田楊濤, 袁 杰, 徐洋洋, 劉 通

(航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司, 陜西 西安 710077)

引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)反推作動(dòng)系統(tǒng)作為反推系統(tǒng)的重要組成部分,用于控制反推裝置的展開(kāi)/收起過(guò)程,改變發(fā)動(dòng)機(jī)外涵氣流方向,幫助飛機(jī)在著陸后或中斷起飛時(shí)產(chǎn)生反推力[1-2],以此來(lái)降低飛機(jī)滑行速度,縮短滑跑距離,保證飛機(jī)在降落或緊急終止起飛時(shí)的安全。

目前, 國(guó)外針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)反推作動(dòng)系統(tǒng)的研究相對(duì)較多,而且發(fā)展趨于成熟;國(guó)內(nèi)關(guān)于此方面的研究報(bào)道較少。朱勇[3]針對(duì)A330飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析,旨在讓研究者更好的了解系統(tǒng)功能,快速排出故障;柯杰等[4]對(duì)反推力裝置作動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)架和控制原理進(jìn)行權(quán)衡分析,闡述了其在研制中需考慮的因素;張?jiān)坪频萚5-6]進(jìn)行了葉柵幾何參數(shù)以及起動(dòng)/結(jié)構(gòu)耦合設(shè)計(jì);文獻(xiàn)[7-9]針對(duì)反推力裝置的氣動(dòng)性能開(kāi)展了研究,并進(jìn)行了相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì);尹樹(shù)悅等[10-12]研究者針對(duì)反推力裝置進(jìn)行了安全性設(shè)計(jì)研究,介紹了反推作動(dòng)系統(tǒng)的三道控制防線(xiàn)設(shè)計(jì),并提出了優(yōu)化方案;楊向群[13]針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)反推作動(dòng)器的卡滯故障進(jìn)行了詳細(xì)研究分析。

以往研究大多基于反推作動(dòng)系統(tǒng)及部件的設(shè)計(jì)研究和分析,針對(duì)系統(tǒng)級(jí)的研究多數(shù)表現(xiàn)在安全性分析層面,而對(duì)整個(gè)反推作動(dòng)系統(tǒng)的性能研究相對(duì)較少,目前僅西安電子科技大學(xué)的陳永琴做過(guò)部分仿真研究,主要研究了絲杠導(dǎo)程角、蝸輪蝸桿減速比等幾何參數(shù)的影響[14]。

本研究以航空發(fā)動(dòng)機(jī)C型葉柵式反推作動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象,根據(jù)反推作動(dòng)系統(tǒng)工作原理,建立運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,采用AMESim和Simulink軟件聯(lián)合創(chuàng)建系統(tǒng)仿真模型[15-16]。為了避免反推作動(dòng)系統(tǒng)展開(kāi)末端由于作動(dòng)器的機(jī)械碰撞造成系統(tǒng)劇烈振動(dòng),該仿真模型將作動(dòng)器的緩沖裝置模型嵌入至系統(tǒng)模型中,通過(guò)系統(tǒng)仿真研究旨在為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析及驗(yàn)證提供強(qiáng)有力的方法及工具。

1 反推作動(dòng)系統(tǒng)分析

1.1 反推裝置運(yùn)動(dòng)分析

反推裝置工作時(shí),反推作動(dòng)系統(tǒng)用于展開(kāi)反推裝置。在展開(kāi)過(guò)程中,移動(dòng)外罩平移至葉柵的后部,每根折流桿在移動(dòng)外罩向后移動(dòng)時(shí),允許阻流門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)至阻擋風(fēng)扇外涵道氣流位置,改變排氣方向,氣流通過(guò)葉柵逆向排出至外環(huán)境,從而產(chǎn)生反推力。反推裝置展開(kāi)/收起的運(yùn)動(dòng)原理如圖1所示。

圖1 反推裝置運(yùn)動(dòng)原理圖Fig.1 Diagram of motion of thrust reverser

1.2 系統(tǒng)工作原理

液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)主要由1個(gè)控制器、1個(gè)隔離控制閥、1個(gè)方向控制閥、4個(gè)作動(dòng)器、2根同步軟軸、2個(gè)同步軸鎖、2個(gè)機(jī)械液壓鎖等部件組成。

