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浅析飞机拦阻操纵单元地面联试方案

2020-11-16 127 上传者：管理员

摘要：为了分析拦阻钩挂索拉平过程对飞机液压系统的影响,提出一种拦阻操纵单元地面联试方案,该方案设计了拦阻钩挂索拉平模拟机构。通过滑轮使用绳索将配重块与拦阻钩相连,配重块下落带动拦阻钩快速运动。为了获得拦阻钩快速拉平所需配重块质量,基于ADAMS软件建立了拦阻钩挂索拉平动力学模型,通过仿真初步计算出所需配重块质量。根据该方案进行试验,结果表明,该方案能够较好模拟机上拦阻钩快速拉平过程,具有合理性与可靠性,为飞机液压系统设计提供了理论依据与重要参考。

关键词：
ADAMS
动力学模型
地面联试
拦阻钩
挂索拉平
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为了使飞机在有限长度的甲板上安全着舰,必须通过飞机上的拦阻装置进行减速制动[1]。拦阻操纵单元是机上控制拦阻钩作动的控制单元。飞机着舰前,需要拦阻操纵单元能够快速响应并顺利放下拦阻钩。舰载机拦停失败时,飞机实施逃逸复飞后需拦阻操纵单元完成拦阻钩收上,为下一次着舰做准备。因此舰载机拦阻操纵单元是飞机安全顺利着舰的关键单元。

目前相关研究尚处于初级阶段。赵佳[2]、周晓楠[3]、豆清波等[4]针对拦阻钩收放机构进行研究,分析了关键部件余度设置对拦阻钩收放系统失效概率的影响,揭示了拦阻钩缓冲器阻尼力随行程变化的规律。高华峰等[5]、彭一明等[6,7]、蒋辉虎等[8]对舰载无人机拦阻着舰时拦阻装置与拦阻索之间的动力学问题进行仿真分析。刘颖[9]计算了舰载机阻拦着舰时所受到的阻拦拉力和负加速度。针对拦阻操纵单元的研究较少,但拦阻收放原理与起落架收放有共通之处。王强等[10]采用SimHydraulics软件构建某飞机起落架液压系统工作仿真模型,分析不同参数的变化对作动筒活塞杆位移动态特性的影响。赵则利等[11]以舰载直升机主起落架液压缓冲器为研究对象,分析了缓冲器的工作原理与其性能。上述研究大部分仅停留在理论计算与仿真分析上,针对性不强。关于飞机着舰后,拦阻钩被拦阻索快速拉平,该过程是否影响拦阻操纵单元以及液压系统工作功能性能的问题目前尚未得到关注。

飞机拦阻操纵单元是机上液压系统的子系统,与其他液压用户共用同一泵源。安全阻拦不仅要保证拦阻操纵单元正常工作,还需要保证不影响其他液压用户,比如刹车子系统的功能与性能[12]。飞机着舰时从拦阻钩挂索到完全停止在甲板上仅需要3～4s,拦阻钩挂索后将迅速被拦阻索拉平,液压系统压力快速下降,该过程是否影响拦阻操纵单元以及液压系统的功能与性能,可通过拦阻操纵单元地面联试试验进行初步分析与判断。因此,飞机拦阻操纵单元地面联试方案设计关系着飞机地面联试试验的可靠性与有效性。

本研究通过对飞机液压系统构型与拦阻操纵单元原理进行分析,提出一种拦阻操纵单元地面联试方案并搭建试验台,模拟拦阻操纵单元工作状态,通过对试验数据进行分析,验证了设计方案的有效性。本研究提出的拦阻操纵单元地面联试方案为分析拦阻钩快速拉平对液压系统的影响提供了重要参考。

