某型機(jī)前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)單側(cè)操縱抖動(dòng)問題研究

金 磊,范建博,劉政宏,魏亮亮

(航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司西飛設(shè)計(jì)院，陜西西安 710089)

引言

飛機(jī)前輪轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)地面操縱的重要組成部分，轉(zhuǎn)彎過程中各種性能參數(shù)對(duì)操縱的穩(wěn)定性、地面機(jī)動(dòng)性等都有很重要的影響[1-3]。在前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)進(jìn)行功能試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎控制抖動(dòng)現(xiàn)象，表明系統(tǒng)存在不穩(wěn)定因素。抖動(dòng)現(xiàn)象多出現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)地面聯(lián)試過程中，涉及部件多而且相關(guān)方面的研究少。文中采用AMESim仿真構(gòu)建前輪轉(zhuǎn)彎操縱機(jī)構(gòu)[4]仿真模型，結(jié)合系統(tǒng)機(jī)上排故數(shù)據(jù)，對(duì)前輪轉(zhuǎn)彎純機(jī)械式閉環(huán)控制機(jī)構(gòu)內(nèi)部參數(shù)的配置、執(zhí)行與反饋響應(yīng)等特性進(jìn)行分析，確定引起系統(tǒng)抖動(dòng)的原因，通過多系統(tǒng)附件參數(shù)優(yōu)化，提高產(chǎn)品性能特性，避免系統(tǒng)試驗(yàn)中出現(xiàn)的抖動(dòng)現(xiàn)象。

1 現(xiàn)象及原因分析

在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)平穩(wěn)性檢查時(shí)，操縱前輪轉(zhuǎn)彎手輪轉(zhuǎn)動(dòng)前輪運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)間歇性抖動(dòng)[5-7]現(xiàn)象，造成整個(gè)運(yùn)行過程不平穩(wěn)，無法進(jìn)行正常驗(yàn)收試驗(yàn)，并且連續(xù)幾架機(jī)均有類似情況。在故障摸索過程中，發(fā)現(xiàn)機(jī)輪抖動(dòng)現(xiàn)象僅發(fā)生于單側(cè)換向過程中，即機(jī)輪從右極限位置換向開始運(yùn)動(dòng)的起始過程。

在運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)抖動(dòng)的主要原因主要有以下幾方面：

(1) 前輪轉(zhuǎn)彎換向后，液壓控制閥內(nèi)部滑閥運(yùn)行過程中，原供油管路變?yōu)榛赜凸苈罚赜凸苈返挠鄩号c供油管路的壓力抵消，使供油管路提供的液壓力不足以推動(dòng)機(jī)輪平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象；

(2) 前起落架機(jī)構(gòu)的減擺阻尼性能偏弱，阻尼器影響系統(tǒng)的快速性；

(3) 鋼索桿系反饋機(jī)構(gòu)剛度不足，造成反向控制液壓控制閥關(guān)閉滯后，出現(xiàn)油口中立位置遮蓋量不同步現(xiàn)象，影響油路進(jìn)而造成前輪轉(zhuǎn)彎運(yùn)行抖動(dòng)現(xiàn)象。

2 工作原理及閥芯結(jié)構(gòu)

2.1 轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)工作原理

某型機(jī)前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)為純機(jī)械式閉環(huán)控制機(jī)構(gòu)[8]，通過轉(zhuǎn)彎手輪帶動(dòng)機(jī)械式液壓控制閥接通壓力油路，驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)彎，依靠鋼索桿系實(shí)現(xiàn)位置反饋。如圖1所示，當(dāng)飛行員轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)，手輪將產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)角并帶動(dòng)行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，行星齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，最終推動(dòng)與轉(zhuǎn)盤連接的滑閥閥芯。當(dāng)閥芯產(chǎn)生一定位移時(shí)，差動(dòng)液壓缸作動(dòng)，并帶動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)彎功能。與此同時(shí)，反饋機(jī)構(gòu)也被帶動(dòng)，向相反的方向推動(dòng)行星齒輪，使滑閥閥芯反方向移動(dòng)，切斷進(jìn)入轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)的油路。

