多孔式液壓阻尼器在攔阻系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

， ，，，，

(1.海軍工程大學(xué) 機械工程系,武漢 430033；2.海軍工程大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，武漢 430033;3.海軍旅順裝備技術(shù)質(zhì)量監(jiān)測站，遼寧 旅順 116041)

利用攔阻索攔阻著艦是現(xiàn)代航空母艦艦載機著艦的主要方式，航母攔阻系統(tǒng)的攔阻能力是航母與艦載機重要的適配性能之一。攔阻系統(tǒng)通過設(shè)計巧妙的控制機構(gòu)，實現(xiàn)對不同重量和速度的艦載機等距離攔阻，使得航母可以滿足不同機型的服役要求，提高了航母綜合作戰(zhàn)能力[1]。

國內(nèi)外對于艦載機著艦動力學(xué)的研究，基本上都是在已有的航母攔阻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以艦載機著艦過程為研究對象，建立數(shù)學(xué)模型，分析艦載機著艦時飛機所承受的攔阻力，對于攔阻系統(tǒng)液壓裝置的研究較少。本文以攔阻系統(tǒng)液壓裝置為研究對象，采用多孔式液壓緩沖缸代替攔阻系統(tǒng)中原有的主、副油缸，對攔阻液壓系統(tǒng)阻尼性能進行仿真分析。

1 攔阻器工作原理及攔阻特性

1.1 攔阻器工作原理

攔阻系統(tǒng)主要包括甲板以上部分與甲板以下部分。甲板以上部分包括攔阻索和支撐機構(gòu)，甲板以下部分包括攔阻索系統(tǒng)(滑輪組索)、滑輪緩沖系統(tǒng)、攔阻器系統(tǒng)、鋼索末端緩沖系統(tǒng)、復(fù)位系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。攔阻器系統(tǒng)又由主液壓缸、定長沖跑控制系統(tǒng)、蓄能器、膨脹氣瓶、定滑輪組等組成，見圖1。航母上艦載機的攔阻沖跑距離(即從掛鉤到艦載機停住)約為100 m，攔阻過程歷時3～4 s。由圖1可見，飛機尾部攔阻鉤和甲板上的攔阻索嚙合后，動滑輪十字頭在甲板攔阻鋼索的拉動下，向左運動，主、副油缸油液經(jīng)斜向流量控制閥、單向閥，流入蓄壓(能)器。同時副油缸中的油液流入斜向流量閥的左腔室，操縱斜槽閥柱向右移動，以便與攔阻過程中飛機減速所需緩沖力相適應(yīng)[2-5]。借助于油缸中油液出液節(jié)流以及蓄壓(能)器的蓄能作用，攔阻器產(chǎn)生極大的阻尼力，從而吸收飛機巨大的前沖動能，使飛機速度迅速降低，并且在滑跑一段距離后，完全停止。

圖1 斜槽閥型液壓攔阻器工作示意

1.2 MK7-3型攔阻器攔阻特性

美軍標(biāo)MIL-STD-2066給出了MK7-1、2、3型攔阻器的阻尼特性[6]。MK7-3型攔阻器在飛機質(zhì)量為13.6 t，著艦速度145 kn(約74.6 m/s)時的阻尼特性曲線見圖2。由圖2可見，曲線下與X軸所圍成的面積代表攔阻器所吸收的能量，攔阻器提供的攔阻力在攔阻開始后約58 m時達到最大值，攔阻力為489.2 kN，攔阻器效率約為74.7%。

圖2 MK7-3型攔阻器阻尼特性曲線

2 多孔液壓緩沖攔阻器工作原理與數(shù)學(xué)模型

2.1 多孔液壓緩沖阻攔器工作原理

將MK7-3型攔阻器(見圖1)中虛線部分采用多孔緩沖缸取代，多孔緩沖缸由活塞桿1、缸蓋2、缸套5、底板7等組成(見圖3)。動滑輪十字組與活塞桿1相連，定滑輪十字組與底板7連接。當(dāng)飛機機尾掛鉤掛上攔阻鋼索后，在滑輪十字組的作用下，帶動活塞桿1和活塞3向右運動，工作腔A 內(nèi)油液在活塞作用下，從特殊排列的節(jié)流孔7向非工作腔B流動，流出的液壓油一部分經(jīng)回流孔4流入活塞左側(cè)，另一部分經(jīng)過孔C流入蓄壓(能)器中。由于節(jié)流孔處流量限制，活塞的速度也受到限制，從而達到緩沖的目的，外力消除后，在蓄壓(能)器的作用下，活塞回復(fù)到原始位置。

2.2 多孔液壓緩沖攔阻器數(shù)學(xué)模型

多孔液壓緩沖器是一種利用流體流動的粘性阻尼作用，轉(zhuǎn)化機械能為壓力能和熱能，用來延長沖擊負荷的作用時間，吸收并轉(zhuǎn)化沖擊負荷的能量的裝置主要依靠設(shè)計在液壓缸壁上的一系列特殊排列的節(jié)流小孔實現(xiàn)緩沖，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊，吸能量大，且無反彈，其理想的阻尼特性曲線見圖4。

