基于AMESim的帶自動回中功能液壓系統(tǒng)研究

(航空工業(yè)慶安集團有限公司 航空設(shè)備研究所，陜西 西安 710077)

引言

戰(zhàn)斗機歷來是空中力量的中堅。未來先進戰(zhàn)斗機要求具有良好的操縱特性和機動性能[1]。推力矢量技術(shù)是針對提高戰(zhàn)斗機的機動性和敏捷性而提出的。推力矢量控制技術(shù)是指推進系統(tǒng)除為飛機提供前向推力外，也能同時或單獨在飛機俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)和反推力方向提供發(fā)動機內(nèi)部推力，用于全部或部分取代飛機舵面或其他裝置產(chǎn)生的外部氣動力來進行飛行控制[2]。其優(yōu)點是只要飛行器處于推進階段，即使在高空飛行或低速飛行段，都能對飛行器進行有效地控制，而且能獲得很高的機動性能[3]。實現(xiàn)推力矢量技術(shù)的主要方式是采用矢量噴管，通過改變噴氣流方向使推力方向發(fā)生變化，配合輔助的升力裝置和氣動舵面，使推力矢量飛機兼?zhèn)涔潭ㄒ砗椭鄙龣C的特點，可以在狹小的場地上進行垂直或者短距起降[4]。矢量噴管的應(yīng)用極大地增加了飛機在導彈追蹤下的生存幾率，提高飛機起飛和降落性能。當前，矢量推力技術(shù)的最新突破，體現(xiàn)在新型合成射流作動器的研制成功[5]、氣體熱力學特征對矢量推力性能影響的評估[6]、基于離子推進器移動網(wǎng)格的矢量推力系統(tǒng)設(shè)計[7]、基于空氣動力學和矢量推力的棲息軌跡優(yōu)化[8]等方面。

帶有自動回中功能的出口面積調(diào)節(jié)作動系統(tǒng)是矢量噴管控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)之一，用于實現(xiàn)矢量噴管出口面積調(diào)節(jié)以及矢量偏轉(zhuǎn)功能[9]。目前，國內(nèi)外對故障后自動回中液壓系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的相關(guān)研究較少[10]。蘆海洋等[11]提出了一種回中結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；任濬哲等[12]提出了一種結(jié)構(gòu)相對緊湊的具有回中功能的液壓作動器，但其從本質(zhì)上仍然需要在控制系統(tǒng)的控制下回復至中位。

本研究在分析了一種無需控制系統(tǒng)控制的具有自動回中功能的液壓系統(tǒng)，利用AMESim軟件搭建實際使用的出口面積調(diào)節(jié)系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)模型，通過仿真分析，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動回中功能設(shè)計；同時，對回中位置的影響因素進行分析，可為產(chǎn)品回中小孔的設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)試提供一定指導作用。

1 系統(tǒng)概述與分析

1.1 工作原理

由于實際應(yīng)用中不能保證噴管矢量控制始終在安全狀態(tài)下工作，因此噴管控制系統(tǒng)一旦失效，矢量噴管的控制需降級到應(yīng)急回中控制狀態(tài)[13]。因此，噴管出口面積調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作模態(tài)主要有兩種，分別是正常工作模態(tài)和故障工作模態(tài)。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。該系統(tǒng)主要由電液伺服閥、電磁閥、模態(tài)轉(zhuǎn)化閥和作動器組成。工作模態(tài)之間的切換是通過電磁閥來控制模態(tài)轉(zhuǎn)換閥不同的油液分配模式來實現(xiàn)的。當電子控制器發(fā)出故障回中信號或者切斷控制信號時，系統(tǒng)從工作模態(tài)切換至故障工作模態(tài)，矢量噴管作動筒自動回中[14]。

正常工作模態(tài)下，模態(tài)轉(zhuǎn)換閥閥芯處于左位。此時，系統(tǒng)屬于電液伺服控制系統(tǒng)。電子控制器控制電液伺服閥的閥芯移動，從而控制油路的切換，實現(xiàn)對作動器的伸出縮回控制。通過作動器中的LVDT反饋給電子控制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 系統(tǒng)原理圖

故障工作模態(tài)下，電子控制器發(fā)出故障指令或切斷控制指令，電磁閥斷電后，模態(tài)轉(zhuǎn)換閥左側(cè)壓力為0，模態(tài)轉(zhuǎn)換閥閥芯在右腔高壓油壓力的作用下，移動到右位，完成油路的切換。此時電液伺服閥斷電處于中位，系統(tǒng)壓力油通過模態(tài)轉(zhuǎn)換閥，分別與作動器兩腔溝通，回中小孔與回油油路溝通，使作動器在任何位置下，都能回到安全中位位置。