圖1 轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)工作原理

2.2 閥芯受力分析

內(nèi)部滑閥兩端屬于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其中一端為伸出桿連接端，另一端為盲腔封閉端。在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，進(jìn)油口和回油口均處于關(guān)閉狀態(tài)，閥芯的軸向沒有液壓力的作用，閥芯的相對(duì)安裝位置如圖2所示。

圖2 襯套和閥芯的安裝

當(dāng)進(jìn)行前輪轉(zhuǎn)彎操縱時(shí)，閥芯受到外力F、油液壓力p和閥芯襯套的滑動(dòng)摩擦力f。如果閥芯和襯套的重疊量存在偏差，當(dāng)閥芯在反饋?zhàn)饔昧作用下復(fù)位，如果閥口兩端遮蓋量不同，當(dāng)活門從中立位置向右拉出時(shí)，總是進(jìn)油油路先接通，回油油路后接通，啟動(dòng)的不同步會(huì)影響油路順暢，造成機(jī)輪抖動(dòng)。機(jī)輪從左轉(zhuǎn)動(dòng)未出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，因?yàn)榛铋T從中立位置向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，總是回油油路先接通，進(jìn)油油路后接通，2個(gè)油路雖然出現(xiàn)遮蓋不同步現(xiàn)象，但油路仍處于順暢狀態(tài)，機(jī)輪不抖動(dòng)。活門開啟閥芯位置示意圖如圖3所示。

3 模型搭建

利用AMESim進(jìn)行前輪轉(zhuǎn)彎操縱機(jī)構(gòu)整體仿真建模[9-10]，將前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)劃分為控制模塊、減擺阻尼模塊以及反饋機(jī)構(gòu)模塊。對(duì)前輪轉(zhuǎn)彎操縱系統(tǒng)的操縱特性進(jìn)行仿真分析。

圖3 活門開啟閥芯位置示意圖

3.1 控制模塊建模

前輪轉(zhuǎn)彎操縱控制主要是機(jī)械式液壓控制閥，通過內(nèi)部滑閥改變油路實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向[11-12]。通過手輪驅(qū)動(dòng)力帶動(dòng)滑閥運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)油路轉(zhuǎn)換?？刂颇K主要搭建了內(nèi)部滑閥模塊，如圖4所示。模擬環(huán)形通孔截面閥的運(yùn)動(dòng)并模擬滑閥內(nèi)泄，其中1口與2口通高壓油，3，4口通回油，5，6口通液壓缸以驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向。綠色模塊用于模擬閥芯所受的摩擦和阻尼，并且對(duì)閥芯進(jìn)行限位。

圖4 液壓控制內(nèi)部滑閥模型

3.2 減擺阻尼模塊

前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)減擺阻尼主要由主減擺器和輔助減擺器構(gòu)成，主減擺器是防止前起落架出現(xiàn)擺振現(xiàn)象，為了增加阻尼系數(shù)，在前起落架上裝有活塞式輔助減擺器。減擺阻尼模塊如圖5所示，其中1口連接輪胎傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將輪胎目前的角位置和角速度讀入，使得阻尼器工作腔產(chǎn)生位移，該位移產(chǎn)生流量，當(dāng)流量通過錐閥時(shí)，產(chǎn)生壓力阻止工作腔位移。最終從1口輸出反作用力給輪胎傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，達(dá)到阻尼效果。

圖5 減擺阻尼模型

3.3 反饋機(jī)構(gòu)模塊

前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)反饋機(jī)構(gòu)主要通過鋼索桿系反饋前輪的位置信號(hào)，搭建過程將伸縮桿與滑塊的傳動(dòng)部分等效為兩齒輪的傳動(dòng)，搭建反饋連桿機(jī)構(gòu)、滑輪鋼索部分的模型如圖6所示。

圖6 反饋機(jī)構(gòu)模塊

3.4 仿真參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果

對(duì)各控制模型參數(shù)設(shè)置如表1所示，仿真比對(duì)結(jié)果表明，減擺阻尼性和反饋機(jī)構(gòu)剛度對(duì)系統(tǒng)操縱性能影響較小，而閥芯理論遮蓋量相對(duì)閥口兩側(cè)值為0.25 mm，在改變滑閥閥芯重疊量時(shí)，在手輪操縱起始時(shí)有一定的超調(diào)量，說明不同遮蓋量對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性存在影響。不同遮蓋量的仿真結(jié)果如圖7所示。

