大型飛機起落架收放控制系統(tǒng)仿真

屠 毅 肖 翔 李 楠

(中國商用飛機有限公司上海飛機設計研究院，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，其設計的優(yōu)劣直接影響飛機的安全性和經濟性.起落架收放控制系統(tǒng)設計受到多種條件約束，隨著對飛機性能要求越來越高，為了減小飛機起飛時的氣動阻力，加快爬升速度，要求飛機起落架在離地后較短時間內收起，設計需滿足收上時間限制;為克服起落架收放時氣動阻力、重力、摩擦力及慣性力等因素產生的載荷，保證起落架能夠順利收起和放下，并有一定安全余量，需要根據飛機液壓系統(tǒng)能力，設計足夠的收放作動筒尺寸;考慮飛機經濟性，需要優(yōu)化作動筒尺寸，減輕系統(tǒng)重量.大型飛機起落架控制系統(tǒng)包含大量的管道、控制閥門、作動筒等元件，存在多條液壓支路，各支路的流量特性和負載特性相互影響;在收放過程中，氣動載荷、重力載荷等因素隨著收放角度改變不斷變化，從而作動筒負載隨之變化，直接影響收放系統(tǒng)的壓力、流量分布和起落架收放時間.可以看出，系統(tǒng)設計計算需加入大量閥門、管道特性數據，及多種飛行狀態(tài)下的作動器載荷曲線及液壓系統(tǒng)壓力-流量特性曲線，一個具有優(yōu)異數據管理功能的仿真平臺對于系統(tǒng)設計意義重大.AMESIM［1-3］、EASY5［4］等在液壓系統(tǒng)仿真領域有很多應用先例，近些年，流體系統(tǒng)仿真平臺Flowmaster憑借其優(yōu)異的線性化算法、簡潔直觀的界面及強大的數據處理能力，在航空領域各種流體系統(tǒng)仿真中得到廣泛應用［5-9］，該平臺尤其適用于復雜多組件系統(tǒng)級仿真分析.

本文的工作基于Flowmaster平臺，建立大型飛機起落架收放控制系統(tǒng)仿真模型，并進行典型飛行狀態(tài)仿真分析，指導起落架收放控制系統(tǒng)設計.

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)正常收放動作過程如下，首先前、主起落架艙門上位鎖開鎖，然后前、主起落架艙門作動筒動作打開艙門.艙門打開后，起落架下位鎖作動筒動作，將下位鎖解鎖，之后，前、主起落架作動筒開始動作，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筒的驅動下開始關閉，并最終通過艙門上位鎖鎖住，這樣便完成了起落架收上過程.同樣，起落架正常放下過程包括艙門打開，起落架放下并鎖上，艙門關閉.

圖1為典型帶艙門的大型飛機起落架收放控制系統(tǒng)液壓架構，它由起落架控制閥，各起落架收放作動器、上位鎖和下位鎖作動器，各起落架艙門開關作動器及上位鎖作動器組成.如圖1所示，來自液壓系統(tǒng)的高壓油液，首先進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，通過閥門位置的選擇，控制起落架收放及艙門的開關動作.閥門引出四路，將高壓油液供往各作動器，用于起落架收放和艙門開關過程供壓及對應逆向過程的回油，各支路流量根據作動器的負載和管路、閥門的流阻特性分配.

圖1 起落架控制系統(tǒng)液壓架構

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個三位四通換向閥門進行起落架收放及其艙門開關控制.起落架收放選擇閥3個位置分別對應起落架收上、起落架放下及隔斷;起落架艙門開關選擇閥3個位置分別對應起落架艙門打開、起落架艙門關閉及隔斷.圖2所示仿真模型中，各閥門連接一個信號發(fā)生器，用于輸入閥門的位置信號.每個換向閥對應的多條流路的流阻特性單獨設置.

圖2 起落架控制閥模塊仿真模型

2.2 起落架收放作動筒

起落架收放作動筒模塊包括液壓缸、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.起落架收放過程中，由于作動器負載隨著起落架收放角度改變而不斷變化，因此需要根據起落架收放角度計算相應的作動器負載.

圖3 起落架作動器模塊仿真模型

圖3中的活塞桿行程模塊用于計算作動器活塞桿行程，傳遞給負載輸入模塊，在其中將行程轉換為收放角度，計算與之對應的收放過程負載情況，輸入給作動筒.作動筒行程末端有節(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，通過編寫腳本程序實現在作動器行程末端液壓油僅從節(jié)流閥流出，減緩活塞桿對作動筒的沖擊.

