飛機(jī)電控式應(yīng)急剎車系統(tǒng)建模仿真及試驗(yàn)研究

趙興平，常 凱，李 欣，蘇 靜

(航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089)

1 引 言

剎車系統(tǒng)是飛機(jī)起飛和著陸過(guò)程中制動(dòng)的關(guān)鍵系統(tǒng)，是影響飛機(jī)安全的重要系統(tǒng)之一。為保證飛機(jī)剎車系統(tǒng)的安全性和任務(wù)的可靠性，現(xiàn)代飛機(jī)剎車系統(tǒng)除了包括正常和備用剎車系統(tǒng)外，基本都配置了獨(dú)立的應(yīng)急剎車系統(tǒng)[1]。隨著正常、備用和應(yīng)急三級(jí)剎車系統(tǒng)在飛機(jī)上的普及，剎車系統(tǒng)的安全性大幅提升。應(yīng)急剎車系統(tǒng)在正常、備用剎車系統(tǒng)失效后啟用，其存在對(duì)保障飛機(jī)的安全意義十分重大。

目前，飛機(jī)應(yīng)急剎車系統(tǒng)典型的控制方式是機(jī)械操縱式和電控式。國(guó)外民用飛機(jī)中的波音737系列飛機(jī)和中國(guó)商用飛機(jī)公司的ARJ21飛機(jī)，其應(yīng)急剎車系統(tǒng)采用的是機(jī)械操縱式；空客公司的A320、A340、A380等系列飛機(jī)和中國(guó)商飛的C919、CR929等飛機(jī)采用的是電控式應(yīng)急剎車系統(tǒng)。兩者的主要區(qū)別是控制方式不同。典型的機(jī)械應(yīng)急剎車由駕駛員通過(guò)操縱手柄手拉應(yīng)急剎車鋼索控制機(jī)械式應(yīng)急剎車閥實(shí)施應(yīng)急剎車，應(yīng)急剎車系統(tǒng)一般由備份液壓能源供壓；典型的電控應(yīng)急剎車由操縱手柄發(fā)出電信號(hào)的控制指令，控制電控式應(yīng)急剎車閥輸出應(yīng)急剎車壓力實(shí)施剎車，也由備份液壓能源供壓。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)役軍用飛機(jī)應(yīng)急剎車絕大部分均采用機(jī)械操縱式，需通過(guò)操縱手柄拉動(dòng)機(jī)械鋼索實(shí)施應(yīng)急剎車。這種方式在體量較大的飛機(jī)應(yīng)用時(shí)，需布置很長(zhǎng)的機(jī)械鋼索，帶來(lái)了重量大、安裝維護(hù)不便等劣勢(shì)。本文對(duì)電控式應(yīng)急剎車進(jìn)行了研究，基于AMESim建立電控應(yīng)急剎車模型，對(duì)系統(tǒng)功能和關(guān)鍵部件性能進(jìn)行仿真，搭建試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了電控應(yīng)急剎車功能，為新型飛機(jī)應(yīng)用電控應(yīng)急剎車技術(shù)提供參考[2]。

2 系統(tǒng)工作原理

電控式應(yīng)急剎車系統(tǒng)主要由應(yīng)急剎車控制手柄、電控應(yīng)急剎車閥和局部能源組件等組成。飛機(jī)啟動(dòng)應(yīng)急剎車前，首先開(kāi)啟局部能源組件為系統(tǒng)供壓。當(dāng)飛行員通過(guò)應(yīng)急剎車手柄輸入應(yīng)急剎車指令信號(hào)時(shí)，應(yīng)急剎車閥根據(jù)指令信號(hào)輸出相對(duì)應(yīng)的壓力和流量，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使剎車裝置建立與控制信號(hào)成比例的油液壓力，使機(jī)輪減速實(shí)現(xiàn)飛機(jī)剎車功能。

當(dāng)剎車壓力需要降低時(shí)，應(yīng)急剎車閥根據(jù)指令信號(hào)減小輸出壓力以降低剎車裝置的油液壓力，同時(shí)工作腔油液回流至局部能源組件，達(dá)到降壓的目的。

3 應(yīng)急剎車系統(tǒng)建模

應(yīng)急剎車系統(tǒng)建模仿真采用LMS Imagine.Lab AMESim環(huán)境。AMESim是西門子公司的一款優(yōu)秀的圖形化仿真軟件，為流體及氣動(dòng)、機(jī)械、控制、電磁等工程提供較為完善的綜合仿真及靈活的解決方案，具有豐富的元件模型庫(kù)，能夠根據(jù)用戶所構(gòu)建模型的數(shù)學(xué)特性自動(dòng)選擇最佳算法，具有穩(wěn)態(tài)計(jì)算、動(dòng)態(tài)計(jì)算、批處理仿真、間斷連續(xù)仿真等多種仿真運(yùn)行方式[3]。在AMESim環(huán)境中建立電控應(yīng)急剎車系統(tǒng)及主要部件的仿真模型，然后將建立起的部件模型設(shè)置合理的參數(shù)并通過(guò)接口連接，對(duì)應(yīng)急剎車系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真分析。

