基于AMESim仿真技術(shù)的前緣襟翼嘯叫問題分析及解決措施

徐俊仕，劉斯飛，劉 浩

（駐320廠軍事代表室，江西 南昌 330024）

基于AMESim仿真技術(shù)的前緣襟翼嘯叫問題分析及解決措施

徐俊仕，劉斯飛，劉 浩

（駐320廠軍事代表室，江西 南昌 330024）

針對某型飛機(jī)前緣襟翼收放過程中嘯叫的問題，對前襟伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了研究，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和AMESim系統(tǒng)仿真分析，確定導(dǎo)致問題發(fā)生的根本原因。同時，還模擬不同工況條件下伺服機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定模態(tài)，結(jié)合試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，提出了解決措施，可為該型飛機(jī)后續(xù)的試驗(yàn)試飛提供參考。

前襟；仿真；嘯叫

0 引言

飛機(jī)前緣襟翼是飛行控制系統(tǒng)中的一部分，與飛機(jī)平尾、副翼以及方向舵共同工作，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)三軸增穩(wěn)控制。當(dāng)飛機(jī)大迎角飛行時，放下前緣襟翼，一方面可減小前緣與相對氣流之間的角度，使氣流能夠平順地沿上翼面流過，另一方面也可增大翼切面的彎度，使氣流分離延緩，而且最大升力系數(shù)和臨界迎角也都得到提高。

該型飛機(jī)前襟驅(qū)動系統(tǒng)采用機(jī)械、液壓、電氣單余度配置，用于前緣襟翼的操作，共包括前后左右共四套前襟驅(qū)動裝置，每套驅(qū)動裝置均由前襟伺服板（集成在飛行控制計(jì)算機(jī)內(nèi)）、伺服機(jī)構(gòu)、作動筒和位置傳感器組成。前襟伺服機(jī)構(gòu)主要由電液伺服閥、電磁閥、液壓鎖和安全活門等組成，其接收飛行控制計(jì)算機(jī)的控制指令并驅(qū)動前襟作動筒運(yùn)動，完成前緣襟翼收放控制。該伺服機(jī)構(gòu)如出現(xiàn)問題將直接影響前緣襟翼的控制，也必然會降低飛行控制系統(tǒng)的可靠性，從而影響飛行品質(zhì)甚至波及飛行安全，在操作系統(tǒng)以電傳控制為主的三代機(jī)上，必須對此類問題進(jìn)行防范與解決。

AMESim是目前較為先進(jìn)的一種仿真平臺，它為機(jī)械、流體力學(xué)、控制系統(tǒng)和熱流體提供了一個聯(lián)合仿真的模擬環(huán)境，使用者可以利用其各個模型庫中的元件，研究實(shí)際環(huán)境中物理對象的動力學(xué)特性，其最主要的特點(diǎn)就是模塊化的建模思想和可視化的用戶界面。

本文所述的問題分析正是充分利用了AMESim仿真技術(shù)的優(yōu)勢，解決了液壓系統(tǒng)故障難建模、難定位的問題。

1 問題概述

2013年12月，在某型飛機(jī)地面通壓、通電測試過程中發(fā)現(xiàn)，其左機(jī)翼有嘯叫、振動的情況發(fā)生。通過仔細(xì)觀察，確認(rèn)嘯叫聲音是從飛機(jī)左機(jī)翼外側(cè)安裝的前襟伺服機(jī)構(gòu)上的電液伺服閥發(fā)出的，嘯叫同時還引起閥體兩負(fù)載腔與作動筒兩驅(qū)動腔連接的管路振動。該現(xiàn)象在后續(xù)的9架同型飛機(jī)上陸續(xù)出現(xiàn)。

2 機(jī)構(gòu)組成及工作原理

該型前襟伺服機(jī)構(gòu)為飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)前襟驅(qū)動子系統(tǒng)配套附件，其將指令電信號轉(zhuǎn)換為液壓流量控制信號，以控制作動筒運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)前襟收放。伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工作原理見圖2所示，飛機(jī)液壓系統(tǒng)的工作液在壓力作用下，進(jìn)入電液伺服閥和電磁閥。在電磁閥接通后，高壓油推動液壓鎖的閥芯，使電液伺服閥兩負(fù)載腔與前襟作動筒的工作腔連通，前襟作動筒在電液伺服閥的控制下運(yùn)動。當(dāng)襟翼系統(tǒng)發(fā)生故障后，由飛控計(jì)算機(jī)切斷電磁鐵的供電，液壓鎖的閥芯在彈簧的作用力下，恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)，從而鎖閉前襟作動筒的工作腔。當(dāng)前襟作動筒左右工作腔內(nèi)的油壓隨溫度或負(fù)載變化急劇增加，并超出安全設(shè)定值時，安全活門將油液釋放至回油管路，以保證伺服機(jī)構(gòu)和作動筒的結(jié)構(gòu)安全。

