某型通航飛機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷仿真研究

豐世林

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

0 引言

針對(duì)一架飛機(jī)而言，液壓系統(tǒng)正常工作對(duì)保障飛機(jī)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。在通航飛機(jī)中，由于飛機(jī)體型較小，液壓系統(tǒng)只應(yīng)用于起落架收放系統(tǒng)、襟翼收放系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)。本文針對(duì)某型通航飛機(jī)液壓系統(tǒng)展開研究，在該機(jī)型中，液壓系統(tǒng)僅僅用于起落架的收放[1-2]。

從公開的資料看，在國(guó)外，波音和空客公司都提供了各自飛機(jī)液壓系統(tǒng)的相關(guān)資料，包括液壓系統(tǒng)工作過程，狀態(tài)參數(shù)的變化情況等；在國(guó)內(nèi)，西北工業(yè)大學(xué)馬存寶教授等對(duì)大型飛機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了建模和故障診斷研究；空軍工程大學(xué)張忠、周瑞祥等對(duì)用于起落架收放的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析；南京航空航天大學(xué)李闖、張明等從設(shè)計(jì)角度對(duì)飛機(jī)起落架收放液壓系統(tǒng)進(jìn)行了分析和驗(yàn)證[3-8]。

綜上所述，本文對(duì)通航飛機(jī)用于起落架收放的液壓系統(tǒng)從維護(hù)角度進(jìn)行了故障診斷仿真研究，分析了系統(tǒng)氣塞和系統(tǒng)泄漏對(duì)起落架收放的影響，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，為該機(jī)型液壓系統(tǒng)機(jī)務(wù)維護(hù)提供技術(shù)支持。

1 液壓系統(tǒng)工作原理

1.1 起落架收起

當(dāng)飛機(jī)起飛離地達(dá)到安全高度，就要收起起落架。起落架收放液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示，駕駛艙中起落架收放手柄被打到收上位，通過機(jī)械鋼索將信號(hào)送到起落架收放選擇活門，選擇左位工作，高壓油從右側(cè)進(jìn)入三個(gè)起落架收放作動(dòng)筒下腔，上腔回油，推動(dòng)作動(dòng)筒活塞桿縮回，使起落架收上。起落架收上后，收上管路液壓油路被切斷，壓力油被封閉在管路內(nèi)，使起落架保持在收上位。即使起落架重量小，也可靠液鎖將起落架固定在收上位。

1.2 起落架放下

當(dāng)飛機(jī)準(zhǔn)備著陸之前，在空中就要放起落架。駕駛艙中起落架收放手柄被打到放下位，通過機(jī)械鋼索將信號(hào)送到起落架收放選擇活門，選擇右位工作，高壓油從左側(cè)進(jìn)入三個(gè)起落架收放作動(dòng)筒上腔，下腔回油，推動(dòng)作動(dòng)筒活塞桿伸出，使起落架放下。

圖1 起落架收放液壓系統(tǒng)原理圖

2 液壓系統(tǒng)仿真建模

2.1 相關(guān)參數(shù)

根據(jù)該機(jī)型維護(hù)手冊(cè)和實(shí)際尺寸，得到該機(jī)型液壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示[2]。

表1 液壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

根據(jù)表1的相關(guān)參數(shù)，電動(dòng)機(jī)功率為：

W=UI=21 V·15 A=360 W=0.36 kW

(1)

式中，W為驅(qū)動(dòng)齒輪泵的電動(dòng)機(jī)功率；U為驅(qū)動(dòng)齒輪泵的電動(dòng)機(jī)電壓；I為驅(qū)動(dòng)齒輪泵的電動(dòng)機(jī)電流。齒輪泵功率為：

W=PQ/(60·η)

(2)

式中，P為齒輪泵額定壓力；Q為齒輪泵額定流量。

可求出齒輪泵額定流量：

(3)

式中，η為齒輪泵效率。

根據(jù)表1的相關(guān)參數(shù)，可以計(jì)算出收起落架時(shí)和放下起落架時(shí)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