表1 模型參數(shù)設(shè)置

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖7 仿真結(jié)果

4 改進(jìn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)比對(duì)

結(jié)合機(jī)理分析，加工1組襯筒作為定量控制，對(duì)影響轉(zhuǎn)彎油路轉(zhuǎn)換的過油孔尺寸公差進(jìn)行壓縮，進(jìn)一步放大試驗(yàn)效果，加工3組滑閥(即與過油孔配合的凸臺(tái)距離尺寸)作為變量控制，以襯筒上的過油孔尺寸為基準(zhǔn)，凸臺(tái)位置尺寸分別按上差、中差、下差加工，襯筒與滑閥零件如圖8所示。閥門裝配后進(jìn)行臺(tái)架性能比對(duì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖8 襯筒與滑閥示意圖

從試驗(yàn)情況可知,當(dāng)滑閥凸臺(tái)尺寸按上、下公差進(jìn)行加工，即與襯筒過油孔相對(duì)位置偏差較大時(shí)，所對(duì)應(yīng)產(chǎn)品在試驗(yàn)中出現(xiàn)漏油量偏大及功能試驗(yàn)存在抖動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)滑閥凸臺(tái)按中差尺寸進(jìn)行加工時(shí)，即與襯筒過油孔相對(duì)位置趨近理論值時(shí)，則發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品漏油量控制較為理想，同時(shí)功能試驗(yàn)運(yùn)行平穩(wěn)。

由此驗(yàn)證了滑閥凸臺(tái)相對(duì)襯筒過油孔尺寸配合公差不合理時(shí)，造成兩側(cè)遮蓋量偏差，從而造成機(jī)輪運(yùn)行過程不平穩(wěn)，產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，與仿真結(jié)果一致。

4.2 改進(jìn)及優(yōu)化

根據(jù)仿真及試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)影響控制閥的零件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從原材及加工工藝兩方面提高產(chǎn)品性能，保證裝機(jī)試驗(yàn)。

(1) 由于襯筒采用鑄鐵材料，通過工藝方法的調(diào)整，采用不同的蠟?zāi)＝M合進(jìn)行鑄件生產(chǎn)，改變結(jié)構(gòu)組織[13]，提高了鑄件產(chǎn)品的致密性，減少氣孔數(shù)量、降低疏松發(fā)生的概率，同時(shí)提高產(chǎn)品的加工性能，減少切削過程中產(chǎn)生尖邊崩屑現(xiàn)象，保證過油孔的完整性。加工實(shí)物如圖9所示；

圖9 鑄件原料與加工零件示意圖

(2) 同時(shí)壓縮影響試驗(yàn)的關(guān)鍵零件尺寸，控制零件長(zhǎng)度尺寸，提高襯筒過油孔與滑閥凸臺(tái)配合的位置精度。并且對(duì)比故障在機(jī)上發(fā)生的現(xiàn)象與試驗(yàn)臺(tái)上復(fù)試的現(xiàn)象來看，機(jī)上故障狀態(tài)明顯嚴(yán)重，而試驗(yàn)臺(tái)復(fù)試時(shí)僅出現(xiàn)輕微抖動(dòng)現(xiàn)象，即機(jī)上將故障現(xiàn)象放大化，進(jìn)一步說明試驗(yàn)臺(tái)狀態(tài)不能更好地貼合模擬飛機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)。為此對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，提升和優(yōu)化試驗(yàn)臺(tái)性能，使產(chǎn)品質(zhì)量在制造和試驗(yàn)過程中得到嚴(yán)格控制。

5 結(jié)論

本研究通過對(duì)引起前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)抖動(dòng)的幾種可能原因進(jìn)行分析，利用仿真建模和理論分析確定，造成轉(zhuǎn)彎抖動(dòng)的原因是由于液壓控制閥內(nèi)部滑閥的凸臺(tái)與襯筒過油孔中立位置兩側(cè)遮蓋量偏差所造成，并進(jìn)行了比對(duì)試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真計(jì)算結(jié)果的正確性和可信度。后續(xù)工藝優(yōu)化改進(jìn)，提高系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性。