1、系统构型及拦阻原理

液压系统由泵源、拦阻操纵单元以及其他液压用户组成。泵源为各液压用户提供液压动力,拦阻操纵单元通过控制电磁阀通断,实现拦阻钩的收上和解锁(放下),液压系统构型见图1,拦阻操纵单元原理图如图2所示。飞机降落时,拦阻钩解锁电磁阀上电,上位锁通高压液压油后打开,此时缓冲作动器通回油管路,拦阻钩放下,飞机以一定速度向前滑行。飞机停下后,拦阻钩收上电磁阀上电,缓冲作动器在高压液压油作用下收起拦阻钩。

飞机挂索后,在飞机滑行速度下,拦阻索将被绷紧,拦阻钩将在0.45s内快速被拉平。本试验方案中拦阻钩长为2m,质量约为50kg,安装位置距离地面约为0.8m,拦阻钩放下状态示意图如图3a所示,拦阻钩拉平状态示意图如图3b所示。

图1液压系统构型

图2拦阻操纵单元原理图

图3拦阻钩放下与拉平状态示意图

缓冲作动器原理图如图4所示,采用油气分离式布局,油腔A与油腔B通过阻尼孔连通,油腔C通过液压管路与拦阻钩收上电磁阀相连。当上位锁在高压液压油推动下打开解锁后,高压气体膨胀和拦阻钩自身重力使气腔活塞下移,油腔A油液通过阻尼孔流向油腔B,进而推动活塞杆下移,油腔C中的油液则通过液压管路实现回油,完成钩臂的放下。拦阻着陆后,向油腔C输入高压液压油推动活塞杆上移,收起拦阻钩,拦阻钩收上到位后上位锁完成上锁。

图4缓冲作动器原理图

拦阻钩被快速拉平过程中,油腔C与液压系统回油管路相连,缓冲作动器活塞杆迅速缩回,缓冲作动器油腔C中需快速补充液压油,此时油腔C及液压系统回油管路中可能会出现负压,影响液压系统正常工作。

在拦阻钩挂索拉平过程中,活塞杆向上运动,压缩油腔A、油腔B与气腔,缓冲作动器产生缓冲阻尼力(高压气体与油液压缩产生的弹性力)。通过试验,缓冲作动器活塞杆行程与其缓冲阻尼力之间的关系如图5所示。

图5缓冲作动器活塞杆行程s与其缓冲阻尼力F关系图

为了分析拦阻钩快速拉平过程对泵源及其他液压用户工作的影响,需要进行液压系统地面联试试验,其设计需保证液压系统试验件及管路安装安全可靠,准确采集压力、流量等试验数据并能够模拟出拦阻钩在0.45s内被拉平的工况。

2、地面联试试验方案

为了分析拦阻钩在0.45s内快速拉平对泵源及其他液压用户工作的影响,试验方案需设计模拟机上各液压组件安装的液压系统安装台与模拟拦阻钩在0.45s时间内拉平的拦阻挂索拉平模拟机构。液压系统安装台需满足各液压组件工作运行的安装强度。拦阻挂索拉平模拟机构需要能够准确模拟拦阻钩在0.45s内快速拉平。另外试验方案需对电动泵出油口处压力、液压油箱回油压力、缓冲作动器下腔压力、缓冲作动器的位移行程等数据进行准确采集。拦阻操纵单元地面联试试验方案主要包括液压系统安装台与拦阻挂索拉平模拟机构设计2部分。

2.1 液压系统安装台

液压系统安装台由安装夹具、立方横梁、纵梁及附件等组成,具体安装台示意如图6所示。试验中将需要支撑的液压组件固定在3mm厚的薄壁板上,这些薄壁板与台架的横梁或纵梁连接。由于液压系统工作时相关组件有一定的振动,因此对6根立柱进行加强固定,以增强试验台的稳定性。选择采用Q235低碳钢作为试验夹具的制作材料。