2.1.1 收起落架時(shí)

活塞桿運(yùn)動(dòng)速度：

(4)

活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)間：

(5)

活塞桿能推動(dòng)的負(fù)載：

(6)

式中，kgf表示公斤力，20 kgf表示起落架重量是20 kg，要使起落架進(jìn)行收放，活塞桿必須至少承受20 kgf負(fù)載。

2.1.2 放下起落架時(shí)

活塞桿運(yùn)動(dòng)速度：

(7)

活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)間：

(8)

活塞桿能推動(dòng)的負(fù)載：

(9)

2.2 AMESim仿真

LMS Imagine.Lab AMESim是多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)。本文根據(jù)AMESim軟件建立起落架收放液壓系統(tǒng)仿真模型如圖2所示[9]。

圖2 起落架收放液壓系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)圖2建立的模型，首先得到理想情況下的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果以主起落架活塞桿運(yùn)動(dòng)位移為對(duì)象?？紤]在收上—收上保持液鎖—放下一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)活塞桿的位移量。根據(jù)該機(jī)型維護(hù)手冊(cè)可知理想收上或放下時(shí)間為6 s，故障時(shí)不超過12 s，以每個(gè)階段設(shè)置15 s來進(jìn)行仿真，方便后面分析故障狀態(tài)。根據(jù)仿真結(jié)果得到理想情況下活塞桿位移線圖如圖3所示。

圖3 理想情況下活塞桿位移線圖

從圖3可以看出，仿真的結(jié)果與實(shí)際計(jì)算結(jié)果相符，說明仿真模型正確，可以將該模型應(yīng)用于故障診斷。

3 液壓系統(tǒng)故障診斷

根據(jù)實(shí)際維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，該機(jī)型液壓系統(tǒng)常見故障類型包括系統(tǒng)氣塞和系統(tǒng)泄漏。本文首先分別分析系統(tǒng)氣塞和系統(tǒng)泄漏單一故障影響，再分析系統(tǒng)氣塞和系統(tǒng)泄漏的綜合影響。

3.1 系統(tǒng)氣塞仿真

液體與氣體共存時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)兩種情況，一是氣體完全溶解，此時(shí)對(duì)液體的可壓縮性沒有影響；二是存在自由運(yùn)動(dòng)的空氣，這時(shí)就產(chǎn)生氣塞，此時(shí)流體的剛度將降低，液體受壓，體積縮小很大。

產(chǎn)生氣塞現(xiàn)象時(shí)，主要從液體密度和壓力的關(guān)系來分析，密度是壓力的函數(shù)，并與液體的彈性模量有關(guān)。

(10)

式中，Bf為油液的彈性模量；ρf為油液的密度；Patm為大氣壓力；T為溫度。

當(dāng)液體的彈性模量為恒定值時(shí)，密度與壓力呈指數(shù)關(guān)系變化。

(11)

在AMESim軟件中可以進(jìn)行批處理，設(shè)置流體特性圖標(biāo)的空氣含量參數(shù)為全局變量，并以該參數(shù)設(shè)置成批處理參數(shù)?？諝夂吭O(shè)置成0、6%、12%、18%、24%、30%共6種情況，不同空氣含量參數(shù)活塞桿位移線圖如圖4所示。

圖4 不同空氣含量參數(shù)活塞桿位移線圖

根據(jù)圖4可以看出，氣塞對(duì)收起落架影響比較大，空氣含量越大，起落架收上到位所需時(shí)間就越長(zhǎng)。正常情況下收上到位需要6 s，當(dāng)空氣含量達(dá)到30%時(shí)，收上到位需要12.05 s，超過了維護(hù)手冊(cè)規(guī)定的12 s的警戒值。

放下管路的氣塞對(duì)放下過程影響不明顯，這是由于起落架支柱上的助力彈簧有幫助起落架放下到位上鎖的輔助力量。

根據(jù)公式10和公式11，液壓油中有空氣，彈性模量降低，從而導(dǎo)致密度與壓力都降低[9]，導(dǎo)致活塞桿運(yùn)動(dòng)到位的時(shí)間延長(zhǎng)。因此，仿真結(jié)果符合理論推導(dǎo)。

