基于流量控制的飛機液壓系統(tǒng)故障試飛模擬仿真

張聰

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

0 引言

液壓系統(tǒng)在傳動上具有可以無級變速、自身質(zhì)量較輕等優(yōu)勢，在飛機、無人機等各領(lǐng)域上都有著廣泛應(yīng)用[1]。但液壓系統(tǒng)傳動結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，尤其是基于流量控制的液壓系統(tǒng)，由于分流不均勻容易出現(xiàn)供能不穩(wěn)定等等的問題[2]。因此將液壓驅(qū)動系統(tǒng)分成兩種即數(shù)控液壓驅(qū)動系統(tǒng)和機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)來建立一個試飛模型，對該模擬液壓系統(tǒng)驅(qū)動下的機器進(jìn)行試飛，進(jìn)行試飛狀態(tài)的檢測和分析，測量試飛速度，并且該模擬系統(tǒng)操作簡單、性能穩(wěn)定。首先，通過對液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與其工作特點的分析，結(jié)合液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理建立液壓系統(tǒng)試飛模型，然后以該模型為基礎(chǔ)，完成數(shù)控液壓驅(qū)動系統(tǒng)和機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)的壓力、負(fù)載和流量等最優(yōu)工作參數(shù)與元器件選型的確定以及設(shè)計液壓驅(qū)動系統(tǒng)等準(zhǔn)備工作，期間分別完成了液壓驅(qū)動系統(tǒng)的泵變轉(zhuǎn)速調(diào)速、變量泵調(diào)速和閥控調(diào)速的設(shè)計，使用軟件對這兩個液壓驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，最后在對這兩種液壓驅(qū)動系統(tǒng)的仿真分析基礎(chǔ)上，建立液壓驅(qū)動系統(tǒng)工作效率的相關(guān)模型。并再一次使用相關(guān)軟件通過設(shè)置幾組不同的系統(tǒng)工作參數(shù)來模擬不同的液壓系統(tǒng)在試飛時的供能效率，以甄選出流量分配更加均勻的機器試飛模型。

1 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作特點

在主液壓系統(tǒng)中，主液壓系統(tǒng)A和主液壓系統(tǒng)B配備有壓力部件，但是它們所處的特定位置是不同的。主液壓系統(tǒng)A的壓力分量位于主機架前框架的左側(cè)，主液壓系統(tǒng)B的壓力分量位于主機架前框架的中心附近。壓力模塊的主要功能是將液壓泵產(chǎn)生的壓力分配到每個壓力系統(tǒng)中。同時，它還執(zhí)行清潔液壓油的功能，可以用發(fā)動機和電動機泵清潔液壓油。同時，它還可以在系統(tǒng)和油泵壓力方面發(fā)揮作用。壓力組件是由殼體、壓力油濾、釋壓活門、泵低壓警告電門、單向活門以及導(dǎo)管等構(gòu)成。壓力油濾的作用是將液壓油在流出之前進(jìn)行過濾。單向活門則是用來防止和其他的泵產(chǎn)生的油液相互混合。泵低壓警告電門的作用是泵的輸出壓力，當(dāng)泵工作壓力較低時，駕駛艙主警告、液壓信號牌和低壓指示燈亮從而起到警告的作用。

試飛系統(tǒng)的試飛界面通常是按照動力、航電、飛控和機電等設(shè)計方向來進(jìn)行界面劃分。另一方面，將機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)置為另一試飛模型的液壓系統(tǒng)將其裝載在另一個飛行器機載平臺并重復(fù)以上操作。通過對數(shù)控液壓驅(qū)動系統(tǒng)試飛模型與機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)試飛模型的典型任務(wù)過程的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)這兩個模型具有如圖1所示的共性業(yè)務(wù)流程。

圖1 共性業(yè)務(wù)流程圖Fig.1 Common business flow chart

經(jīng)研究可以發(fā)現(xiàn)這兩個試飛模型在很多數(shù)據(jù)處理技術(shù)上是一致的，例如數(shù)據(jù)接收技術(shù)、數(shù)據(jù)解析技術(shù)與數(shù)據(jù)顯示技術(shù)等等。只是液壓驅(qū)動系統(tǒng)和面對的受眾有所區(qū)別。數(shù)控液壓驅(qū)動系統(tǒng)試飛模型是完全使用數(shù)控液壓驅(qū)動系統(tǒng)，可控性更強，而機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)試飛模型是完全使用機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)，精準(zhǔn)性更強。對于飛行器飛行員來說，總體上來說數(shù)控液壓驅(qū)動系統(tǒng)指容易操控，而機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)則更更受試飛工程師的歡迎。而數(shù)控液壓驅(qū)動系統(tǒng)試飛模型和機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)試飛模型從業(yè)務(wù)流程上來說則整體比較相似。

2 分析飛機液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件故障

航空發(fā)動機是故障率最高的系統(tǒng)，也是飛機系統(tǒng)中最復(fù)雜的系統(tǒng)，工作條件直接影響飛機的安全可靠運行?？梢哉f，與飛行模擬器上發(fā)動機相關(guān)的訓(xùn)練是飛行模擬訓(xùn)練的重要部分，發(fā)動機的故障檢測是試飛過程中的重中之重。飛行模擬不僅需要飛行員通過常規(guī)啟動和操縱發(fā)動機來掌握基本飛行控制技能，還需要通過檢測發(fā)動機故障狀態(tài)來提高飛行員危急情況的應(yīng)急處理能力。

