基于AMESim的直升機(jī)魚叉液壓系統(tǒng)的建模與仿真

羅 江，賀國洋

(中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)著艦裝置是供直升機(jī)快速安全著陸并系留在飛行甲板上的裝置，主要有兩種形式：拉降式和魚叉格柵式。

拉降式著艦裝置：適用于艦艇橫搖±28°～31°、縱搖±5°～8°，甲板升沉1.5～6m/s的情況下，將直升機(jī)拉降著艦并快速系留。直升機(jī)準(zhǔn)備著艦時，機(jī)上放出主探管，從中用引索將艦上的拉降索引入直升機(jī)內(nèi)并卡定后，艦上拉降絞車收緊拉降索拉直升機(jī)下落；著艦時，機(jī)上主探管插入夾緊機(jī)構(gòu)，把直升機(jī)系留在甲板上。為防止飛機(jī)在運(yùn)動的甲板上側(cè)向滾動，飛行員放出尾探管，卡在甲板的格柵中，把機(jī)尾固定。魚叉格柵式著艦裝置：適用于艦艇橫搖±8°、縱搖±2°的情況，由設(shè)在直升機(jī)底部的魚叉鎖緊機(jī)構(gòu)和艦艇飛行甲板上的一個直徑約2.5m的格柵構(gòu)成，直升機(jī)通過魚叉裝置著艦并快速系留。直升機(jī)在著艦前放下魚叉鎖緊機(jī)構(gòu)，著艦時魚叉鎖緊機(jī)構(gòu)插入艦上格柵內(nèi)，鎖銷立即鎖定，把直升機(jī)系留在甲板上。由于魚叉格柵式具有重量輕、體積小、安裝方便和易于維護(hù)等特點，目前小型直升機(jī)在艦船上的著艦裝置普遍采用魚叉格柵式。本文主要針對直升機(jī)魚叉液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究。

隨著仿真理論與計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，仿真技術(shù)已在工程系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)與科學(xué)研究中得到了廣泛的運(yùn)用，它使新產(chǎn)品在最短時間內(nèi)以最低成本投入市場，縮短了研究周期，降低了科研成本與風(fēng)險，提高了科學(xué)研究水平，加速了科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的進(jìn)程。若是能將仿真技術(shù)運(yùn)用在直升機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計中，確定設(shè)計參數(shù)最佳匹配，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將會提升設(shè)計水平，縮短研制周期。目前具有代表性的液壓系統(tǒng)仿真平臺軟件有：英國的Bathfp、瑞典的Hopsan、德國的DSH+、美國波音的Easy5和法國的AMESim，其中法國Imagine公司在總結(jié)之前實施于航空航天工業(yè)和傳統(tǒng)液壓行業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)建模和設(shè)計仿真的寶貴經(jīng)驗后，所提出的液壓系統(tǒng)仿真平臺AMESim，已成為流體、機(jī)械、熱分析、電磁及控制等復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真的優(yōu)選平臺。與其它仿真軟件相比，AMESim有更好的仿真環(huán)境和二次開發(fā)平臺[1,2]。

本文首先介紹了直升機(jī)魚叉液壓系統(tǒng)的組成和工作原理，然后基于原理圖利用AMESim平臺建立了某型機(jī)魚叉液壓系統(tǒng)模型[3,4]，并運(yùn)用該模型對魚叉液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

1 魚叉液壓系統(tǒng)的組成及工作原理

魚叉液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示，包括：1個單向閥、3個電磁閥(2個二位三通電磁閥、1個二位二通電磁閥)、2個快卸自封接頭、1個減壓閥、1個魚叉蓄壓器和一個魚叉裝置。其中，電磁閥1：收放電磁閥，控制魚叉收放；電磁閥2：卸載電磁閥，用作魚叉液壓旁通和卸荷；電磁閥3：開鎖電磁閥，用于魚叉裝置鎖鉤開鎖；魚叉裝置：魚叉液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由魚叉收放作動筒、掛鉤和鎖鉤作動筒組成，魚叉收放作動筒根據(jù)使用要求采用直線式往復(fù)運(yùn)動作動筒，通過進(jìn)入作動筒上下腔的壓力差來實現(xiàn)作動筒的收放，鎖鉤作動筒是魚叉裝置鎖閉機(jī)械，采用單向作用式作動筒，即插銷靠彈簧力，拔銷靠液壓力作用。