3.2 系統(tǒng)泄漏仿真

泄漏現(xiàn)象非常復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化仿真過程，采用一個(gè)節(jié)流孔和齒輪泵并聯(lián)。通過設(shè)置節(jié)流孔直徑的大小來仿真系統(tǒng)泄漏的嚴(yán)重程度。

采用小孔節(jié)流原理，利用伯努利方程推導(dǎo)。在AMESim中用修正的伯努利方程來計(jì)算流量[9-10]。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，得到：

ρArvr=ρAvcvvc

(12)

式中，Ar為節(jié)流孔的面積；vr為節(jié)流孔處的流速；Avc為縮流斷面的面積；vvc為縮流斷面處的流速；ρ為液體的密度。

根據(jù)伯努利方程，得到：

(13)

式中，Q為通過薄壁口的流量；Aup為孔口上游通道斷面的面積；Pup為孔口上游通道斷面處的壓力；Pvc為縮流斷面處的壓力。

根據(jù)上面兩個(gè)公式可以推導(dǎo)出：

(14)

式中，Pd為通過薄壁口的流量；Cd、Cq為流量系數(shù)。

不同節(jié)流孔縫隙下活塞桿位移線圖如圖5所示。

從圖5可以看出，液壓系統(tǒng)泄漏對(duì)起落架收、放影響都比較大。節(jié)流孔縫隙越大，導(dǎo)致起落架收放時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)節(jié)流孔直徑達(dá)到1.5 mm時(shí)，不論是收上還是放下，時(shí)間都超過手冊(cè)規(guī)定的12 s的警戒值。

根據(jù)式12～式14，系統(tǒng)泄漏量越大，導(dǎo)致系統(tǒng)可用油量越低，活塞桿運(yùn)動(dòng)到位所需時(shí)間延長(zhǎng)，仿真結(jié)果符合理論推導(dǎo)。

圖5 不同節(jié)流孔縫隙下活塞桿位移線圖

3.3 氣塞+泄漏仿真

在實(shí)際工作過程中，一般會(huì)同時(shí)出現(xiàn)氣塞和泄漏現(xiàn)象，本文分別以節(jié)流孔縫隙為0.1 mm、0.5 mm、1 mm三種情況分別和氣塞一起仿真。

3.3.1 節(jié)流孔縫隙為0.1 mm

設(shè)置節(jié)流孔縫隙為0.1 mm，氣塞空氣含量分別為0、6%、12%、18%、24%、30%，不同空氣含量參數(shù)活塞桿位移線圖如圖6。

根據(jù)圖6可以看出，節(jié)流孔縫隙為0.1 mm時(shí)，如果沒有氣塞，收上到位需要6.15 s，當(dāng)空氣含量為30%時(shí)，收上到位需要12.05 s，超過手冊(cè)規(guī)定的12 s的警戒值。

圖6 節(jié)流縫隙為0.1 mm不同空氣含量參數(shù)活塞桿位移線圖

3.3.2 節(jié)流孔縫隙為0.5 mm

設(shè)置節(jié)流孔縫隙為0.5 mm，氣塞空氣含量分別為0、6%、12%、18%、24%、30%，不同空氣含量參數(shù)活塞桿位移線圖如圖7所示。

根據(jù)圖7可以看出，節(jié)流孔縫隙為0.5 mm時(shí)，如果沒有氣塞，收上到位需要6.55 s，當(dāng)空氣含量為30%時(shí)，收上到位需要12.6 s，超過手冊(cè)規(guī)定的12 s的警戒值。

