液壓助力器穩(wěn)定性方法的研究

張領(lǐng)建

（中航通飛研究院有限公司，廣東珠海519040）

液壓助力器穩(wěn)定性方法的研究

張領(lǐng)建

（中航通飛研究院有限公司，廣東珠海519040）

針對(duì)液壓助力器穩(wěn)定性問題，提出了幾種實(shí)際工程中常用的穩(wěn)定性方法。首先闡述了液壓助力器工作原理，分析了影響助力器穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，進(jìn)而提出實(shí)際工程使用的穩(wěn)定性方法，并對(duì)穩(wěn)定性方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析和對(duì)比，最終得出穩(wěn)定方法的使用條件，可為助力器穩(wěn)定性的研究提供參考。

液壓助力器；穩(wěn)定性；方法

0 引言

目前操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要以助力操縱為主，液壓助力器已成為飛行操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的部件，其本身的性能與飛機(jī)參數(shù)的匹配度直接影響飛行操縱系統(tǒng)的穩(wěn)定性［1］，甚至關(guān)系到飛機(jī)的安全性，但是對(duì)于穩(wěn)定性的研究方法始終以仿真為基礎(chǔ)，雖然進(jìn)行各種方法的仿真分析，而最終的方法未必符合工程需要。因此，進(jìn)行液壓助力穩(wěn)定性方法的研究是必要的，也符合工程使用需求。

1 液壓助力器工作原理

圖1所示為一種典型的飛機(jī)液壓助力器原理圖，它包括分配機(jī)構(gòu)（滑閥2）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（活塞3）和反饋機(jī)構(gòu)（桿AOB）3個(gè)基本部分。助力器的輸入量為xi，輸出量為xo，xo帶動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)［2］。

圖1 液壓助力器原理圖

當(dāng)駕駛桿有位移輸入xi時(shí)，由于支點(diǎn)O的作用，滑閥2向左移動(dòng)，從而節(jié)流窗口打開，進(jìn)油路通過閥口與作動(dòng)筒的左腔相通，而回油路則與作動(dòng)筒的右腔相通，兩腔的壓力差使活塞向右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使已傾斜的桿AOB順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過一段時(shí)間后，AOB回到垂直位置，此時(shí)節(jié)流窗口關(guān)閉，助力器工作結(jié)束。在操縱過程中，舵面的作用力并不傳到操縱系統(tǒng)前端，駕駛員只需克服助力器的滑閥摩擦力。

2 影響助力器穩(wěn)定性的因素

2.1 液壓助力器—舵面的固有頻率

圖2 助力器—舵面系統(tǒng)振動(dòng)示意圖

如圖2所示，助力器的活塞（或外筒）與質(zhì)量M舵面連接，由于左、右活塞腔的油液具有一定的壓縮性，因此，活塞（連同舵面）就像被夾在兩個(gè)彈簧中間一樣，當(dāng)發(fā)生外部擾動(dòng)作用后，它就會(huì)按其自身的固有頻率ωn進(jìn)行振動(dòng)，此時(shí)液壓助力器—舵面系統(tǒng)就失去了穩(wěn)定性［3］。

任何振動(dòng)系統(tǒng)都有一定的振動(dòng)頻率（系統(tǒng)的固有頻率），由理論力學(xué)可知，液壓助力器—舵面系統(tǒng)的固有頻率ωn為：

式中：K為助力器—舵面段系統(tǒng)剛度；M為飛機(jī)舵面質(zhì)量折算至助力器輸出端；E為液壓油彈性模量；A為活塞的有效面積；V為整個(gè)活塞腔的有效面積，V＝V1＋V2；β為位置比例系數(shù)。

在飛機(jī)舵面給定的條件下，助力器—舵面系統(tǒng)的固有頻率的影響因素僅僅為后端系統(tǒng)（拉桿、搖臂、支座）的剛度，該段系統(tǒng)的剛度大并不意味著系統(tǒng)就越穩(wěn)定，而是后端系統(tǒng)的剛度與舵面和助力器本身剛度的匹配度，同時(shí)油液的彈性模量E也對(duì)固有頻率有影響，當(dāng)活塞腔混入氣體時(shí)，E大大降低，固有頻率減小，容易產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2.2 安裝支座的剛度

對(duì)于如圖3所示的典型助力器，考慮支座的彈性變形后，助力器的穩(wěn)定條件為［4］：

式中：CΔp為滑閥流量至壓力增益；Ce為滑閥流量至開度增益；nf為助力器反饋比；KA為支座支撐剛度。

圖3 考慮有支座變形的數(shù)學(xué)模型（不帶位移反饋）

圖4 考慮有支座變形的數(shù)學(xué)模型（帶位移反饋）

助力器安裝支座的剛度對(duì)于沒有外反饋的助力器（圖3），支撐剛度的降低嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此支撐支座應(yīng)具有足夠的剛度；相反而言，對(duì)于具有支撐結(jié)構(gòu)外反饋的助力器（圖4），支座剛度的降低有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 穩(wěn)定性方法與分析