3.1 電控應(yīng)急剎車閥模型

電控應(yīng)急剎車閥是系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件，其在飛機(jī)應(yīng)急剎車過(guò)程中需輸出隨剎車指令可變的壓力。輸出壓力達(dá)到目標(biāo)值時(shí)就處于平衡狀態(tài)，不受供回油壓力波動(dòng)的影響，以保證剎車過(guò)程的平穩(wěn)。

電控應(yīng)急剎車閥主要由RDDV旋轉(zhuǎn)直驅(qū)閥組件和控制器組成，如圖1所示。該閥通過(guò)壓力反饋模塊采集應(yīng)急剎車過(guò)程中閥體工作腔的壓力信號(hào)，作為閉環(huán)控制的反饋信號(hào)完成系統(tǒng)閉環(huán)控制，最終輸出指令驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)剎車壓力的輸出[4]。

圖1 電控應(yīng)急剎車閥組成圖

控制器采用傳統(tǒng)的PWM電流閉環(huán)控制技術(shù)，將接收到的電流指令和采集到的實(shí)時(shí)電流進(jìn)行對(duì)比，用閉環(huán)控制的方式實(shí)時(shí)調(diào)整PWM波的占空比大小，從而實(shí)現(xiàn)閥電流的控制。控制器原理如圖2所示。

圖2 PWM電流閉環(huán)控制原理

RDDV旋轉(zhuǎn)直驅(qū)閥組件采用旋轉(zhuǎn)力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)閥芯工作，旋轉(zhuǎn)力矩的定子為N組環(huán)形導(dǎo)磁體，其上均勻繞有對(duì)稱繞組，轉(zhuǎn)子為帶軸的磁鋼，磁鋼可制成整體式或以瓦片形嵌于導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子中?？刂评@組中有電流時(shí)產(chǎn)生的磁通與磁鋼所產(chǎn)生的磁通相互作用，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)子端頭的偏心軸驅(qū)動(dòng)閥芯移動(dòng)。電控應(yīng)急剎車閥AMESim模型如圖3所示。

圖3 電控應(yīng)急剎車閥AMESim模型

工作過(guò)程中，當(dāng)控制電流為0時(shí)，閥芯處于中位，輸出壓力為0。當(dāng)某個(gè)指令信號(hào)輸入至控制器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖(PWM)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)力矩電機(jī)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩，使得偏心軸旋轉(zhuǎn)一定角度，驅(qū)動(dòng)閥芯產(chǎn)生位移，從而RDDV閥體供油腔與工作腔接通，輸出壓力P1，經(jīng)反饋計(jì)算后將電流反饋信號(hào)給控制器，與電流指令信號(hào)比較生成比較信號(hào)再傳給電機(jī)，控制閥芯運(yùn)動(dòng)至指定位置，這樣閥芯位置與指令信號(hào)成比例，即可得到與指令信號(hào)成比例的應(yīng)急剎車壓力。

3.2 局部能源組件模型

局部能源組件是在應(yīng)急剎車系統(tǒng)工作時(shí)用以系統(tǒng)提供能源的部件，與飛機(jī)其他系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。局部能源組件集成了油箱、電動(dòng)泵組件、壓力傳感器、液壓油濾、單向閥和控制器等大量的液壓附件，集成示意圖如圖4所示[5]。

圖4 局部能源組件示意圖

局部能源組件工作時(shí)，控制器給電動(dòng)泵組件啟動(dòng)信號(hào)。電動(dòng)泵啟動(dòng)后，增壓油箱的油液通過(guò)吸油管路進(jìn)入電動(dòng)泵，電動(dòng)泵出口輸出高壓油液供于電控應(yīng)急剎車閥，驅(qū)動(dòng)剎車作動(dòng)器進(jìn)行應(yīng)急剎車。剎車動(dòng)作完成后，系統(tǒng)回油流回油箱。電動(dòng)泵出口設(shè)置壓力傳感器以監(jiān)控壓力油路壓力，泵出口高壓管路設(shè)有高壓油濾用以充分過(guò)濾油液中的雜質(zhì)。局部能源組件AMESim模型如圖5所示。