圖7 節(jié)流縫隙為0.5 mm不同空氣含量參數(shù)活塞桿位移線圖

3.3.3 節(jié)流孔縫隙為1 mm

設(shè)置節(jié)流孔縫隙為1 mm，氣塞空氣含量分別為0、6%、12%、18%、24%、30%，不同空氣含量參數(shù)活塞桿位移線圖如圖8所示。

根據(jù)圖8可以看出，節(jié)流孔縫隙為1 mm時(shí)，如果沒有氣塞，即空氣含量為0，收上到位需要8.2 s，當(dāng)空氣含量為30%時(shí)，收上到位需要14.3 s，大大超過手冊(cè)規(guī)定的12 s的警戒值。

圖8 節(jié)流縫隙為1 mm不同空氣含量參數(shù)活塞桿位移線圖

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)仿真結(jié)果可知：

(1)只有氣塞故障時(shí)：空氣含量越大，起落架收上到位所需時(shí)間就越長(zhǎng)。正常情況下收上到位需要6 s，當(dāng)空氣含量達(dá)到30%時(shí)，收上到位需要12.05 s，超過了維護(hù)手冊(cè)規(guī)定的12 s的警戒值。

(2)只有泄漏故障時(shí)：節(jié)流孔縫隙越大，導(dǎo)致起落架收放時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)節(jié)流孔直徑達(dá)到1.5 mm時(shí)，不論是收上還是放下，時(shí)間都超過手冊(cè)規(guī)定的12 s的警戒值。

(3)氣塞和泄漏同時(shí)故障時(shí)：節(jié)流孔縫隙為0.1 mm時(shí)，如果沒有氣塞，收上到位需要6.15 s，當(dāng)空氣含量為30%時(shí)，收上到位需要12.05 s，超過手冊(cè)規(guī)定的12 s的警戒值。節(jié)流孔縫隙為0.5 mm時(shí)，如果沒有氣塞，收上到位需要6.55 s，當(dāng)空氣含量為30%時(shí)，收上到位需要12.6 s，超過手冊(cè)規(guī)定的12 s的警戒值。節(jié)流孔縫隙為1 mm時(shí)，如果沒有氣塞，即空氣含量為0，收上到位需要8.2 s，當(dāng)空氣含量為30%時(shí)，收上到位需要14.3 s，大大超過手冊(cè)規(guī)定的12 s的警戒值。

根據(jù)該機(jī)型長(zhǎng)期對(duì)收放系統(tǒng)的使用及故障數(shù)據(jù)的記錄，本文的仿真結(jié)果和該機(jī)型實(shí)際的運(yùn)行故障數(shù)據(jù)基本吻合，所以本文的液壓系統(tǒng)仿真與故障診斷研究是可信的。本文的分析為該型飛機(jī)的液壓系統(tǒng)維護(hù)起到一定的參考作用，為該機(jī)型機(jī)務(wù)維修提供技術(shù)支持。

[1] 任仁良，張鐵純.渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2006：84-123.

[2] 李新德.液壓系統(tǒng)故障診斷與維修技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009：25-68.

[3] 和麟，梁麗嬡，馬存寶.基于健康管理的起落架液壓收放系統(tǒng)仿真[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2015(6)：19-22，36.

[4] 田佳杰，賈玉紅.大型民機(jī)起落架收放系統(tǒng)建模與仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016(5)：48-52.

[5] 陳偉，王亮，李偉，等.特種車輛液壓裝置綜合診斷與健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2013(1)：56-62.

[6] 尚澤譯，龍江.基于AMESim的柱塞泵內(nèi)泄漏故障注入研究[J].西安航空學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，34(1)：24-29.

[7] 蔡偉，張碩，戴民強(qiáng)，等.基于AMEsim的電磁閥仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16(28)：80-84.

[8] 李新德.液壓系統(tǒng)故障診斷與維修技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009：25-68.

[9] 梁全，謝基晨，聶利衛(wèi).液壓系統(tǒng)AMESim計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)階教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[10] 侯艷艷，曹克強(qiáng)，李小剛，等.基于AMESim 的先導(dǎo)式溢流閥故障仿真分析[J].液壓與氣動(dòng)，2014(12)：102-104.