1.2 功能原理

自動回中液壓作動器是在作動器的中部位置加工幾個對稱的小孔，并與回油口相通，作動器兩腔通過固定節(jié)流孔分別于系統(tǒng)壓力ps相通，進入左腔的高壓油通過回中小孔部分流回油箱[15]，如圖2所示?；刂袝r，高壓油進入作動器兩腔，由于左腔的作用面積大于右腔的作用面積，因此活塞向右腔一側(cè)移動；當回中小孔在左腔一側(cè)時，由于回中小孔流量的流出，使得左腔的壓力小于右腔，活塞向左腔一側(cè)移動。當活塞到達中位時，左腔由于回中小孔的回流，使左腔的壓力等于右腔的壓力。通過調(diào)節(jié)回中小孔與活塞間的開口度來調(diào)節(jié)活塞兩腔平衡后的位置。圖2中p1和A1為左腔壓力和活塞面積，p2和A2為右腔壓力和活塞面積，活塞達到平衡后可列出流量公式以下公式：

(1)

(2)

(3)

p1·A1=p2·A2

(4)

式中，Cd—— 流量系數(shù)

f1—— 左腔節(jié)流小孔面積

f2—— 右腔節(jié)流小孔面積

f3—— 回中小孔開口面積

ps—— 系統(tǒng)供油壓力

pr—— 系統(tǒng)回油壓力

圖2 活塞在回中位置時示意圖

當活塞兩端受力達到平衡處于中位時，Q2=0，Q1=Q3，可得到下式：

(5)

(6)

由此可得：

(7)

(8)

由《液壓工程手冊》中可得上式。式中R為回中小孔直徑，x為活塞與回中小孔之間的開口度，n由為小孔數(shù)量，工程中, 通常將這樣的大孔按面積總和相等的原則分解為若干個小孔，此處取n=3，由此可計算出，當活塞到達中位時，作動器活塞與回中小孔之間的開口度。

由上式可以看出，當系統(tǒng)壓力和回油壓力一定時，作動器活塞與回中小孔之間的開口度x與A1腔的阻尼小孔面積f1有關(guān)。

2 AMESim仿真系統(tǒng)建模

噴管出口面積調(diào)節(jié)系統(tǒng)屬于電液伺服控制裝置，本系統(tǒng)為高精度位置伺服系統(tǒng)。作動器采用非對稱腔結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)功能和性能要求，可選用AMESim中液壓元件庫中的液壓模型搭建符合研究要求的模型，在模型中的關(guān)鍵參數(shù)可根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求進行設(shè)定。

1) 模態(tài)轉(zhuǎn)換閥模型建立

模態(tài)轉(zhuǎn)換閥是1個二位十通液壓換向閥，其主要功能是切換液壓油路，使系統(tǒng)在正常工作模態(tài)和故障工作模態(tài)之間切換。AMESim中提供了超級元件建模模塊，能夠?qū)⒁簤簬熘幸唤M已有的元件經(jīng)過組合后，將它們“壓縮-打包”成一個新的組件，實現(xiàn)將其作為一個正常的AMESim元件使用，來替代這組元件實現(xiàn)其功能。

根據(jù)模態(tài)轉(zhuǎn)換閥的功能和結(jié)構(gòu)特點，可用5個二通閥組合來實現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)換閥功能，如圖3所示。12口和電磁閥出口相接，6口和進油口相接，正常工作模態(tài)下，6口壓力大于12口的進油壓力，轉(zhuǎn)換閥處于左位，控制作動器伸出和縮回；故障模態(tài)下，電磁閥斷電，則12口壓力為0，此時轉(zhuǎn)化閥處于右位，作動器兩端同時通高壓油，使作動器活塞自動回到中位。

圖3 模態(tài)轉(zhuǎn)換閥模型

2) 系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)上述轉(zhuǎn)化閥模型和系統(tǒng)工作原理圖，利用AMESim軟件中的液壓庫、液壓元件庫、機械庫、信號庫等搭建的液壓系統(tǒng)仿真模型[16]，如圖4所示。

3) 仿真參數(shù)的設(shè)定

利用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)模型后，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖4 液壓系統(tǒng)仿真模型