直升機(jī)著艦后，駕駛員按壓總距桿上的魚叉收放按鈕，魚叉裝置由輔助系統(tǒng)供壓，輔助系統(tǒng)壓力油進(jìn)入魚叉裝置下腔，隨著收放電磁閥和卸載電磁閥同時工作，壓力油進(jìn)入魚叉裝置上腔，并使魚叉收放作動筒上下腔壓強(qiáng)相等，由于作動筒上下腔面積差的原因，魚叉上下腔形成壓力差，魚叉迅速放下，整個放下時間控制在0.6～1.5s范圍內(nèi)，魚叉頭部導(dǎo)向件自動滑入格柵孔內(nèi)，掛鉤的凸出部分撞擊格柵肋，使得鎖鉤克服對中彈簧的彈簧力繞軸向點轉(zhuǎn)動，此時鎖鉤作動筒的插銷插入兩個掛鉤之間，將掛鉤鎖??；正常收魚叉時，卸載電磁閥工作，使魚叉壓力瞬間降低，以減低開鎖摩擦力，0.15s后開鎖電磁閥工作，使得輔助系統(tǒng)壓力油經(jīng)開鎖電磁閥到鎖鉤作動筒下腔，鎖鉤作動筒在下腔壓力油作用下，將鎖銷拔出，此時鎖鉤在對中彈簧力作用下開鎖，開鎖時間不大于0.5s。在收放作動筒上腔和開鎖作動筒上腔間安裝有單向閥，目的是為了將開鎖作動筒上腔壓力卸掉。開鎖后，切斷卸載電磁閥，收放作動筒在上下腔壓力差作用下迅速收起魚叉，整個收上時間控制在1.5～2.5s范圍內(nèi)。

圖1 魚叉系統(tǒng)原理圖

2 魚叉液壓系統(tǒng)模型的建立與仿真

2.1 仿真模型

針對魚叉系統(tǒng)原理圖建立如圖2所示的魚叉系統(tǒng)仿真模型。通過AMESim的信號控制庫、液壓庫、液壓元件庫和機(jī)械庫建立魚叉液壓系統(tǒng)模型，通過平面機(jī)械庫建立魚叉裝置的模型[5]。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

AMESim液壓元件設(shè)計模塊中包含多種液壓元件[5]，可以方便地依據(jù)實際情況建立所需的液壓系統(tǒng)模型。依據(jù)魚叉液壓系統(tǒng)實際工作要求，對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

1)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min，系統(tǒng)中電動泵的排量q=3cc/r，則系統(tǒng)工作流量為3L/min。

2)減壓閥原理圖如圖3所示。

圖2 魚叉系統(tǒng)仿真模型

圖3 減壓閥原理圖

Fjet=2·Cq·π·Ds·xv·|Pin-Pout|·cos(αjet)

(2)

由上述(1)、(2)兩式可得：

xv=

(3)

其中，Kequiv為彈簧剛度，xv為閥芯位移，F(xiàn)jet為穩(wěn)態(tài)液動力，A為作用面積，Pcrack為開啟壓力，Ds為閥芯等效直徑，αjet為閥口流體射流角度，在閥小開口情況下，對于具有尖孔而且不考慮閥芯和閥套之間的間隙，θ一般取69°。要使減壓閥定值輸出11MPa，減壓閥參數(shù)設(shè)置：開啟壓力為11MPa，彈簧剛度為50N/mm，閥芯等效直徑為8mm，閥芯最大位移為2mm。

3)鎖鉤作動筒內(nèi)選用的彈簧為HB3-53-3×16×50Ⅱ,查航標(biāo)可得G=78GPa，鋼絲直徑d=3mm，有效圈數(shù)n=9.5，彈簧中徑D=16-3=13mm，彈性系數(shù)：

系統(tǒng)模型主要參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果

根據(jù)魚叉液壓系統(tǒng)工作原理，對仿真模型中的電磁閥1輸入設(shè)置如下[5,6]：0～1.25s范圍內(nèi)，輸入信號為40(電磁閥輸入范圍0～40，0對應(yīng)斷開，40對應(yīng)接通)；1.25～16s范圍內(nèi)，輸入信號為0。

