大型飛機(jī)起落架收放控制系統(tǒng)仿真

屠 毅 肖 翔 李 楠

(中國(guó)商用飛機(jī)有限公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201203)

起落架收放控制是起落架控制系統(tǒng)主要功能之一，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響飛機(jī)的安全性和經(jīng)濟(jì)性.起落架收放控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)受到多種條件約束，隨著對(duì)飛機(jī)性能要求越來(lái)越高，為了減小飛機(jī)起飛時(shí)的氣動(dòng)阻力，加快爬升速度，要求飛機(jī)起落架在離地后較短時(shí)間內(nèi)收起，設(shè)計(jì)需滿足收上時(shí)間限制;為克服起落架收放時(shí)氣動(dòng)阻力、重力、摩擦力及慣性力等因素產(chǎn)生的載荷，保證起落架能夠順利收起和放下，并有一定安全余量，需要根據(jù)飛機(jī)液壓系統(tǒng)能力，設(shè)計(jì)足夠的收放作動(dòng)筒尺寸;考慮飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性，需要優(yōu)化作動(dòng)筒尺寸，減輕系統(tǒng)重量.大型飛機(jī)起落架控制系統(tǒng)包含大量的管道、控制閥門、作動(dòng)筒等元件，存在多條液壓支路，各支路的流量特性和負(fù)載特性相互影響;在收放過(guò)程中，氣動(dòng)載荷、重力載荷等因素隨著收放角度改變不斷變化，從而作動(dòng)筒負(fù)載隨之變化，直接影響收放系統(tǒng)的壓力、流量分布和起落架收放時(shí)間.可以看出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算需加入大量閥門、管道特性數(shù)據(jù)，及多種飛行狀態(tài)下的作動(dòng)器載荷曲線及液壓系統(tǒng)壓力-流量特性曲線，一個(gè)具有優(yōu)異數(shù)據(jù)管理功能的仿真平臺(tái)對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義重大.AMESIM［1-3］、EASY5［4］等在液壓系統(tǒng)仿真領(lǐng)域有很多應(yīng)用先例，近些年，流體系統(tǒng)仿真平臺(tái)Flowmaster憑借其優(yōu)異的線性化算法、簡(jiǎn)潔直觀的界面及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，在航空領(lǐng)域各種流體系統(tǒng)仿真中得到廣泛應(yīng)用［5-9］，該平臺(tái)尤其適用于復(fù)雜多組件系統(tǒng)級(jí)仿真分析.

本文的工作基于Flowmaster平臺(tái)，建立大型飛機(jī)起落架收放控制系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行典型飛行狀態(tài)仿真分析，指導(dǎo)起落架收放控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).

1 起落架收放控制系統(tǒng)工作原理

帶艙門的起落架系統(tǒng)正常收放動(dòng)作過(guò)程如下，首先前、主起落架艙門上位鎖開(kāi)鎖，然后前、主起落架艙門作動(dòng)筒動(dòng)作打開(kāi)艙門.艙門打開(kāi)后，起落架下位鎖作動(dòng)筒動(dòng)作，將下位鎖解鎖，之后，前、主起落架作動(dòng)筒開(kāi)始動(dòng)作，將起落架收上并鎖住.起落架收上之后，各起落架艙門在艙門作動(dòng)筒的驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始關(guān)閉，并最終通過(guò)艙門上位鎖鎖住，這樣便完成了起落架收上過(guò)程.同樣，起落架正常放下過(guò)程包括艙門打開(kāi)，起落架放下并鎖上，艙門關(guān)閉.

圖1為典型帶艙門的大型飛機(jī)起落架收放控制系統(tǒng)液壓架構(gòu)，它由起落架控制閥，各起落架收放作動(dòng)器、上位鎖和下位鎖作動(dòng)器，各起落架艙門開(kāi)關(guān)作動(dòng)器及上位鎖作動(dòng)器組成.如圖1所示，來(lái)自液壓系統(tǒng)的高壓油液，首先進(jìn)入起落架收放控制閥門，該閥門接受起落架控制單元的信號(hào)，通過(guò)閥門位置的選擇，控制起落架收放及艙門的開(kāi)關(guān)動(dòng)作.閥門引出四路，將高壓油液供往各作動(dòng)器，用于起落架收放和艙門開(kāi)關(guān)過(guò)程供壓及對(duì)應(yīng)逆向過(guò)程的回油，各支路流量根據(jù)作動(dòng)器的負(fù)載和管路、閥門的流阻特性分配.

圖1 起落架控制系統(tǒng)液壓架構(gòu)

2 仿真模型的建立

2.1 起落架控制閥門

收放控制系統(tǒng)使用2個(gè)三位四通換向閥門進(jìn)行起落架收放及其艙門開(kāi)關(guān)控制.起落架收放選擇閥3個(gè)位置分別對(duì)應(yīng)起落架收上、起落架放下及隔斷;起落架艙門開(kāi)關(guān)選擇閥3個(gè)位置分別對(duì)應(yīng)起落架艙門打開(kāi)、起落架艙門關(guān)閉及隔斷.圖2所示仿真模型中，各閥門連接一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，用于輸入閥門的位置信號(hào).每個(gè)換向閥對(duì)應(yīng)的多條流路的流阻特性單獨(dú)設(shè)置.