為了提高該試飛模型的通用性，對該模型的地面數(shù)控部分與機身搭載部分都加裝遙測信息解析技術(shù)系統(tǒng)，并充分利用飛行測信息十分豐富的自身優(yōu)勢，使其與地數(shù)控指揮系統(tǒng)共享遙測數(shù)據(jù)鏈路，實現(xiàn)更貼近現(xiàn)實的液壓系統(tǒng)的試飛模型設(shè)計?；诹髁靠刂频囊簤合到y(tǒng)中，液壓泵輸出流量QP主要通過以下公式來計算：QP≥K（ΣQmax）。在這個公式中ΣQmax是同時動作的液壓缸或液壓馬達(dá)的最大總流量，K是系統(tǒng)泄漏系數(shù)。液壓系統(tǒng)的試飛模型主要通過無線數(shù)據(jù)鏈路的儲存?zhèn)鬏斊脚_來進(jìn)行下行數(shù)據(jù)信息的儲存和傳輸，同時地面數(shù)控指揮系統(tǒng)通過其地面綜合處理平臺來進(jìn)行數(shù)據(jù)的集中處理從而進(jìn)行實時飛行情況反饋，并將飛行器下行數(shù)據(jù)傳輸至液壓系統(tǒng)的試飛模型。操作過程將地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)和機載數(shù)據(jù)系統(tǒng)與飛行器遙測系統(tǒng)進(jìn)行一體化結(jié)合，使其共用鏈路設(shè)備，共享數(shù)據(jù)資源并共同進(jìn)行整體數(shù)據(jù)分析處理。

基于流量控制的液壓系統(tǒng)試飛系統(tǒng)共包含兩個系統(tǒng)即故障檢測系統(tǒng)與地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)[3]。其中在地面監(jiān)控基站上安裝的系統(tǒng)是地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)，而故障檢測系統(tǒng)的構(gòu)造則較為復(fù)雜[4]。

圖2 故障檢測系統(tǒng)Fig.2 Fault detection system

故障檢測系統(tǒng)將其采集到的所有數(shù)據(jù)匯集并記錄下來，隨后將這些記錄下來的數(shù)據(jù)通過飛行器的數(shù)據(jù)鏈下傳至地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)，地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)再對其進(jìn)行匯總以供地面基站的工作人員查詢以及。通過地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)與試飛指揮控制系統(tǒng)的交互數(shù)據(jù)支持，建立對基于流量控制的液壓系統(tǒng)的試飛模型，實現(xiàn)對基于流量控制的液壓系統(tǒng)的試飛。此系統(tǒng)模型流程如圖3所示。

圖3 基于流量控制的飛機液壓系統(tǒng)故障試飛模型圖Fig.3 Fault test model of aircraft hydraulic system based on flow control

3 試飛完成

通過設(shè)計一個配套試飛軟件來進(jìn)行試飛，該試飛軟件的具體功能如表1所示。

表1 試飛軟件功能表Tab.1 Flight test software function table

對試飛軟件進(jìn)行初始化，使該軟件調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路整合，開始接收傳輸數(shù)據(jù)，并通過解析最終得出結(jié)果。開始后可以自由的停止數(shù)據(jù)保存，停止數(shù)據(jù)保存后可以進(jìn)行任何操作。在進(jìn)行數(shù)據(jù)回放時，可以選中想要的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行回放。利用該試飛軟件的完成對基于流量控制的液壓系統(tǒng)的試飛。

4 試飛仿真模型數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

首先對試飛仿真模型進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計，并將試飛仿真模型進(jìn)行簡約而現(xiàn)實的設(shè)計，采用遙測信息解析技術(shù)并通過試飛軟件的幫助來對數(shù)控液壓驅(qū)動系統(tǒng)試飛模型與機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)試飛模型的流量分配穩(wěn)定性進(jìn)行五次實驗并進(jìn)行對比分析，其中當(dāng)顯控要素變更時只要更改界面與配置文件而不需要修改模型架構(gòu)。將數(shù)控液壓驅(qū)動系統(tǒng)試飛模型與機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)試飛模型進(jìn)行多次實驗后的最終數(shù)據(jù)分析對比。

得出數(shù)控液壓驅(qū)動系統(tǒng)下的試飛模型流量分配更均勻的結(jié)論，成功解決了基于流量控制的液壓系統(tǒng)試飛中的流量分配不穩(wěn)定的問題。

5 結(jié)論

通過建立數(shù)控液壓驅(qū)動系統(tǒng)試飛模型與機械液壓驅(qū)動系統(tǒng)試飛模型，并通過試飛軟件的，對兩種不同液壓驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動下的試飛模型進(jìn)行流量分配穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)比較，得到數(shù)控液壓驅(qū)動系統(tǒng)下的試飛模型分配更均勻的結(jié)論，解決了試飛模型的根本問題，驗證了該模型的實際作用，為實際基于流量控制的液壓系統(tǒng)試飛系統(tǒng)的開發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ)。