電磁閥2設(shè)置如下：0～1.25s范圍內(nèi)，輸入信號為40(電磁閥輸入范圍0-40，0對應(yīng)斷開，40對應(yīng)接通)；1.25～11.25s范圍內(nèi)，輸入信號為0；11.25～11.75s范圍內(nèi)，輸入信號為40；11.75～11.85s范圍內(nèi)，輸入信號由40線性減至0； 11.85～16s范圍內(nèi)，輸入信號為0。

電磁閥3設(shè)置如下：0～11.4s范圍內(nèi)，輸入信號為0；11.4～11.75s范圍內(nèi)，輸入信號為40；11.75～11.85s范圍內(nèi)，輸入信號由40線性減至0；11.85～16s范圍內(nèi)，輸入信號為0。

仿真時間為16s，仿真步長為0.01s。

1)通過仿真計算后得出魚叉收放作動筒上下腔壓力、鎖鉤作動筒上下腔壓力仿真結(jié)果，如圖4和圖5所示。

圖4 收放作動筒上下腔壓力

圖5 鎖鉤作動筒上下腔壓力

圖4中，在0～1s范圍內(nèi)，輔助系統(tǒng)壓力油進(jìn)入魚叉裝置下腔，隨著收放電磁閥和卸載電磁閥同時工作，壓力油進(jìn)入魚叉裝置上腔，并使魚叉收放作動筒上下腔壓強(qiáng)趨于相等，魚叉在壓力差作用下迅速放下； 4.25～7s范圍內(nèi)，輔助系統(tǒng)停止供壓，蓄壓器向作動筒下腔供壓，作動筒上腔回油，魚叉將直升機(jī)拉在格柵上；11.25～11.75s范圍內(nèi)，隨著電磁閥2接通，作動筒下腔壓力迅速降低，降低開鎖摩擦力；11.85～13s范圍內(nèi)，隨著電磁閥2斷開，輔助系統(tǒng)壓力油進(jìn)入魚叉裝置下腔，魚叉裝置在全壓下快速收起。

圖5中，11.4～11.75s范圍內(nèi)，隨著電磁閥3接通，鎖鉤作動筒下腔壓力迅速升高，鎖鉤作動筒在下腔壓力油作用下，將鎖銷拔出。

2)收放作動筒活塞位移如圖6所示。放下時間為1s，收上時間為1.61s。

3)運(yùn)用AMESim的批處理功能設(shè)置活塞桿半徑為30mm、38mm、42mm時，活塞位移與時間的變化曲線，如圖7所示。結(jié)果表明，活塞桿直徑越小，放下時間越短。

圖6 收放作動筒活塞位移

圖7 活塞桿直徑對活塞收放時間的影響

4)工作溫度主要是影響油液性能，進(jìn)而對液壓系統(tǒng)的工作產(chǎn)生影響。本節(jié)通過改變油液溫度這一參數(shù)來分析工作溫度因素對液壓系統(tǒng)性能的影響，我們的液壓系統(tǒng)一般使用國外的MIL-H-83282液壓油或國產(chǎn)15號航空液壓油作為工作油液，但在AMESim軟件中沒有15號航空液壓油的屬性，考慮到MIL-H-5606液壓油與15號航空液壓油性能相近，因此本文中利用MIL-H-5606液壓油與MIL-H-83282液壓油進(jìn)行油液因素的影響分析。圖8所示為在-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃工作溫度下收放作動筒活塞位移，圖9所示為采用MIL-H-83282和MIL-H-5606液壓油時收放作動筒活塞位移。從0℃～60℃溫度范圍內(nèi)收放作動筒活塞收放時間可以看出，在這一溫度范圍內(nèi)，因油液性能變化很小，所以在該溫度范圍內(nèi)，活塞收放時間隨工作溫度基本無變化；在-20℃～0℃溫度范圍內(nèi)，因油液性能有較小變化，活塞收放時間隨工作溫度有較小變化。從圖9可以看出，20℃下采用MIL-H-83282和MIL-H-5606兩種液壓油時收放作動筒活塞收放時間基本一致。