3 問題分析

裝機(jī)使用的前襟伺服機(jī)構(gòu)均為通過質(zhì)檢合格的產(chǎn)品，產(chǎn)品在內(nèi)廠調(diào)試、質(zhì)檢過程中工作正常，未出現(xiàn)嘯叫或振動的問題。該問題在前襟伺服機(jī)構(gòu)同批次產(chǎn)品中并沒有全部出現(xiàn)，部分與問題件同批次的產(chǎn)品在裝機(jī)工作過程中工作穩(wěn)定，反復(fù)試驗(yàn)都沒有出現(xiàn)上述問題。由此初步判斷：同批次產(chǎn)品可能存在個體差異，導(dǎo)致同批次產(chǎn)品裝機(jī)工作時有些出現(xiàn)嘯叫、振動現(xiàn)象，有些卻能夠一直穩(wěn)定工作。

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

對所有進(jìn)行過裝機(jī)測試的機(jī)件數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。表1為裝機(jī)后沒有出現(xiàn)嘯叫和振動問題、工作正常的機(jī)件編號及幅頻寬（-3dB）指標(biāo)。表2為裝機(jī)后出現(xiàn)振動和嘯叫問題、工作異常的機(jī)件編號及幅頻寬(-3dB)指標(biāo)。

表1 正常工作幅頻指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表1

表2 工作異常幅頻指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

通過對提交產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)整理，發(fā)現(xiàn)裝機(jī)后出現(xiàn)過問題的9臺產(chǎn)品幅頻寬（-3dB）指標(biāo)都在138Hz以上，而裝機(jī)后工作沒有出現(xiàn)問題的29臺產(chǎn)品幅頻寬（-3dB）指標(biāo)大部分在60Hz到120Hz范圍內(nèi)，其它性能指標(biāo)在問題產(chǎn)品和正常工作產(chǎn)品之間并沒有明顯區(qū)別，該成品協(xié)議指標(biāo)要求幅頻寬（-3dB）大于60Hz。

伺服閥幅頻寬指標(biāo)不同對產(chǎn)品裝機(jī)使用情況影響比較明顯，幅頻指標(biāo)大于120Hz的產(chǎn)品裝機(jī)后容易出現(xiàn)振動和嘯叫的問題；低于120Hz以下的不會出現(xiàn)，產(chǎn)品工作正常說明產(chǎn)品幅頻寬指標(biāo)高會影響產(chǎn)品在系統(tǒng)中工作的穩(wěn)定性。

3.2 工作環(huán)境差異分析

內(nèi)廠測試環(huán)境和外場測試環(huán)境區(qū)別在于：

1）負(fù)載不同。產(chǎn)品在內(nèi)廠測試和外場測試主要不同在于內(nèi)廠測試無負(fù)載，而外場測試都有真實(shí)負(fù)載。

2）油源壓力脈動頻率區(qū)別。

由此可見，產(chǎn)品內(nèi)廠、外場工作差異是由于產(chǎn)品本身頻率特性、負(fù)載不同和油源不同三個方面的原因造成的。下面通過在AMESim系統(tǒng)建立系統(tǒng)模型，對三個影響因素進(jìn)行仿真分析。

3.2.1 AMESim系統(tǒng)仿真分析

仿真模型作動筒、傳感器、控制信號、液壓油源、伺服閥參數(shù)設(shè)置與飛機(jī)系統(tǒng)實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)相同，仿真模型如圖3。

1）產(chǎn)品幅頻寬指標(biāo)對產(chǎn)品的影響

相同階躍指令下，前向放大系數(shù)為1，系統(tǒng)無任何干擾，改變伺服閥的幅頻寬，60Hz、80Hz、100Hz、120Hz和200Hz進(jìn)行對比，仿真效果見圖4~圖9。

紅色線代表60Hz伺服閥；綠色線代表80Hz伺服閥；藍(lán)色線代表100Hz伺服閥；粉色線代表120Hz伺服閥；青色線代表200Hz伺服閥。

根據(jù)上述定性分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）作動筒位移沒有發(fā)生波動，說明系統(tǒng)是穩(wěn)定的，與機(jī)上問題現(xiàn)象相符；