圖4 液壓緩沖器理想阻尼特性曲線

文獻[7-9]對阻尼器的阻尼孔孔徑、間距進行合理設(shè)計，建立了數(shù)學(xué)模型。

1)活塞桿力平衡方程。

(1)

式中m1——飛機質(zhì)量；

v1——飛機在甲板上前進速度；

m2——活塞桿以及活塞的質(zhì)量；

v2——活塞運行速度；

p2——活塞右側(cè)油壓；

A2——活塞右側(cè)工作面積；

p1——非工作腔室B內(nèi)的油壓 ；

A1——活塞左側(cè)有效工作面積。

2)截留小孔流量方程。

本文研究的液壓阻尼油缸采用薄壁孔形式。

(2)

式中：Cd——阻尼孔流量系數(shù)；

△p——阻尼孔兩側(cè)液壓油壓差；

A——阻尼孔面積；

ρ——液壓油密度。

3)工作腔流量連續(xù)方程。

在忽略缸筒與活塞之間的泄露情況下，△t時間內(nèi)，油腔A內(nèi)的流體體積變化主要有以下兩個部分。

阻尼孔流出的油液體積,q·△t;

而油腔A的容積減小了A1·△s，則工作腔流量連續(xù)方程如下：

(3)

式中：K——液壓油體積彈性模量；

s——活塞桿的行程；

V1——壓縮過程中高壓油腔油液的體積，

V1=s·A1

(4)

利用式(1)～(4)的變換通過 Matlab編程進行仿真計算[10-11]，可得出整個緩沖制動過程中制動力與活塞位移的關(guān)系曲線、平均制動力、最大制動力及制動時間。

3 實例分析

1)輸入?yún)?shù)參見表1。

表1 攔阻過程技術(shù)參數(shù)

2)仿真結(jié)果與分析。

利用式(1)～(4)的變換以及優(yōu)化后的液壓緩沖缸，通過 Matlab編程進行仿真計算， 得出飛機制動過程緩沖力、速度與位移的關(guān)系曲線，見圖5、6。

圖5 攔阻力-位移曲線

圖6 飛機運行速度-位移曲線

由圖5可見，飛機受到的攔阻力在25.5 m時達到最大值，最大攔阻力為435.7 kN，平均攔阻力為385.9 kN，峰均力比為435.7/385.9=1.13，攔阻器效率約為88.6%。隨著緩沖的進行，攔阻力呈波動下降的趨勢，在緩沖末端，攔阻力降為零。由圖6可見，在整個攔阻過程中，飛機速度能夠平穩(wěn)下降，直到速度降為0，停在甲板上。

4 結(jié)論

1)使用多孔式緩沖液壓缸的攔阻系統(tǒng)，能夠減少飛機所承受的最大攔阻力，提高攔阻器效率，在一定程度上提高飛機的使用壽命。仿真結(jié)果表明使用多孔式緩沖液壓缸的攔阻系統(tǒng)，能夠使飛機所承受的最大攔阻力減少約10.9%，攔阻器效率提高13.9%。

2)使用多孔式緩沖液壓缸的攔阻系統(tǒng)，大大減少了飛機著艦時飛行員所承受的負荷，改善了飛行員的訓(xùn)練環(huán)境。

[1] 鷗 汛.航母的攔阻裝置[J].現(xiàn)代艦船，2005，9(A)：45-48.

[2] 張 鑫.艦載機攔阻著艦動力學(xué)分析及仿真[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[3] 曹書華，宋錦春.飛機攔阻系統(tǒng)攔阻性能仿真研究[J].航空計算技術(shù)，2002，32(3)：34-37.

[4] 張明暉，洪冠新.航空母艦液壓攔阻系統(tǒng)攔阻力建模與仿真[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2010，36(1)：100-103.

[5] 胡孟權(quán),林國華.艦載飛機著艦攔阻動力學(xué)分析[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2000(5):10-13.

[6] MIL-STD-2066 CATAPULTING AND ARRESTING GEAR FORCING FUNCTIONS FOR AIRCRAFT STRUCTURAL DESIGN[S]. Washington: Department of the Navy Air System Command, 1981.

[7] 章一明.液壓緩沖器設(shè)計參數(shù)研究[J].華東冶金學(xué)院學(xué)報，1994(11):54-58.

[8] 孫 爽.多孔式液壓緩沖器仿真與優(yōu)化設(shè)計[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[9] 苗 明，李明月.新型液氣緩沖器的動態(tài)試驗及其仿真[J].機械工程學(xué)報，2006，42(1)：212-216.

[10] 李永堂,雷步芳,高雨茁.液壓系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003.

[11] 羅鐵剛，林金國.基于Matlab仿真分析的節(jié)流孔緩沖設(shè)計[J].機電設(shè)備，2007(10):3-25.