液體彈性模量對減擺器阻尼特性影響的研究

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所， 北京 100076)

引言

飛行器在著落滑跑過程中，前輪發(fā)生擺震是比較常見的現(xiàn)象，擺震現(xiàn)象會對起落架系統(tǒng)以及飛行器結(jié)構(gòu)造成巨大影響，甚至?xí)斐娠w行器著陸的失敗，因此，防止飛行器前輪擺震是起落架系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)。目前為止，防止前輪擺震最有效的辦法是裝置液壓減擺器[1]。由于減擺器的減擺效果受到系統(tǒng)剛度、油液剛度、輪胎剛度、著陸工況、連接間隙等諸多因素的影響，其減擺效果一般只能通過系統(tǒng)擺震試驗(yàn)來確認(rèn)，在設(shè)計(jì)之初，很難通過理論計(jì)算來確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此，有必要通過仿真來確定減擺器工作特性的規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)減擺器的設(shè)計(jì)工作[2]。

1 液壓減擺器原理

活塞式減擺器是最常用的一種液壓減擺器。飛行器著陸過程中，前輪受干擾激勵發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)通過起落架扭力臂以及轉(zhuǎn)動套筒結(jié)構(gòu)傳遞到減擺器搖臂上，搖臂和撥桿帶動活塞往復(fù)移動。在此過程中，油液流經(jīng)活塞上的阻尼孔，擺動的能量會以熱能的形式被散失掉，從而達(dá)到減擺的效果。

典型活塞式液壓減擺器工作原理及結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

1.殼體 2.阻尼孔 3.擺桿 4.活塞 圖1 減擺器工作原理圖

活塞式液壓減擺器通常由殼體、活塞、擺桿等部分組成，部分產(chǎn)品還具有油液補(bǔ)償裝置，用以吸收或補(bǔ)償由于溫度變化引起的油液體積變化。阻尼孔位于活塞上，當(dāng)減擺器收到擺動激勵時，油液通過阻尼孔在左右兩油腔間流動，由阻尼孔造成的局部壓力損失以及沿程壓力損失共同作用產(chǎn)生阻尼力矩。在阻尼力矩的作用下，活塞在殼體內(nèi)部做幅值衰減的往復(fù)運(yùn)動，運(yùn)動過程中將擺動激勵的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉[4]。

2 油液流量方程

建立減擺器產(chǎn)品內(nèi)部工作介質(zhì)流量方程。設(shè)減擺器容腔總體積V=Vo+Vg，Vo和Vg分別為油液和氣體體積。運(yùn)動過程可視為絕熱過程，則容腔體積V可表示為[5]：

(1)

其中，Vo0和Vg0分別為液體和氣體的初始體積。p0為容腔初試壓力，p為容腔壓力，βe為液體彈性模量，n為氣體常數(shù)。

將V對p進(jìn)行微分可得到：

(2)

(3)

忽略活塞與殼體間隙的內(nèi)泄漏，則高壓腔Qh和低壓腔的流量Ql分別為：

(4)

(5)

其中，Vh和Vl分別為高壓腔和低壓腔的容積，ph和pl分別為高壓腔和低壓腔的壓力，K1和K2分別為高壓腔和低壓腔對應(yīng)的常數(shù)K。

高壓腔體積Vh和低壓腔體積Vl可以寫成：

(6)

其中，V0為兩腔初始容積，A為活塞截面積，x為活塞位移。

所以可以得到：

(7)

由于Qh=-Ql，負(fù)載壓力pL=ph-pl，所以負(fù)載流量QL有：

(8)

可見液力連續(xù)性流量方程[6]：

(9)

是在Vg0=0和e-(p-p0)/βe≈1時的一種特殊形式[7]。

3 仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真模型

在AMESim環(huán)境下，建立活塞式減擺器仿真模型[8]。減擺器實(shí)際產(chǎn)品的測試方法通常有振動加載法和恒定加載法兩種。仿真過程中，通過模擬振動加載法來確定產(chǎn)品的阻尼特性，減擺器的輸入信號為x=Asinwt，即減擺器活塞的正弦形式輸入。所搭建的減擺器模型充分考慮產(chǎn)品的實(shí)際結(jié)構(gòu)，中間腔為油液補(bǔ)償裝置，模型如圖2所示。

