)結(jié)合在一起，通過(guò)端口進(jìn)行元件之間數(shù)據(jù)的傳遞[1]。這樣端口不僅傳遞功率信號(hào)，也傳遞控制及其他數(shù)據(jù)信號(hào)，這種端口定義為多端口，AMESim即采用此種方法[2]。在軟件中基本建模模塊的單位為液壓元件的模型，其模型直接用數(shù)學(xué)方程表達(dá)。軟件通過(guò)元件模型間連接的拓?fù)潢P(guān)系，以元件的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)一定的算法自動(dòng)建立其液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，從而完成正確求解[3]。液壓系統(tǒng)元件數(shù)學(xué)模型及相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下。1.1自供增壓油箱數(shù)學(xué)模型選用密閉式自供增壓液壓油箱，液壓泵啟動(dòng)時(shí)，油箱內(nèi)的增壓壓力為增壓蓄壓器提供的壓力。液壓泵一開始供壓，其中一部分油液就供入油箱增壓系統(tǒng)，壓力油進(jìn)入液壓油箱。油箱中包含有增壓腔及儲(chǔ)油腔，兩腔之間通過(guò)結(jié)構(gòu)完全隔離。工作中，利用活塞兩端建立的力平衡過(guò)程為儲(chǔ)油腔提供增壓壓力。當(dāng)液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，高壓油便經(jīng)過(guò)油箱的增壓管流進(jìn)增壓腔，通過(guò)增壓壓力的作用，油箱的活塞逐漸向儲(chǔ)油腔內(nèi)移動(dòng)，從而完成活塞對(duì)儲(chǔ)油腔的增壓過(guò)程[4]。對(duì)油箱增壓情況進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算，以確定油箱增壓的設(shè)計(jì)能力。自供增壓型油箱設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。根據(jù)上述幾何參數(shù)和系統(tǒng)壓力值，結(jié)合靜態(tài)計(jì)算公式（1）得到自供增壓油箱的增壓壓力為：式中：PS為增壓腔額定壓力；S2為增壓腔面積；S1為儲(chǔ)油腔面積；f為摩擦力；r1為殼體內(nèi)徑；r2為活塞桿內(nèi)徑；r3為通油軸內(nèi)徑；r4為通油軸外徑。最終確定油箱增壓壓力為（0.45±0.03）MPa。1.2軸向柱塞泵數(shù)學(xué)模型本文采用的柱塞泵為恒壓變量式柱塞泵，它是利用柱塞在缸體柱塞孔內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，密封工作容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)油和排油的。恒壓變量式柱塞泵的排量為11.25mL/rev，其最大全流壓力為20MPa，零流量的輸出壓力為21MPa，則理論上其輸出流量和輸出壓力間的關(guān)系可近似為帶有轉(zhuǎn)折點(diǎn)的分段直線[5]，如式（2）所示：式中：Q為變量泵的輸出流量；V為液壓泵的排量，為11.25mL/rev；n為液壓泵的輸出轉(zhuǎn)速；k1為壓力設(shè)定點(diǎn)之前液壓泵的輸出流量隨壓力降低系數(shù)；k2為壓力設(shè)定點(diǎn)之后液壓泵的輸出流量隨壓力降低系數(shù)；p為液壓泵的輸出壓力；pmax為零流量時(shí)輸出壓力。建立用于描述液壓泵壓力—流量曲線的數(shù)學(xué)方程，如式（3）所示：因此，液壓泵排量可由式（4）計(jì)算：模型初步搭建后，給每個(gè)元件分配合適的子模型，給AMESim所建立的模型的每個(gè)元件設(shè)定好相應(yīng)的參數(shù)，AMESim可自行計(jì)算。2

基于AMESim的飛機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型元件部分取自液壓庫(kù)，部分取自機(jī)械庫(kù)、信號(hào)控制庫(kù)。液壓部分利用取自液壓系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)元件構(gòu)建。圖1為由AMESim構(gòu)建的飛機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型。為仿真飛機(jī)起飛階段真實(shí)過(guò)程，設(shè)置液壓系統(tǒng)在起飛階段下的流量需求。飛機(jī)在不同飛行狀態(tài)時(shí)，液壓用戶所需流量各不相同：（1）0～300s為滑跑階段，此時(shí)液壓能源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)飛控系統(tǒng)的方向舵作動(dòng)器、副翼作動(dòng)器、升降舵作動(dòng)器，通用液壓系統(tǒng)的機(jī)輪剎車動(dòng)作；（2）300～400s為拉起階段，此時(shí)驅(qū)動(dòng)飛控系統(tǒng)的方向舵作動(dòng)器、副翼作動(dòng)器、升降舵作動(dòng)器工作，通用液壓系統(tǒng)無(wú)流量需求；（3）400～500s為爬高階段，此時(shí)分別驅(qū)動(dòng)飛控系統(tǒng)的方向舵作動(dòng)器、副翼作動(dòng)器、升降舵作動(dòng)器，通用液壓系統(tǒng)起落架收放作動(dòng)器工作。該飛機(jī)液壓系統(tǒng)配備一臺(tái)AC電機(jī)為液壓泵供應(yīng)能量，從油箱中吸取液壓油。油液從液壓泵出口經(jīng)高壓油濾、單向活門流向用戶。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到某個(gè)設(shè)定值時(shí)，卸壓安全閥打開，部分油液通過(guò)卸壓安全閥返回油箱。當(dāng)系統(tǒng)壓力低于（10±0.7）MPa時(shí)，停止向下游通用系統(tǒng)用戶供壓，由優(yōu)先閥控制。A、B為液壓油流經(jīng)方向。3