3.1 穩(wěn)定性方法

1）滑閥開度—流量特性（?Q/?e）。即速度特性的斜率，在同一滑閥開度變化Δe值下，斜率越高，流量（速度）變化越大，說明補(bǔ)充的能量越大。從能量的角度分析，當(dāng)補(bǔ)充的能量大于系統(tǒng)消耗的能量時(shí)，系統(tǒng)則不穩(wěn)定，所以，?Q/?e越小，越有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。某飛機(jī)平尾助力器就是采用這種設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)設(shè)計(jì)的，如圖5。

圖5 液壓助力器流量—開度曲線圖

2）降低機(jī)械反饋比（nf）。機(jī)械反饋比對(duì)助力器的穩(wěn)定性有較大影響，在同一輸出位移的變化量 Δx0之下，nf越大，有利于提高助力器的跟隨性，同時(shí)提高了助力器的速度，增大了流量，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以，nf減小有利于系統(tǒng)穩(wěn)定，增大有利于系統(tǒng)的跟隨性，如圖6，nf＝BO/OA＝1，若把A點(diǎn)下移至A′點(diǎn)，nf＝BO/ OA′＜1［4］。某型飛機(jī)方向舵助力器（ZL-4）就采用這種方法排除故障，把反饋比由原來的1降低到0.46，跟隨性也相應(yīng)地由原來的0.015 s增大到0.032 s，如圖6。

圖6 典型助力器輸入端機(jī)械部分圖

圖7 節(jié)流孔示意圖

3）在滑閥與作動(dòng)筒之間設(shè)置節(jié)流孔。設(shè)置節(jié)流孔的作用實(shí)際就是降低?Q/?e，關(guān)鍵是采取的方式不同，此方法采用的是機(jī)械的方法，更容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是影響助力器最大工作速度，但是從助力器本身來說，相當(dāng)于助力器輸出活塞增加了阻尼器，降低了助力器本身的剛度。為排除某飛機(jī)平尾抖動(dòng)，采用了節(jié)流孔，但是駕駛員感覺助力器速度變慢。

4）提高支座剛度。助力器在外力作用下，支座處產(chǎn)生變形，引起滑閥的開啟量就增大，系統(tǒng)更容易出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，因此支座剛度減小，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性不利。通常剛度的數(shù)量級(jí)為104N/mm。

5）助力器兩腔之間加泄漏口。增加開孔就相當(dāng)提高了流量—壓力（?Q/?p）特性。在?Q/?e不變的條件下，Δp變小，則助力器的輸出力和速度都有一定影響，即降低了助力器本身的剛度，操縱性能有所降低［6］。某殲擊機(jī)方向舵助力器裝機(jī)試驗(yàn)時(shí)發(fā)生抖動(dòng)，在兩工作腔之間打了一個(gè)φ0.3 mm的小孔，抖動(dòng)排除。

式中：Q為小孔漏油量；μ為流量系數(shù)（一般取2/3）；Δp為兩腔壓力差；ρ為油液密度；f為小孔面積。

6）增加滑閥阻尼和舵面阻尼器。兩種方法都是通過降低舵面能量的方式保證系統(tǒng)穩(wěn)定，不同的是滑閥阻尼是采用降低助力器本身剛度；舵面阻尼器是損耗助力器輸出功率，降低助力器輸出—舵面的剛度。

3.2 穩(wěn)定性方法分析

從以上分析可知，對(duì)于出現(xiàn)抖動(dòng)的助力器—舵面系統(tǒng)，有很多種方法使其穩(wěn)定，但是歸根結(jié)底都與前面提到的影響因素有關(guān)。固有頻率ωn關(guān)聯(lián)的是后端系統(tǒng)的剛度K和舵面的慣性質(zhì)量M，剛度的計(jì)算公式：

其中：K總為助力器至舵面總剛度，K助為助力器本身剛度，因此，為了提高總的系統(tǒng)剛度，K→∞，即助力與舵面直接連接；同時(shí)也可以通過減小M，增大慣性質(zhì)量，但是慣性質(zhì)量為總體設(shè)計(jì)單位給出，通常為一定值。

除了上述影響系統(tǒng)的參數(shù)之外，液壓油的流量Q，即流速V，對(duì)助力器穩(wěn)定性有較大影響，從能量物理過程分析，Q越大，助力器所產(chǎn)生的動(dòng)能量越大，補(bǔ)充給不穩(wěn)定系統(tǒng)的能量就越多，而系統(tǒng)所消耗的能量幾乎為定值，因此Q增大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，3.1節(jié)中的1）、2）、3）、5）都是以較小Q為出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)考慮油液的清潔度和自身的彈性模量，保持基本為一定值。