（2）高幅頻寬的伺服閥出口壓力要比低幅頻寬的閥出口壓力波動量大得多，屬于高頻振動，管路發(fā)生結(jié)構(gòu)諧振，發(fā)出嘯叫。

2）不同供油脈動頻率油源對相同幅頻寬產(chǎn)品的影響

相同階躍指令下，前向放大系數(shù)為1，系統(tǒng)無任何干擾，伺服閥的幅頻寬140HZ，對不同系統(tǒng)壓力進(jìn)行對比分析，仿真結(jié)果見圖10~圖13。

紅色線代表伺服閥供油壓力無波動20.6MPa。

綠色線代表伺服閥供油壓力均值為20.6MPa，含有頻率100Hz，幅值1MPa的壓力脈動信號。

藍(lán)色線代表伺服閥供油壓力均值為20.6MPa，含有頻率159Hz，幅值1MPa的壓力脈動信號。

粉色線代表伺服閥供油壓力均值為20.6MPa，含有頻率400Hz，幅值1MPa的壓力脈動信號。

系統(tǒng)進(jìn)油壓力脈動引起伺服閥閥芯驅(qū)動腔油液脈動，驅(qū)動腔油液脈動帶動閥芯不穩(wěn)定，窗口過流面積變化，引起負(fù)載腔輸出油液壓力脈動。

根據(jù)上述定性分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）從圖中可以看出，伺服閥幅頻寬設(shè)為140HZ，當(dāng)系統(tǒng)供油壓力脈動為140HZ時，伺服閥出口壓力脈動幅度最大。系統(tǒng)供油壓力脈動值和泵轉(zhuǎn)速成正比，一般為高頻，伺服閥幅頻寬越高也容易發(fā)生諧振共振；

（2）作動筒位移無震蕩，說明系統(tǒng)穩(wěn)定，與實(shí)際問題現(xiàn)象相符。

3）不同負(fù)載條件對產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響

相同階躍指令下，前向放大系數(shù)為1，系統(tǒng)無任何干擾，伺服閥的幅頻寬100HZ，對帶負(fù)載模型和不帶負(fù)載模型進(jìn)行對比分析，仿真模型如圖14和圖15，仿真結(jié)果見圖16～圖19。

紅色線代表帶負(fù)載模型A口壓力脈動；綠色線代表不帶負(fù)載模型A口壓力脈動。

根據(jù)上述定性分析可以得出，帶負(fù)載模型仿真結(jié)果中伺服閥負(fù)載A、B口壓力脈動很大，不帶負(fù)載模型仿真結(jié)果中伺服閥負(fù)載A、B口壓力平穩(wěn)。能夠解釋產(chǎn)品在內(nèi)廠測試時從未見異常，而在外場裝機(jī)使用會出現(xiàn)振動、嘯叫現(xiàn)象。

4）AMESim系統(tǒng)仿真結(jié)論

由以上仿真分析可以得出以下結(jié)論：

（1）伺服閥的幅頻寬越高，伺服閥壓力響應(yīng)越快，同時伺服閥負(fù)載口A、B口壓力脈動卻越大，系統(tǒng)匹配性越差；

（2）產(chǎn)品幅頻寬指標(biāo)與油源脈動頻率越接近，產(chǎn)品負(fù)載口壓力脈動越大；

（3）不同負(fù)載工況會影響伺服閥負(fù)載腔出口壓力脈動；

（4）從目前的系統(tǒng)參數(shù)看，作動筒位移無明顯震蕩，說明系統(tǒng)是穩(wěn)定的，仿真結(jié)果與問題現(xiàn)象相符合。

3.2.2 AMESim系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

通過對已裝機(jī)通壓、通電測試伺服機(jī)構(gòu)的幅頻寬指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品幅頻寬指標(biāo)范圍和問題現(xiàn)象有一定規(guī)律。產(chǎn)品幅頻寬指標(biāo)在60Hz～120 Hz范圍內(nèi)的產(chǎn)品裝機(jī)測試工作正常，不會出現(xiàn)嘯叫或振動現(xiàn)象；幅頻寬指標(biāo)在120Hz～140 Hz范圍內(nèi)的產(chǎn)品裝機(jī)測試現(xiàn)象不確定；幅頻寬指標(biāo)在140 Hz以上的產(chǎn)品裝機(jī)測試大部分會不同程度的出現(xiàn)嘯叫或振動現(xiàn)象，個別產(chǎn)品也能正常工作。