仿真結(jié)果及分析對(duì)系統(tǒng)起飛階段工作過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，并分析仿真結(jié)果，為飛機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析提供有價(jià)值的參考。3.1液壓用戶流量需求、入口壓力飛控用戶流量需求通過(guò)設(shè)置模擬負(fù)載輸入信號(hào)，分別如下：0～300s時(shí)輸入信號(hào)為1.5，300～400s時(shí)輸入信號(hào)為4，400～500s時(shí)輸入信號(hào)為4.5。通過(guò)可變節(jié)流閥的橫截面積變化規(guī)律與其一致，0～300s時(shí)為1.2mm2，300～400

s時(shí)為3.1

mm2，400～500

s時(shí)為3.5

mm2。飛控系統(tǒng)的液壓用戶流量需求及入口壓力變化如圖2和圖3所示。由圖2及圖3可知，0～300s為滑跑階段，飛機(jī)正常姿態(tài)下液壓能源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)飛控系統(tǒng)的方向舵作動(dòng)器、副翼作動(dòng)器、升降舵作動(dòng)器工作，流量需求為7.4L/min，入口壓力為20.08MPa；300～400s為拉起階段，此時(shí)升降舵作動(dòng)器流量需求增大，其值為19.7L/min，用戶入口壓力降低，為20.06MPa；400～500s為爬高階段，飛機(jī)在收起落架狀態(tài)升降舵作動(dòng)器流量需求增大，流量需求為20.2L/min，入口壓力為18.5MPa。由此可見，飛控系統(tǒng)用戶流量消耗與入口壓力大小成反比。用戶流量需求增大時(shí)，入口壓力減小；用戶流量需求減小時(shí)，入口壓力增大。設(shè)置通用液壓系統(tǒng)模擬負(fù)載輸入信號(hào)：0～300s時(shí)為4.5、300～400s時(shí)為0、400～500s時(shí)為9，通過(guò)可變節(jié)流閥的橫截面積變化規(guī)律與其一致，0～300s時(shí)為3.5mm2，300～400s時(shí)為0mm2，400～500

s時(shí)為7

mm2。通用液壓系統(tǒng)用戶流量需求大小和用戶入口壓力變化如圖4和圖5所示。由圖4及圖5可知，0～300s為滑跑階段，飛機(jī)正常姿態(tài)下液壓能源系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)通用液壓系統(tǒng)的機(jī)輪剎車動(dòng)作，流量消耗為13.5L/min，用戶入口壓力為14.2MPa；300～400s為拉起階段，無(wú)流量需求，用戶入口壓力為14.3MPa；400～500s為爬高階段，需要驅(qū)動(dòng)起落架收放系統(tǒng)作動(dòng)器動(dòng)作，流量需求增大為21.5L/min。用戶入口壓力下降，其值為12.7MPa。由此可見，隨著通用液壓系統(tǒng)用戶流量需求的增大，用戶入口壓力降低。3.2系統(tǒng)壓力、流量仿真對(duì)系統(tǒng)壓力、流量變化情況，即液壓泵輸出壓力及流量進(jìn)行仿真分析。圖6和圖7分別為液壓泵出口流量、壓力大小。由液壓泵出口壓力、流量仿真結(jié)果可知：0～300s期間，系統(tǒng)輸出壓力為21MPa，泵出口流量穩(wěn)定到21L/min。飛機(jī)由滑跑階段至拉起階段（300～400s），液壓泵出口流量略微降低，對(duì)應(yīng)的出口壓力升高，但變化不大；爬升階段（400～500s）由于液壓能源系統(tǒng)需驅(qū)動(dòng)起落架收放系統(tǒng)完成收起動(dòng)作，流量需求變大，故液壓泵出