4 穩(wěn)定性方法的使用限制

通過以上的分析，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很多種方法可以實(shí)現(xiàn)，但是在實(shí)際的工程中，穩(wěn)定方法通常都是受環(huán)境或者操作規(guī)范以及其他因素制約。

1）對(duì)于3.1節(jié)中的1）、2）、3）三種穩(wěn)定方法，更適合助力器前期的理論研究，能夠?yàn)橹ζ鞯暮笃谠O(shè)計(jì)提供參考，確保助力器理論上穩(wěn)定，但是這三種方法對(duì)于助力器裝機(jī)后發(fā)現(xiàn)的不穩(wěn)定性問題無法解決。

2）對(duì)于3.1節(jié)中的方法4），剛度的提高需要材料的性能作為基礎(chǔ)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于助力器支座材料的應(yīng)用基本已經(jīng)定型：鋁合金（如2012A、7075），結(jié)構(gòu)鋼（如30CrMnSiA）［3］。通過提高材料的性能改善剛度則無法實(shí)現(xiàn)，只能靠增大材料的厚度保證剛度，但是這樣往往是重量增加，加工難度大，更多的是造成設(shè)計(jì)上的不合理，因此，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，支座剛度值保證在5×104N/mm左右，系統(tǒng)的穩(wěn)定性基本與剛度無關(guān)。

3）對(duì)于3.1節(jié)中的方法5），該方法適合助力器實(shí)際生產(chǎn)完成，并裝機(jī)后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況下使用，盡管活塞打孔影響助力器的最大輸出速度和最大輸出力，但是這種方法能從根本上解決實(shí)際問題，保證飛機(jī)的飛行。然而，在設(shè)計(jì)初期不允許使用活塞打孔的方法保證穩(wěn)定性。

4）對(duì)于3.1節(jié)中的方法6），增加阻尼器都是以降低飛機(jī)的相應(yīng)速度為代價(jià)：活塞阻尼器影響助力器本身的活塞速度，舵面阻尼器則對(duì)后端系統(tǒng)的剛度不利，因此，增加活塞阻尼器增大了助力器設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)降低助力器的工作可靠度，無法滿足系統(tǒng)的安全性要求；增加舵面阻尼多數(shù)是由強(qiáng)度專業(yè)室提出，保證舵面不發(fā)生顫振的方法，對(duì)于助力器的穩(wěn)定性通常不采用。

5 結(jié)論

液壓助力器—舵面系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響飛機(jī)的操縱性，甚至安全性，因此，對(duì)于穩(wěn)定性方法的選擇應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：

1）明確助力器—舵面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段以及該階段所能使用的穩(wěn)定性方法，并與已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)相對(duì)比，保證了穩(wěn)定性方法的實(shí)際可操作性。

2）影響助力器—舵面系統(tǒng)的穩(wěn)定性的因素是多方面的，單一的方法在應(yīng)用中通常難以解決問題，無法達(dá)到預(yù)期目的。因此，應(yīng)綜合考慮，采用多種方法調(diào)整系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保采用方法的合理性。

3）工程方法不同于理論研究，每種工程方法都有使用的限制條件和環(huán)境，應(yīng)該從實(shí)際出發(fā)，考慮影響穩(wěn)定性的因素，并認(rèn)清穩(wěn)定性方法的限制條件，掌握理論研究與工程應(yīng)用的差異。

［1］ 吳森堂，費(fèi)玉華.飛行控制系統(tǒng)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［2］ 楊家軍，余霞.飛機(jī)液壓助力器動(dòng)態(tài)性能仿真分析［J］.機(jī)床與液壓，2012（11）：113－115.

［3］ 杜來臨，鄭勇.影響液壓助力器穩(wěn)定性的因素與改善措施［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2008（4）：17-19.

［4］ 王永熙.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)：第12冊(cè)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2000.

［5］ 郭玉瑛.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)：第3冊(cè)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2000.

［6］ 李培滋，王占林.飛機(jī)液壓傳動(dòng)與伺服控制［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979.

（編輯啟 迪）

Research of Hydraulic Booster Stable Methods

ZHANG Lingjian
（China Aviation Industry General Aircraft Institute Co.,Ltd,Zhuhai 519040,China）

According to hydraulic booster stability,some engineering methods are provided.The operating principle of hydraulic booster is introduced,and some critical factors of stability are analysed.Then,methods of stability are elaborated,and the merits and faults of methods are analysed.Finally,limiting factors of methods are proposed to provide reference of the research of hydraulic booster for the plane.

hydraulic booster；stability；method

TH 137

A

1002－2333（2014）05－0052－03

張領(lǐng)建（1979—），男，工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)轱w行操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2014-03-04