2.3 液壓源

液壓系統(tǒng)使用發(fā)動機驅動恒壓變量柱塞泵供壓，該柱塞泵通過改變自身的出口油量，維持系統(tǒng)出口壓力穩(wěn)定，液壓泵出口有相應的泄壓閥用于高壓保護.從液壓泵出口到起落架控制閥門入口，會經過管道和閥門元件，產生沿程壓降，對于起落架控制系統(tǒng)而言，不需要了解這些壓降由哪些元件產生，系統(tǒng)設計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自由計算模塊，用來計算液壓油從柱塞泵出口到控制閥門入口過程中，對應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.作動器動作需要的液壓壓力越大，液壓系統(tǒng)能夠供應的最大液壓流量越小，反之越大.對于同樣的作動器負載力，作動器直徑增大，驅動作動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.作動器直徑增大，單位液壓流量產生的作動器活塞桿的運動速度減小，減慢收放速度;但另一方面，由于需要的驅動壓力小，對應液壓系統(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.因此設計時需要進行權衡優(yōu)化，通過大量設計計算，得到最合適的作動器尺寸.

對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筒克服其負載所需最大驅動壓力決定.因此，如果各作動器的尺寸設計不合理，驅動各作動器所需的液壓壓力相差很大，便容易導致收放過程中，液壓油會先從某個或某幾個作動器流走，直到這些作動器到達行程末端，其他作動器才開始動作，從而導致各起落架收放過程不同步，減慢整體收放速度.

因此，起落架控制系統(tǒng)設計，需要根據負載條件，調整作動器及其對應的流量控制閥尺寸參數，進行匹配計算，優(yōu)化各作動器的流量分配.

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)設計的輸入條件之一，液壓系統(tǒng)供壓能力大小直接影響作動器尺寸設計，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

起落架收放過程負載也是起落架控制系統(tǒng)設計輸入條件.起落架收放過程中存在多種載荷因素，包括起落架的重力載荷、氣動載荷、摩擦阻力等，在收放控制系統(tǒng)仿真時，作為輸入條件，將各種載荷轉換為對應收放角度下作用于各作動器的負載曲線.圖7和圖8分別為一組給定的主起落架和前起落架作動器負載隨收放角度變化的曲線，主起落架0°為放下狀態(tài)，80°為收上狀態(tài)，前起落架0°為放下狀態(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、閥門的結構尺寸及流阻參數等.

3.2 仿真結果及分析

本節(jié)以起落架收上過程仿真計算結果為例，分析作動器尺寸對于系統(tǒng)壓力、流量及起落架收上時間的影響，仿真過程輸入條件均采用正常飛行狀態(tài)下對應數據曲線.

圖7 主起落架收上作動器負載

圖8 前起落架收上作動器負載

圖9為起落架控制系統(tǒng)入口壓力曲線.如圖所示，在初始階段很短時間內，入口壓力階梯上升，此過程為起落架下位鎖解鎖作動器解鎖的過程，解鎖作動器負載較小，因此液壓源輸出壓力小.解鎖之后，前起落架和主起落架開始動作，系統(tǒng)入口壓力隨著負載變化.目前設計狀態(tài)下，克服主起落架負載所需液壓壓力更大，因此系統(tǒng)壓力由主起落架負載決定，見圖7，隨著起落架逐步收上，收放角度增大，系統(tǒng)的負載開始增大，起落架控制閥入口壓力逐步提高，在收上過程的末尾階段，主起落架負載略有下降，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，作動器尺寸越大，對應入口壓力越小，因為在同樣的負載力情況下，越大的作動器尺寸對應需要的液壓驅動壓力越小.

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、主起落架收上過程時間的計算結果.從圖中可以看出，該設計條件下，對應作動器尺寸越小，起落架收上時間越短.這是由于各尺寸下作動器液壓壓力需求在大部分時間內均保持在最大流量對應的可供最大壓力以下(見圖6與圖9).因此，三種尺寸分別對應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，作動器尺寸越小，收上時間越短.

圖10 前起落架收上過程時間

圖11 主起落架收上過程時間

4 結束語

本文研究大型飛機起落架收放控制系統(tǒng)仿真計算方法，基于Flowmaster平臺建立了系統(tǒng)仿真模型，并進行正常飛行狀態(tài)下系統(tǒng)仿真，針對不同作動筒尺寸對仿真結果進行對比分析，結果表明，作動器尺寸對系統(tǒng)的壓力-流量特性和起落架的收上時間影響很大，大的作動器尺寸需要的液壓驅動壓力小，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，對應的收上時間更長.較小尺寸在相同液壓流量情況下，對應收上時間更短，但需要更大的驅動壓力.因此，系統(tǒng)設計需要綜合考慮這些因素，合理選擇作動器尺寸，滿足設計收放時間的同時，保證足夠安全余量.

起落架控制系統(tǒng)仿真幫助設計師熟悉系統(tǒng)工作過程，了解元件尺寸參數、外部載荷和液壓系統(tǒng)壓力流量特性等因素對系統(tǒng)的影響，從整體上把握系統(tǒng)，幫助在設計過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)計算，實現系統(tǒng)參數的調整及優(yōu)化，對于系統(tǒng)設計意義重大.

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