項目參數(shù)參數(shù)值油液密度/kg·m-3850油液絕對黏度/cP51油液彈性模量/MPa1700系統(tǒng)供油壓力/MPa21系統(tǒng)回油壓力/MPa0.6系統(tǒng)流量/L·min-1110額定電流/mA±40閥芯位移的無阻尼自然頻率/Hz500閥芯位移的阻尼比0.8作動筒活塞直徑/mm75作動筒左腔活塞桿直徑/mm20作動筒右腔活塞桿直徑/mm30進、出油口阻尼小孔直徑/mm1.1回中小孔直徑/mm1.8活塞與回中小孔之間的開口度/mm0.4活塞位移/m0.085

3 數(shù)字仿真與結(jié)果分析

對模型進行參數(shù)設(shè)定后，按發(fā)動機指令要求給系統(tǒng)輸入指令信號，先觀察正常工作模態(tài)下的階躍特性是否符合設(shè)計要求。系統(tǒng)達到要求后，從正常工作模態(tài)切換至故障回中模態(tài)，即電磁閥和電液伺服閥斷電，轉(zhuǎn)換閥在油壓的推力下切換至右位，當活塞在中位時或者在伸出、縮回時，作動器活塞都應(yīng)在行程中位停止，誤差不大于系統(tǒng)規(guī)定值。最后，通過改變回中小孔的位置、開口度等參數(shù)，確定系統(tǒng)回中位置的影響因素。

1) 系統(tǒng)功能特性

根據(jù)系統(tǒng)要求，正常工作模態(tài)下，在空載下給電子控制器輸入10%額定指令的階躍指令后，要求系統(tǒng)延遲時間td≤0.02 s，上升時間tr≤0.1 s，調(diào)整時間ts≤0.3 s，超調(diào)量σ≤0.97%，穩(wěn)態(tài)誤差ζ≤0.2%。系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

通過仿真圖形可得，系統(tǒng)在10%額定指令下，系統(tǒng)延遲時間為td=0.012 s，上升時間tr=0.098 s，調(diào)整時間ts=0.098 s，穩(wěn)態(tài)誤差ζ=0.13%，均滿足系統(tǒng)要求。

在各個參數(shù)一樣的情況下，對有回中小孔和無回中小孔的階躍響應(yīng)曲線進行對比，將上升階段的部分放大后，可得到圖6所示。

圖6 有回中小孔和無回中小孔階躍曲線部分放大對比圖

由圖中可得出有回中小孔與無回中小孔對系統(tǒng)的影響不大。

2) 自動回中功能實現(xiàn)

當系統(tǒng)穩(wěn)定后,切換至故障工作模態(tài)。分別從活塞在作動器中位時，和活塞在伸出過程和縮回過程時的幾種情況進行仿真，要求系統(tǒng)位置誤差不大于0.2%。

當作動器活塞在中位時，接收到回中指令，活塞在輕微震蕩后達到中位，系統(tǒng)仿真如圖7所示。此時，活塞與回中小孔之間的開口度為0.4 mm，誤差ζ遠遠小于 0.2%。

圖7 活塞初始位置在中位時故障回中曲線

當作動器活塞在收起伸出時，接收到回中指令，活塞在輕微震蕩后達到回中位置。分別在t=0.4, 0.8 s即作動筒伸出時，和t=1.4 s, 1.8 s即作動筒收回時，接收到回中指令后系統(tǒng)回中位置仿真曲線，如圖8所示。此時，活塞與回中小孔之間的開口度均為0.4 mm，伸出過程和縮回過程的回中位置誤差ζ=0.15%，均滿足位置誤差要求。

圖8 作動器伸出/縮回過程時故障回中曲線

由仿真曲線可以看出，當活塞在任意位置時，當切換到故障模式時，作動器均能回到中位，此時的開口度為均為0.4 mm；作動器在伸出或縮回過程中，切換至回中位置后的位置誤差均不大于0.2%。

3) 回中位置的影響因素

在所有設(shè)定參數(shù)不變得情況下，對開口度尺寸分別設(shè)置x為0.2, 0.4, 0.6 mm時進行測試，對比后將回中位置處的曲線放大后，可得到回中位置仿真曲線如圖9所示。