圖2 起落架控制閥模塊仿真模型

2.2 起落架收放作動(dòng)筒

起落架收放作動(dòng)筒模塊包括液壓缸、單向閥和流量控制閥.

如圖3所示，在作動(dòng)筒兩端各自連接流量控制閥、單向閥和用于緩沖的節(jié)流閥.起落架收放過(guò)程中，由于作動(dòng)器負(fù)載隨著起落架收放角度改變而不斷變化，因此需要根據(jù)起落架收放角度計(jì)算相應(yīng)的作動(dòng)器負(fù)載.

圖3 起落架作動(dòng)器模塊仿真模型

圖3中的活塞桿行程模塊用于計(jì)算作動(dòng)器活塞桿行程，傳遞給負(fù)載輸入模塊，在其中將行程轉(zhuǎn)換為收放角度，計(jì)算與之對(duì)應(yīng)的收放過(guò)程負(fù)載情況，輸入給作動(dòng)筒.作動(dòng)筒行程末端有節(jié)流閥式緩沖裝置，如圖3所示，活塞行程值作為輸入量傳遞給兩端的緩沖模擬模塊，通過(guò)編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)在作動(dòng)器行程末端液壓油僅從節(jié)流閥流出，減緩活塞桿對(duì)作動(dòng)筒的沖擊.

2.3 液壓源

液壓系統(tǒng)使用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)恒壓變量柱塞泵供壓，該柱塞泵通過(guò)改變自身的出口油量，維持系統(tǒng)出口壓力穩(wěn)定，液壓泵出口有相應(yīng)的泄壓閥用于高壓保護(hù).從液壓泵出口到起落架控制閥門入口，會(huì)經(jīng)過(guò)管道和閥門元件，產(chǎn)生沿程壓降，對(duì)于起落架控制系統(tǒng)而言，不需要了解這些壓降由哪些元件產(chǎn)生，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輸入是該控制系統(tǒng)入口的液壓壓力-流量特性曲線.因此，在仿真模型中，在柱塞泵后接入一個(gè)自由計(jì)算模塊，用來(lái)計(jì)算液壓油從柱塞泵出口到控制閥門入口過(guò)程中，對(duì)應(yīng)不同流量下的壓降情況，如圖4所示.

圖4 起落架控制系統(tǒng)液壓源模塊仿真模型

2.4 系統(tǒng)集成

子模塊建模完成之后，通過(guò)管道閥門連接，集成為完整的起落架收放控制系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示.

圖5 起落架控制系統(tǒng)仿真模型

3 起落架收放控制系統(tǒng)仿真及分析

根據(jù)液壓系統(tǒng)的壓力-流量特性，不同輸出壓力，液壓油的最大輸出流量是不同的.作動(dòng)器動(dòng)作需要的液壓壓力越大，液壓系統(tǒng)能夠供應(yīng)的最大液壓流量越小，反之越大.對(duì)于同樣的作動(dòng)器負(fù)載力，作動(dòng)器直徑增大，驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器所需的液壓壓力減小，起落架收放系統(tǒng)具有更大的安全余量.作動(dòng)器直徑增大，單位液壓流量產(chǎn)生的作動(dòng)器活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度減小，減慢收放速度;但另一方面，由于需要的驅(qū)動(dòng)壓力小，對(duì)應(yīng)液壓系統(tǒng)可提供的最大液壓流量增大，又能起到加快收放速度的作用.因此設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行權(quán)衡優(yōu)化，通過(guò)大量設(shè)計(jì)計(jì)算，得到最合適的作動(dòng)器尺寸.

對(duì)于起落架收放控制系統(tǒng)，起落架控制閥門入口壓力由各作動(dòng)筒克服其負(fù)載所需最大驅(qū)動(dòng)壓力決定.因此，如果各作動(dòng)器的尺寸設(shè)計(jì)不合理，驅(qū)動(dòng)各作動(dòng)器所需的液壓壓力相差很大，便容易導(dǎo)致收放過(guò)程中，液壓油會(huì)先從某個(gè)或某幾個(gè)作動(dòng)器流走，直到這些作動(dòng)器到達(dá)行程末端，其他作動(dòng)器才開(kāi)始動(dòng)作，從而導(dǎo)致各起落架收放過(guò)程不同步，減慢整體收放速度.

因此，起落架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要根據(jù)負(fù)載條件，調(diào)整作動(dòng)器及其對(duì)應(yīng)的流量控制閥尺寸參數(shù)，進(jìn)行匹配計(jì)算，優(yōu)化各作動(dòng)器的流量分配.

3.1 仿真輸入條件

液壓系統(tǒng)的壓力-流量特性為起落架收放控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輸入條件之一，液壓系統(tǒng)供壓能力大小直接影響作動(dòng)器尺寸設(shè)計(jì)，仿真模型中液壓系統(tǒng)壓力流量特性如圖6所示.