當(dāng)飛機(jī)處于飛行階段時(shí),反推作動(dòng)系統(tǒng)隔離控制閥的電磁閥不通電,飛機(jī)液壓源系統(tǒng)與液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)處于隔離狀態(tài),此時(shí),H-TRAS保持在收起鎖定位置。

當(dāng)飛機(jī)著陸或中止起飛時(shí),駕駛員通過(guò)操縱反推桿來(lái)發(fā)送展開(kāi)指令,當(dāng)系統(tǒng)隔離狀態(tài)解除后,油源直通系統(tǒng)作動(dòng)器有桿腔,系統(tǒng)保持在收起位置;當(dāng)方向控制閥通電打開(kāi)后,作動(dòng)器無(wú)桿腔通壓,系統(tǒng)在作動(dòng)器兩腔壓差作用下運(yùn)動(dòng)展開(kāi)。

當(dāng)駕駛員將反推桿收回至收起位置時(shí),發(fā)送系統(tǒng)收起指令至控制器,方向控制閥斷電關(guān)閉,作動(dòng)器無(wú)桿腔通低壓,系統(tǒng)在有桿腔高壓作用下運(yùn)動(dòng)收回。反推作動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 System operating principle

2 研究?jī)?nèi)容及方法

本研究以AMESim和Simulink為仿真平臺(tái),建立系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型,其中大部分液壓模塊、信號(hào)模塊和機(jī)械模塊由AMESim模型庫(kù)中選取,作動(dòng)器同步傳動(dòng)線(xiàn)系模型由Simulink創(chuàng)建。對(duì)系統(tǒng)緩沖過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型并模塊化后嵌入至系統(tǒng)模型,緩沖過(guò)程的數(shù)學(xué)模型建立如下所示。

2.1 數(shù)學(xué)模型

作動(dòng)器節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)如圖3所示。反推作動(dòng)系統(tǒng)在展開(kāi)/收起過(guò)程中,作動(dòng)器作為執(zhí)行元件,承受外載荷,以作動(dòng)器為研究對(duì)象,建立力平衡方程為:

圖3 作動(dòng)器節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)Fig.3 Diagram of cushioning structure

(1)

式中,m—— 作動(dòng)器活塞及活塞桿質(zhì)量

p0,p1,p2—— 無(wú)桿腔、有桿腔和緩沖腔的壓力

βc—— 等效黏性阻尼系數(shù)

F,Rf—— 外載力和摩擦力

從緩沖腔排出的油液總量等于出油口流出流量之和,其流量連續(xù)性方程可表示為:

(2)

式中,pk—— 排油口油液壓力

Cdp—— 排油口流量系數(shù)

從有桿腔流入緩沖腔(孔)的油液總量等于有桿腔內(nèi)油液的減少量,其流量連續(xù)性方程可以表示為:

(3)

綜上,油液經(jīng)節(jié)流孔進(jìn)入緩沖環(huán)(腔)的流量方程為:

(4)

式中,λ—— 油液沿程阻力系數(shù)

ρ—— 油液密度

Azd—— 止動(dòng)環(huán)間隙面積

AⅡ,AⅢ—— Ⅱ-Ⅱ斷面和Ⅲ-Ⅲ斷面的有效面積

h—— 間隙高度

L0—— 緩沖初始位移

uv—— 剪切速度

πD2hut/2 —— 由于油液黏性作用而產(chǎn)生的剪切流量

2.2 仿真模型

根據(jù)反推作動(dòng)系統(tǒng)工作原理以及各部件間的輸入輸出關(guān)系,將各仿真模塊集成連接為完整的仿真模型,如圖4所示,圖中給出了隔離控制閥、方向控制閥、作動(dòng)器等部件的集成模型,圖中僅展示了單個(gè)作動(dòng)器模型,展開(kāi)/收起指令直連控制閥中的電磁閥模塊。

圖4 系統(tǒng)仿真模型Fig.4 System simulation model

1) 傳動(dòng)線(xiàn)系模型

系統(tǒng)的傳動(dòng)線(xiàn)系由絲杠絲母副、蝸輪蝸桿副、同步軟軸組成,通過(guò)軟軸將相鄰作動(dòng)器的傳動(dòng)線(xiàn)系聯(lián)系起來(lái)構(gòu)成系統(tǒng)的整體傳動(dòng)線(xiàn)系,具體模型如圖5所示。