圖2 活塞式減擺器特性仿真模型

3.2 油液彈性模量對阻尼特性的影響

理論計(jì)算中，液體被視作彈性模量很大的剛體，實(shí)際上，油液彈性模量遠(yuǎn)小于理論值，油液充填過程中，也很難做到完全排干凈氣體，油液彈性模量會進(jìn)一步下降。而油液中混有氣體的綜合外在表現(xiàn)就是工作介質(zhì)的彈性模量較小，即工作介質(zhì)偏“軟”。所以，分析油液彈性模量對于產(chǎn)品阻尼特性的影響對于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、保證產(chǎn)品一致性具有重要意義。分別設(shè)置油液彈性模量為1700， 1000， 700， 200 MPa在2 Hz頻率以及8°幅值參數(shù)條件下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同油液彈性模量阻尼力矩變化情況

當(dāng)設(shè)置液體彈性模量為200 MPa時，分別在頻率為1， 2， 3， 4 Hz條件下進(jìn)行仿真，擺動幅值為8°，得到某一速度范圍內(nèi)的力矩T-角速度ω曲線如圖4所示。

圖4 不同頻率下力矩-角速度曲線

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

通過理論計(jì)算，減擺器阻尼力矩T與角速度ω近似為二次函數(shù)函數(shù)關(guān)系?？梢钥闯?，理想條件下，相同角速度所對應(yīng)的阻尼力矩應(yīng)該一致。通過實(shí)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品阻尼力矩隨角速度的增加而近似呈二次函數(shù)關(guān)系增大的趨勢是正確的，但卻存在相同角速度下，頻率越高阻尼力矩越小的情況。

與仿真結(jié)果相對比可以看出，液壓油本身彈性模量達(dá)不到理想值1700 MPa時，油液的壓縮性不可被忽略，在固定作頻率條件下，阻尼孔通過的流量相比于輸入的正弦信號，存在流量的滯后和衰減。流量滯后的表現(xiàn)就是產(chǎn)品最大力矩并不是出現(xiàn)在角速度最大點(diǎn)，流量衰減在產(chǎn)品特性上就表現(xiàn)為流量小于理論流量，也就造成阻尼力矩小于理論值的情況，理論上頻率越高，誤差越大。

利用同樣結(jié)構(gòu)參數(shù)減擺器實(shí)物產(chǎn)品利用振動加載法在各頻率下特性測試測，測試裝置如圖5所示。該型號產(chǎn)品補(bǔ)償腔活塞直徑為40 mm，完成油液充填，在2 kN壓力擠壓補(bǔ)償活塞，補(bǔ)償腔活塞壓縮2 mm，折算油液彈性模量約為195 MPa，在已有試驗(yàn)條件下，比較容易實(shí)現(xiàn)該充填狀態(tài)并且可以保證較好的一致性，因此選擇在該充填狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)過程中，采集作動器位移信號，用以計(jì)算出減擺器撥桿擺動角速度；采集減擺器左右兩腔壓力信號，用以計(jì)算產(chǎn)生的阻尼力矩。

在相同輸入條件下，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，與200 MPa下仿真結(jié)果基本吻合。

圖6 實(shí)測力矩-角速度曲線

4 結(jié)論

油液彈性模量對產(chǎn)品阻尼特性有較大影響。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中，要充分考慮這一因素[9-11]，設(shè)置恰當(dāng)?shù)淖枘峥壮叽绲耐瑫r，要設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)某涮罱Y(jié)構(gòu)和工藝方法，保證充填過程中，盡可能地排凈產(chǎn)品內(nèi)部氣體，提高油液的彈性模量[12]。而油液充填效果可以通過設(shè)計(jì)專用工裝來檢測充填后液體的彈性模量，進(jìn)而保障產(chǎn)品的一致性。進(jìn)行減擺器產(chǎn)品特性仿真的目的在于更好地指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，減擺器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種因素相互影響，而起落架系統(tǒng)還參雜各種非線性的不確定因素，所以如何準(zhǔn)確控制產(chǎn)品阻尼特性，如何確定減擺器產(chǎn)品性能對于擺震試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果的影響，仍有待進(jìn)一步研究分析。