以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和仿真分析相互驗(yàn)證了降低閥的幅頻寬指標(biāo)可以提高產(chǎn)品工作穩(wěn)定性。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與糾正措施

2014年11月，對三臺裝機(jī)后出現(xiàn)問題現(xiàn)象的機(jī)件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證伺服閥編號S2309346原幅頻寬指標(biāo)為155Hz，重調(diào)后指標(biāo)降為103Hz；驗(yàn)證伺服閥編號S2309347原幅頻寬指標(biāo)為138Hz，重調(diào)后指標(biāo)降為104Hz；驗(yàn)證伺服閥編號S2311361原幅頻寬指標(biāo)為183Hz，重調(diào)后指標(biāo)降為85Hz。重調(diào)后降低幅頻寬指標(biāo)的三臺伺服閥在原測試平臺上重新進(jìn)行測試，問題現(xiàn)象消除，系統(tǒng)工作正常。

2014年12月，對另5臺沒有裝機(jī)測試過的產(chǎn)品，降低頻率后裝機(jī)測試，伺服閥機(jī)上工作正常，沒有出現(xiàn)問題現(xiàn)象，伺服閥返修前后幅頻寬指標(biāo)見表3。

表3 工作正常幅頻指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

綜合上述問題分析和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論判斷，前襟伺服機(jī)構(gòu)出現(xiàn)嘯叫、振動現(xiàn)象是由于伺服閥幅頻寬指標(biāo)太高，導(dǎo)致其工作穩(wěn)定性差。在機(jī)上環(huán)境使用，伺服閥穩(wěn)定性差的特性顯現(xiàn)，負(fù)載腔壓力脈動通過硬管油路傳遞給機(jī)翼，由于每臺產(chǎn)品負(fù)載腔壓力脈動幅值不同，所以出現(xiàn)的問題有嘯叫和振動的區(qū)別。

伺服閥幅頻寬指標(biāo)要求為大于60Hz，考慮幅頻寬太高會導(dǎo)致閥工作穩(wěn)定性變差，可修改幅頻寬指標(biāo)要求為60 Hz至120 Hz，以防止該問題的發(fā)生。

5 結(jié)語

前襟伺服機(jī)構(gòu)幅頻寬指標(biāo)變化范圍比較大，部分幅頻寬指標(biāo)較高的機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定性降低，在機(jī)上工作過程中出現(xiàn)不同程度的負(fù)載腔油液壓力脈動，引起振動或嘯叫的問題現(xiàn)象。通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，在伺服閥幅頻寬指標(biāo)要求的范圍內(nèi)，降低幅頻寬指標(biāo)至（60～120）Hz，可以提高前襟伺服機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定性，排除嘯叫或振動的問題，滿足飛行控制系統(tǒng)使用要求，獲得更好的飛行品質(zhì)并保證飛行安全。

[1]飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊·第14冊 起飛著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京：航空工業(yè)出版社，2002．

[2]李成功，和彥淼．液壓系統(tǒng)建模與仿真分析．北京：航空工業(yè)出版社，2006．

[3]龔進(jìn)，郭勇．AMESim仿真技術(shù)在小型液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用．機(jī)電工程技術(shù)，2007，10．

>>>作者簡介

徐俊仕，男，1979年12月出生，2007年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事裝備質(zhì)量管理工作。

摘 要：翼形布局的干涉儀其布陣方式與傳統(tǒng)干涉儀不同，需要尋求新的測向方法。本文分析了一維干涉儀測向情況，并由此得出翼形布局干涉儀天線測向方法。實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果表明，該方法測向精度滿足應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：干涉儀；翼形；測向

Analysis and Solution to Whistling Problem on Leading-edge Flaps Based on AMESim Simulation Technology

Xun Junshi,Liu Sifei,Liu Hao
(Military Representative Office in 320 Factory,Nanchang Jiangxi,330024)

As to the whistling problem occurred while retracting and extending the leading-edge flaps of a certain type of aircraft,study is carried out for the operating principle of the leading-edge flap servo mechanism.The root cause is found out through data statistical analysis and AMESim system simulation analysis.Meanwhile,solution is figured out by combining the simulation of the steady models of the servo mechanism under different operating conditions with the test statistical data,which can provide reference for the subsequent flight tests of this type of aircraft.

Leading-edge flaps；Simulation；Whistling

2017-02-25）