圖5 傳動(dòng)線(xiàn)系模型Fig.5 Driveline model

2) 緩沖模型

系統(tǒng)緩沖作用由作動(dòng)器活塞桿上的節(jié)流孔實(shí)現(xiàn),每個(gè)活塞桿上有一對(duì)節(jié)流孔,沿周向成180°布置,根據(jù)展開(kāi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,建立緩沖數(shù)學(xué)模型,如2.1節(jié)所示,反推作動(dòng)系統(tǒng)緩沖模型如圖6所示。

圖6 緩沖模型Fig.6 Cushioning model

2.3 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)反推作動(dòng)系統(tǒng)各部件的幾何參數(shù)以及工作介質(zhì)的物性參數(shù),對(duì)各仿真模塊進(jìn)行參數(shù)賦值,如表1所示為反推動(dòng)作系統(tǒng)的主要參數(shù)。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的正確性和可靠性,在液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行反推作動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試,驗(yàn)證了系統(tǒng)的展開(kāi)運(yùn)動(dòng)特性。圖7給出了反推作動(dòng)系統(tǒng)的展開(kāi)速度-時(shí)間特性曲線(xiàn),從特性曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果可以看出,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)較為吻合,同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)間一致性較好,系統(tǒng)仿真模型置信度較高,所以該仿真模型基本可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的全運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖7 仿真試驗(yàn)驗(yàn)證Fig.7 Verification of simulation and experiment

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 方向控制閥響應(yīng)特性

當(dāng)給液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)通21 MPa高壓時(shí),方向控制閥的轉(zhuǎn)換閥閥芯在介質(zhì)油壓的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生位移,如圖8所示。由閥芯位移曲線(xiàn)可以看出,當(dāng)轉(zhuǎn)換閥接收到展開(kāi)或收起指令后,大約0.03 s后響應(yīng)到位,這說(shuō)明方向控制閥從接收指令到運(yùn)動(dòng)到位需要0.03 s。

圖8 系統(tǒng)展開(kāi)過(guò)程方向閥位移特性Fig.8 Displacement characteristics of directional valve

對(duì)于系統(tǒng)展開(kāi)和收起過(guò)程的流量變化,由圖9可以看出,展開(kāi)過(guò)程展開(kāi)油管和收起油管的流量分別為86 L/min和42 L/min,所以?xún)糨斎肓髁繛?4 L/min;收起過(guò)程展開(kāi)油管和收起油管的流量分別為60 L/min和28 L/min,系統(tǒng)凈輸出流量為32 L/min。由圖9可知,轉(zhuǎn)換閥響應(yīng)過(guò)程中流量變化響應(yīng)時(shí)間約為0.02 s,較快于閥芯位移響應(yīng),這是因?yàn)橐簤河偷谋举|(zhì)為流體,轉(zhuǎn)換閥在響應(yīng)過(guò)程中由于容腔效應(yīng)滯后所致。

圖9 系統(tǒng)展開(kāi)過(guò)程方向閥的流量特性Fig.9 Flow characteristics of directional valve

3.2 系統(tǒng)展開(kāi)/收起特性

如圖10、圖11所示為反推作動(dòng)系統(tǒng)展開(kāi)過(guò)程的速度/位移-時(shí)間特性曲線(xiàn)。

圖10 系統(tǒng)展開(kāi)/收起速度-時(shí)間特性Fig.10 Velocity-time characteristics of system deployment and stowage

圖11 系統(tǒng)展開(kāi)/收起位移-時(shí)間特性Fig.11 Displacement-time characteristics of system deployment and stowage

由系統(tǒng)展開(kāi)過(guò)程的速度-時(shí)間曲線(xiàn)可知,反推作動(dòng)系統(tǒng)加速過(guò)程大約經(jīng)歷0.1 s的時(shí)間。隨后系統(tǒng)進(jìn)入勻速運(yùn)動(dòng)階段,運(yùn)行約1.37 s后進(jìn)入緩沖階段,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)至展開(kāi)末尾位置時(shí),速度降至0.15 m/s以?xún)?nèi),遠(yuǎn)小于正常運(yùn)動(dòng)速度0.36 m/s,此時(shí)作動(dòng)器活塞發(fā)生碰撞時(shí),撞擊效應(yīng)會(huì)大幅下降,由此可知緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)削弱沖擊具有顯著效果。從圖10可知,系統(tǒng)緩沖全程時(shí)間大約為0.25 s,所以反推作動(dòng)系統(tǒng)在全運(yùn)動(dòng)行程中經(jīng)歷的時(shí)間約為1.72 s。