圖6 液壓系統(tǒng)壓力流量特性

起落架收放過(guò)程負(fù)載也是起落架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入條件.起落架收放過(guò)程中存在多種載荷因素，包括起落架的重力載荷、氣動(dòng)載荷、摩擦阻力等，在收放控制系統(tǒng)仿真時(shí)，作為輸入條件，將各種載荷轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)收放角度下作用于各作動(dòng)器的負(fù)載曲線.圖7和圖8分別為一組給定的主起落架和前起落架作動(dòng)器負(fù)載隨收放角度變化的曲線，主起落架0°為放下?tīng)顟B(tài)，80°為收上狀態(tài)，前起落架0°為放下?tīng)顟B(tài)，100°為收上狀態(tài).

系統(tǒng)的其他輸入條件還包括管道、彎頭、閥門的結(jié)構(gòu)尺寸及流阻參數(shù)等.

3.2 仿真結(jié)果及分析

本節(jié)以起落架收上過(guò)程仿真計(jì)算結(jié)果為例，分析作動(dòng)器尺寸對(duì)于系統(tǒng)壓力、流量及起落架收上時(shí)間的影響，仿真過(guò)程輸入條件均采用正常飛行狀態(tài)下對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)曲線.

圖7 主起落架收上作動(dòng)器負(fù)載

圖8 前起落架收上作動(dòng)器負(fù)載

圖9為起落架控制系統(tǒng)入口壓力曲線.如圖所示，在初始階段很短時(shí)間內(nèi)，入口壓力階梯上升，此過(guò)程為起落架下位鎖解鎖作動(dòng)器解鎖的過(guò)程，解鎖作動(dòng)器負(fù)載較小，因此液壓源輸出壓力小.解鎖之后，前起落架和主起落架開(kāi)始動(dòng)作，系統(tǒng)入口壓力隨著負(fù)載變化.目前設(shè)計(jì)狀態(tài)下，克服主起落架負(fù)載所需液壓壓力更大，因此系統(tǒng)壓力由主起落架負(fù)載決定，見(jiàn)圖7，隨著起落架逐步收上，收放角度增大，系統(tǒng)的負(fù)載開(kāi)始增大，起落架控制閥入口壓力逐步提高，在收上過(guò)程的末尾階段，主起落架負(fù)載略有下降，在起落架完全收上之后，液壓系統(tǒng)輸出維持最大壓力不變.從圖9中還可以看出，作動(dòng)器尺寸越大，對(duì)應(yīng)入口壓力越小，因?yàn)樵谕瑯拥呢?fù)載力情況下，越大的作動(dòng)器尺寸對(duì)應(yīng)需要的液壓驅(qū)動(dòng)壓力越小.

圖9 流量控制閥入口壓力情況

圖10和圖11分別為三種尺寸下，前、主起落架收上過(guò)程時(shí)間的計(jì)算結(jié)果.從圖中可以看出，該設(shè)計(jì)條件下，對(duì)應(yīng)作動(dòng)器尺寸越小，起落架收上時(shí)間越短.這是由于各尺寸下作動(dòng)器液壓壓力需求在大部分時(shí)間內(nèi)均保持在最大流量對(duì)應(yīng)的可供最大壓力以下(見(jiàn)圖6與圖9).因此，三種尺寸分別對(duì)應(yīng)的起落架的收放流量均能維持在液壓系統(tǒng)可提供的最大流量值附近.在流量相近的情況下，作動(dòng)器尺寸越小，收上時(shí)間越短.

圖10 前起落架收上過(guò)程時(shí)間

圖11 主起落架收上過(guò)程時(shí)間

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究大型飛機(jī)起落架收放控制系統(tǒng)仿真計(jì)算方法，基于Flowmaster平臺(tái)建立了系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行正常飛行狀態(tài)下系統(tǒng)仿真，針對(duì)不同作動(dòng)筒尺寸對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，作動(dòng)器尺寸對(duì)系統(tǒng)的壓力-流量特性和起落架的收上時(shí)間影響很大，大的作動(dòng)器尺寸需要的液壓驅(qū)動(dòng)壓力小，能夠保證系統(tǒng)有更大的安全余量，但在相同的液壓流量情況下，對(duì)應(yīng)的收上時(shí)間更長(zhǎng).較小尺寸在相同液壓流量情況下，對(duì)應(yīng)收上時(shí)間更短，但需要更大的驅(qū)動(dòng)壓力.因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要綜合考慮這些因素，合理選擇作動(dòng)器尺寸，滿足設(shè)計(jì)收放時(shí)間的同時(shí)，保證足夠安全余量.

起落架控制系統(tǒng)仿真幫助設(shè)計(jì)師熟悉系統(tǒng)工作過(guò)程，了解元件尺寸參數(shù)、外部載荷和液壓系統(tǒng)壓力流量特性等因素對(duì)系統(tǒng)的影響，從整體上把握系統(tǒng)，幫助在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠方便地完成大量工作狀態(tài)和元件尺寸下的系統(tǒng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整及優(yōu)化，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義重大.

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