图6液压系统安装台

液压系统安装台中拦阻操纵单元安装台见图7所示。上位锁、缓冲作动器、拦阻钩等部件通过横梁、纵梁、上位锁座、缓冲作动器基座、拦阻钩固定支座进行固定支撑,其中拦阻钩通过拦阻钩固定支座固定在试验台上,支座叉耳处安装有关节轴承,拦阻钩可以绕支座自由转动,并且保证连接组件与夹具交点不直接承受力矩,而由各交点产生力矩平衡。

图7拦阻操纵单元安装台

2.2 挂索拉平模拟试验机构

联试试验为了模拟拦阻钩挂索后快速拉起,作动筒及液压管路压力迅速下降,分析该过程对泵源及其他液压用户的影响。挂索拉平模拟试验机构是联试试验方案设计研究重点。试验时拦阻钩固定在试验台架上,试验台架固定在地面。飞机着舰拦阻时,拦阻钩固定在飞机上,飞机以一定速度向前滑行,拦阻索固定在航母上。为了模拟该过程,该试验方案将飞机挂索时的滑行速度转换为拦阻索的速度,旨在分析拦阻钩在0.45s时间内被快速拉平时对液压系统影响。另外使拦阻索获得水平方向上的大速度在实际试验过程中较为困难,因此试验方案中通过重物下落使绳索具有初速度,通过绳索拉动拦阻钩实现拦阻钩快速拉平。

试验方案中挂索拉平模拟试验机构见图8所示。该机构由滑轮及支座、配重块、导轨、滚珠丝杠提升机构、断离机构和减震垫等组成,通过伺服电机带动滚珠丝杠提升机构将配重块抬至一定高度。当断离机构脱开,配重块将沿着导轨下落,滑轮通过绳索迅速拉起拦阻钩以模拟拦阻钩挂索拉平过程。调整配重块下落高度与质量可控制拦阻钩挂索拉平总时间。

图8挂索拉平模拟试验机构

试验中,导轨的高度与试验安装台高度相关,在本试验方案中,拦阻钩安装高度为0.8m,缓冲作动器为0.6m,为了满足拦阻钩与缓冲作动器安装要求,试验台横梁的高度为1.35m,断离机构底面距离横梁底面0.05m,因此,配重块提升高度为1.3m。

拦阻钩拉平时间为0.45s,为了获得所需配重块质量,利用ADAMS软件建立拦阻钩与配重块之间的动力学模型如图9所示。将缓冲作动器的缓冲阻尼力近似为活塞杆行程的一次函数,以函数方式加载到受力点,在绳索被拉直前,配重块做自由下落运动,下落0.45m,获得速度3m/s。在ADAMS里以圆球作为配重块,设置圆球初始速度为3m/s。绳索的一端与圆球固定连接,另一端与拦阻钩进行固定连接。圆球与地面设置接触力,模拟配重块落地后与地面的接触力,拦阻钩总质量为50kg。

图9拦阻钩挂索拉平动力学仿真模型

以圆球落地,拦阻钩拉平的时间为0.45s为优化目标,圆球质量为设计参数,使用ADAMS进行优化,最终求解出圆球质量为381kg。即为了使拦阻钩能够在0.45s时间内被快速拉平,所需配重块质量为381kg。

2.3 试验结果与分析

在实际试验中,通过高速摄像仪对挂索拉平过程总时间进行测量,当拦阻钩挂索拉平时间为方案目标设计值0.45s时,实际配重块质量为390kg,与仿真计算结果仅相差9kg,验证了基于ADAMS的仿真模型求解配重块质量方法的准确性与可行性。另外,该方法快捷高效,减少了试验工作量降低了试验成本。

为了测量试验过程中电动泵出油口处压力、液压油箱回油压力、缓冲作动器下腔压力、缓冲作动器的位移行程等数据,分别在电动泵出油口处、液压油箱回油口、近缓冲作动器液压油进出口管路安装压力传感器,在缓冲作动器上安装位移传感器。试验中选用的压力传感器量程为-0.1～25MPa,灵敏度为199.2mV/MPa;位移传感器量程为0～1000mm,灵敏度为5mV/mm。