5)圖10所示為減壓閥流阻為 3、6、9、12bar時的收放作動筒活塞位移，圖11所示為電磁閥2流阻為3、6、9、12bar時收放作動筒活塞位移。仿真結(jié)果表明，減壓閥流阻在3～12bar范圍內(nèi)，流阻對收放作動筒活塞收放時間影響不大。電磁閥2流阻在3～12bar范圍內(nèi)，收放作動筒活塞放下時間隨著流阻的增大而加長；收放作動筒活塞收上時間隨著流阻的增大而變短。因此在設(shè)計系統(tǒng)時，流阻的選取對于整個系統(tǒng)性能的好壞有著重要的影響[4]。

圖8 不同工作溫度下收放作動筒活塞位移

圖9 20℃下不同工作液時收放作動筒活塞位移

圖10 不同的減壓閥流阻下收放作動筒活塞位移

圖11 不同的電磁閥2流阻下收放作動筒活塞位移

6)蓄壓器壓力值變化如圖12所示，蓄壓器氣體體積變化如圖13所示。為了保證收放魚叉后給魚叉蓄壓器充足壓力，輔助液壓系統(tǒng)會在電磁閥斷開后繼續(xù)工作3s，3s后切斷供電。通過仿真計算，魚叉蓄壓器會分別在電磁閥斷開后0.75s和2.21s達(dá)到14bar；在140bar工作壓力下的蓄壓器的氣體體積為0.7402557L。

圖12 蓄壓器壓力值變化

圖13 蓄壓器氣體體積變化

7)魚叉裝置鎖閉與打開狀態(tài)如圖14所示，本文運(yùn)用AMESim的平面機(jī)械庫建立魚叉鎖鉤的模型，通過鎖鉤作動筒活塞作用于兩個拉桿件來控制魚叉裝置的開與合。經(jīng)過AMESim動畫驗證，該模型能夠正?？刂启~叉裝置的開與合。

圖14 魚叉裝置鎖閉與打開狀態(tài)

2.4 試驗數(shù)據(jù)和理論計算分析

1)魚叉試驗臺記錄的魚叉作動筒放下時間分別為1.0919s-1.2409s，魚叉作動筒收上時間為1.65s-1.81s；

2)蓄壓器的結(jié)構(gòu)容積為V0，充入氣體的壓力為P0，蓄壓器的工作壓力范圍為P1-P2(110-140bar),根據(jù)氣體狀態(tài)方程有：

(5)

其中n為氣體多變過程指數(shù)。

在絕熱情況下，n=1.4，

(6)

(7)

Q=Q1+Q2

(8)

(9)

(10)

3 結(jié)論

通過對魚叉液壓系統(tǒng)收放工況下的仿真分析得知，該魚叉液壓系統(tǒng)仿真模型滿足魚叉液壓系統(tǒng)原理設(shè)計要求和動態(tài)特性，可用于魚叉液壓系統(tǒng)動態(tài)性能的分析預(yù)測，得出結(jié)論如下：

1)魚叉收放作動筒上下腔壓力、鎖鉤作動筒上下腔壓力仿真結(jié)果滿足系統(tǒng)實際工作要求，魚叉作動筒放下和收上時間與試驗數(shù)據(jù)基本一致；

2)針對收放作動筒收放時間的主要影響因素，運(yùn)用AMESim的批處理功能研究活塞桿直徑對收放時間的影響規(guī)律，結(jié)果表明，在經(jīng)驗結(jié)構(gòu)系數(shù)范圍內(nèi)選取活塞桿直徑，活塞桿直徑越小，放下時間越短；

3)通過對魚叉液壓系統(tǒng)工作原理進(jìn)行研究，了解魚叉液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和魚叉電控系統(tǒng)原理，建立魚叉液壓系統(tǒng)的仿真模型，研究工作溫度、工作液和流阻對系統(tǒng)收放時間的影響，為系統(tǒng)分析提供理論依據(jù)；

4)經(jīng)過仿真驗證，蓄壓器能夠在電磁閥停止工作、輔助系統(tǒng)延遲工作3s內(nèi)，分別保證放下和收上魚叉后給魚叉蓄壓器充足壓力；

5)經(jīng)過AMESim動畫驗證，該模型能夠正?？刂启~叉裝置的開與合。

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