圖9 開口度不同時故障回中曲線

由仿真圖形可看出：當x=0.2 mm時，回中時間2.8 s，回中位置42.755 mm。

當x=0.4 mm時，回中時間2.83 s，回中位置42.555 mm。

當x=0.6 mm時，回中時間2.87 s，回中位置42.355 mm。

由回中位置可計算出，當x=0.2 mm時，回中位置誤差ζ=0.47%；當x=0.6 mm時，回中位置誤差ζ=0.47%，均大于系統(tǒng)要求的誤差值0.2%；當x=0.4 mm 時，回中位置誤差ζ=0.13%，滿足系統(tǒng)位置誤差要求。

由以上分析可得，回中位置與開口度的大小有關(guān)，開口度越大，回中時間越長，回中位置誤差越大。

在所有設(shè)定參數(shù)不變得情況下，開口度為0.4 mm時，對兩腔進出油口節(jié)流口尺寸和分別設(shè)置為1.1 mm和3 mm，對系統(tǒng)進行仿真后，可得到回中位置仿真曲線圖10所示。

圖10 進出油口孔徑不同時故障回中曲線

圖10中曲線2為節(jié)流孔徑為1.1 mm時的回中位置曲線，回中時間為2.75 s，回中位置42.555 mm，回中位置誤差ζ=0.13%，不大于要求值0.2%，符合位置誤差要求。

圖10中曲線1為節(jié)流孔徑為3 mm時的回中位置曲線，回中時間為1.2 s，回中位置42.402 mm，回中位置誤差ζ=0.23%，大于要求值0.2%，不符合位置誤差要求。

由仿真圖形可看出，回中位置與進油口孔徑的大小有關(guān)，當孔徑越大，回中時間越快，但回中誤差越大。

當更改回中小孔直徑1.8 mm后，所得到的仿真圖形與圖8一致，由于活塞厚度遠大于回中小孔直徑，則回中位置與回中小孔直徑無關(guān)。

由此可得出，當回中位置確定的情況下，回中位置與進油口的孔徑有關(guān)，與活塞和回中小孔的開口度有關(guān)。

4 試驗及結(jié)果分析

首先將作動器與控制裝置連接，然后通壓，閉環(huán)控制。給試驗控制器分別輸入±5 V階躍指令信號，電磁閥、電液伺服閥斷電，分別測量產(chǎn)品在各個位置向回中位置運動時，活塞桿在穩(wěn)態(tài)(如圖11所示)移動下的平均速度。系統(tǒng)要求回中位置42.5 mm，位置誤差不大于0.2%。

表2 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

由表2可知，開口度為0.4 mm和進出油孔徑為1.1 mm時，回中位置和回中精度均能滿足系統(tǒng)的要求。當進出油孔徑變?yōu)? mm時，回中速度明顯變快，但回中過程有明顯震蕩。

圖11 產(chǎn)品位移、時間變化曲線

由試驗結(jié)果可知，當開口度和進出油孔孔徑一定時，帶有回中小孔的作動器均可實現(xiàn)作動器自動回中。由于無桿腔的面積略大于有桿腔的面積，因此縮回過程的回中速度略小于伸出過程的回中速度。當節(jié)流孔直徑不變時，開口度越大，回中速度越慢，回中時間也越長。當開口度不變時，節(jié)流孔直徑越大，回中速度越快，回中時間也越短。試驗結(jié)論與仿真結(jié)論基本吻合。

5 結(jié)論

根據(jù)液壓元件的相關(guān)理論在作動筒中設(shè)計了回中小孔，通過AMESim軟件構(gòu)建了全系統(tǒng)仿真模型，并通過試驗進行驗證，最終確定滿足系統(tǒng)要求的最佳回中開口度和進出油孔徑。主要結(jié)論如下：

(1) 通過理論計算分析回中小孔的開口度，再利用AMESim搭建具有自動回中功能的液壓系統(tǒng)仿真模型，有效的模擬出自動回中的狀態(tài)，不僅驗證了作動筒內(nèi)設(shè)計回中小孔可實現(xiàn)系統(tǒng)的自動回中，而且對回中小孔開口度大小和進出油孔徑的進行匹配，以及匹配結(jié)果對系統(tǒng)回中位置和回中精度的影響；

(2) 仿真和試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的回中小孔開口度大小和進出油孔徑的大小，可滿足系統(tǒng)回中位置和位置誤差的要求，回中小孔的開口度大小是影響回中位置精度的主要因素，進出油孔徑是影響回中速度的主要因素；

(3) 研究結(jié)果對具有緊急回中要求的系統(tǒng)設(shè)計可提供參考，具有工程意義和價值。