按照本研究方案搭建拦阻操纵单元地面联试试验台,并在相关位置安装传感器,进行拦阻钩挂索拉平模拟试验,试验过程中缓冲作动器的位移行程、电动泵出油口压力、液压油箱回油压力、缓冲作动器下腔压力数据如图10所示。

图10拦阻钩挂索拉平试验数据图

缓冲作动器位移行程图显示,在23.85s时,拦阻钩开始运动,在24.3s时拦阻钩运动到拉平的位置,时间为0.45s。在该过程中电动泵出油口压力为20.9MPa左右,波动值小于0.1V。液压油箱回油压力在该过程中持续下降,最小值为0.041MPa。缓冲作动器下腔压力在拦阻钩开始运动时刻为0.268MPa,最终下降至0.124MPa。

通过试验数据分析可知,试验方案设计达到了拦阻钩在0.45s时间内快速拉平的目的。液压油箱回油压力与缓冲作动器下腔压力均未达到负压,液压系统工作正常。飞机拦阻钩在0.45s内快速拉平过程不影响液压系统正常工作。

除拦阻钩挂索拉平模拟试验外,还在该试验台上完成了拦阻钩解锁、收上功能试验,并基于工作逻辑制定了拦阻操纵单元与其他液压用户的联试流程,根据该流程完成了拦阻操纵单元联试耐久性试验。试验表明,本联试方案中试验台的设计满足泵源、拦阻操纵单元、其他液压用户的安装强度。试验采集的液压系统相关试验数据可靠有效。

3、结论

针对飞机拦阻操纵单元,进行了拦阻操纵单元地面联试方案研究。试验方案通过控制相对速度、转换运动对象的方式进行挂索拉平模拟,基于ADAMS软件建立拦阻钩挂索拉平动力学模型,初步求解试验方案中所需配重块质量。根据该方案搭建试验台,成功模拟了拦阻钩在0.45s内被拉平的过程。试验中通过安装压力传感器、位移传感器等对重要数据进行采集。通过对试验获得的相关重要数据分析可得到如下结论:

(1)基于ADAMS的仿真模型求解配重块质量方法具有准确性与可行性,同时可减小试验工作量,降低试验成本;

(2)联试试验方案中试验台的设计满足泵源、拦阻操纵单元、其他液压用户的安装强度要求;

(3)联试试验方案通过相对速度不变,转换运动对象可实现拦阻钩在0.45s内挂索拉平,模拟飞机着舰后拦阻钩运动状态,获得液压系统在该过程中的压力变化等数据,从而分析该过程对液压系统的影响;

(4)试验中,拦阻钩挂索后,在0.45s内快速拉平过程不影响液压系统正常工作。

本研究的飞机拦阻操纵单元地面联试方案具有有效性与可信性,拦阻操纵单元地面联试试验给飞机安全飞行提供了理论依据与重要保障。另外,该试验方法可为飞机拦阻过程液压系统地面联试试验提供重要参考,对飞机设计具有重要意义。

参考文献：

[1]杨国奇.舰载机拦阻系统的有限元建模及仿真分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.

[2]赵佳.典型拦阻钩收放系统失效概率分析[C].北京:中国航空学会,2019:38-42.

[3]周晓楠.舰载飞机拦阻钩收放系统及可靠性分析[D].南京:南京航空航天大学,2018.

[4]豆清波,杨正权,刘继军,等.拦阻钩缓冲器动力学性能试验研究与分析[J].机械科学与技术,2019,38(8):1307-1312.

[5]高华峰,张晓晴,李志强,等.基于ADAMS的舰载机拦阻着舰仿真分析[J].太原理工大学学报,2018,49(3):488-493.

[6]彭一明,聂洪.舰载飞机着舰时拦阻钩碰撞反弹动力学分析[J].航空学报,2017,38(11):214-224.