3.3 作動(dòng)器泄漏特性

如圖12所示為作動(dòng)器內(nèi)漏特性變化曲線(xiàn)。由圖可知,內(nèi)泄漏量在加速運(yùn)動(dòng)階段內(nèi)逐漸增大;在系統(tǒng)勻速運(yùn)動(dòng)階段,作動(dòng)器泄漏量較為穩(wěn)定,基本維持在6 mL/min。系統(tǒng)收起過(guò)程中,泄漏量變化趨勢(shì)比較相似。由流量特性可知,作動(dòng)器泄漏量在勻速運(yùn)動(dòng)階段時(shí)最大,因?yàn)榇藭r(shí)作動(dòng)器兩腔壓差最大所致。

圖12 系統(tǒng)展開(kāi)/收起過(guò)程作動(dòng)器泄漏特性Fig.12 Internal leakage characteristics of system deployment and stowage

3.4 系統(tǒng)同步性特性

如圖13、 圖14所示為反推作動(dòng)系統(tǒng)各作動(dòng)器外載相同工況下展開(kāi)和收起過(guò)程的單側(cè)作動(dòng)器間和兩側(cè)作動(dòng)器間的同步位移差。由同步位移曲線(xiàn)可以看出發(fā)生最大不同步位移的位置為反推作動(dòng)系統(tǒng)展開(kāi)和收起起始位置或終止位置。造成起始位移差的主要原因是系統(tǒng)起始?jí)毫⑦^(guò)程的不同步;在系統(tǒng)勻速運(yùn)動(dòng)階段,同步性保持相對(duì)穩(wěn)定;在運(yùn)動(dòng)末端由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程的位移差累積造成不同步性過(guò)大。由上述結(jié)果分析可知,可以提高系統(tǒng)起動(dòng)加載的同步性和精度,同時(shí)保持外載阻尼特性的一致性,以此減小系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的同步性誤差。

3.5 溫度對(duì)系統(tǒng)展開(kāi)性能的影響

如圖15、圖16所示為不同溫度下,系統(tǒng)展開(kāi)過(guò)程的速度/位移-時(shí)間特性曲線(xiàn),從特性圖可以看出,油液溫度對(duì)展開(kāi)過(guò)程影響較大。溫度越高,系統(tǒng)加速階段時(shí)間越短。油液溫度為107 ℃時(shí),可以明顯看到系統(tǒng)能夠更快的達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)階段,這是因?yàn)闇囟仍礁?油液黏性越低,運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的阻力越小。當(dāng)油液溫度為-54 ℃時(shí),系統(tǒng)可以展開(kāi)但運(yùn)行速度較為緩慢,這滿(mǎn)足低溫條件下要求系統(tǒng)起動(dòng)的要求, 從緩沖曲線(xiàn)可知此時(shí)系統(tǒng)緩沖時(shí)間明顯加長(zhǎng)。

圖15 不同溫度下的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度特性Fig.15 Velocity characteristic of system at different temperature

圖16 不同溫度下的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)位移特性Fig.16 Displacement characteristic of system at different temperature

4 結(jié)論

本研究以航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用Simulink和AMESim進(jìn)行了聯(lián)合仿真模擬研究?；谙到y(tǒng)工作原理建立了反推作動(dòng)系統(tǒng)仿真模型,研究了反推作動(dòng)系統(tǒng)的展開(kāi)和收起特性,同時(shí)探討了溫度對(duì)展開(kāi)過(guò)程的影響。研究結(jié)果表明:

(1) 仿真模型對(duì)系統(tǒng)全行程運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有良好的預(yù)測(cè)效果,可成為系統(tǒng)運(yùn)行和功能性能的評(píng)估工具;

(2) 作動(dòng)器的緩沖結(jié)構(gòu)有助于減小系統(tǒng)末端機(jī)械碰撞速度,削弱撞擊效應(yīng);

(3) 發(fā)生最大不同步位移的位置為反推作動(dòng)系統(tǒng)展開(kāi)和收起起始位置或終止位置,保證加載的同步性對(duì)減小同步性誤差具有重要作用;

(4) 介質(zhì)溫度會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度,低溫情況下系統(tǒng)仍可以運(yùn)行,但是運(yùn)行時(shí)間逐漸變長(zhǎng)。