圖5 局部能源組件AMESim模型

3.3 電控應(yīng)急剎車系統(tǒng)模型

設(shè)定該應(yīng)急剎車系統(tǒng)中含6個(gè)50mL的機(jī)輪剎車容腔，結(jié)合電控應(yīng)急剎車閥和局部能源組件兩個(gè)關(guān)鍵部件的AMESim模型建立系統(tǒng)模型。由于參與應(yīng)急剎車控制的液壓系統(tǒng)中油液流動(dòng)為非恒定流，建模時(shí)需考慮管路直徑。由于系統(tǒng)的升降壓時(shí)間有嚴(yán)格的要求，因此管徑選取時(shí)采用極限流速法原則[6]。

建立電控應(yīng)急剎車系統(tǒng)模型(如圖6所示)后，利用AMESim中的Submodel Mode模塊為模型中全部元件進(jìn)行數(shù)學(xué)模型關(guān)聯(lián)并分別設(shè)置系統(tǒng)及各部件參數(shù)。關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖6 電控應(yīng)急剎車系統(tǒng)模型

表1 系統(tǒng)模型參數(shù)

3.4 仿真結(jié)果

3.4.1 剎車壓力上升時(shí)間

設(shè)置電控應(yīng)急剎車閥輸入指令為0到20mA階躍上升電流指令信號(hào)，得到剎車壓力-時(shí)間曲線(如圖7所示)。剎車壓力上升并穩(wěn)定到15MPa的時(shí)間約0.15s。

圖7 剎車壓力上升時(shí)間仿真結(jié)果

3.4.2 剎車壓力下降時(shí)間

設(shè)置電控應(yīng)急剎車閥輸入指令為20mA到0的階躍下降電流指令信號(hào)，得到剎車壓力-時(shí)間曲線(如圖8所示)。剎車壓力由15MPa下降到0.8MPa的時(shí)間約0.025s。

圖8 剎車壓力下降時(shí)間仿真結(jié)果

3.4.3 線性度

設(shè)置電控應(yīng)急剎車閥輸入指令為0.01Hz、0～20mA正弦電流信號(hào)，得到剎車壓力與電流指令曲線(如圖9所示)。根據(jù)仿真結(jié)果可知，剎車壓力跟隨指令電流變化的線性度較好，閥死區(qū)電流為5.4mA，最大剎車壓力約為15.1MPa。經(jīng)測(cè)算，得到電控應(yīng)急剎車閥線性度為1%。

圖9 應(yīng)急剎車壓力線性度仿真結(jié)果

3.4.4 泄漏量

設(shè)置電控應(yīng)急剎車閥輸入指令為0.01Hz、0～20mA正弦電流信號(hào)，得到流量-電流指令曲線(如圖10所示)，最大泄漏量為0.004L/min。

圖10 應(yīng)急剎車閥泄漏量仿真結(jié)果

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)電控應(yīng)急剎車系統(tǒng)模型搭建實(shí)物試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行電控應(yīng)急剎車系統(tǒng)試驗(yàn)，得到如圖11所示的剎車壓力-時(shí)間曲線。由試驗(yàn)曲線測(cè)得剎車壓力上升時(shí)間、下降時(shí)間并計(jì)算出電控應(yīng)急剎車閥線性度，在系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)測(cè)得系統(tǒng)泄漏量，綜合可得系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

圖11 電控應(yīng)急剎車系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

表2 電控應(yīng)急剎車系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)電控式應(yīng)急剎車系統(tǒng)仿真和試驗(yàn)結(jié)果，剎車壓力上升、下降時(shí)間均滿足不大于1s的要求，電控應(yīng)急剎車閥線性度和泄漏量也均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。研究發(fā)現(xiàn)，電控應(yīng)急剎車閥仿真和試驗(yàn)的壓力-時(shí)間曲線在建壓初期均存在壓力振蕩現(xiàn)象，這是由于閥芯建壓初期壓力連續(xù)調(diào)節(jié)至穩(wěn)定壓力時(shí)導(dǎo)致的。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮這些系統(tǒng)本身物理特性的瞬態(tài)影響。

試驗(yàn)對(duì)電控應(yīng)急剎車系統(tǒng)功能及關(guān)鍵部件性能進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與模型仿真結(jié)果基本相符，試驗(yàn)結(jié)果可指導(dǎo)電控應(yīng)急剎車閥的性能指標(biāo)優(yōu)化。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)建立基于AMESim的電控應(yīng)急剎車系統(tǒng)模型，對(duì)系統(tǒng)功能和部件性能進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

(1)局部能源組件和電控式應(yīng)急剎車閥等關(guān)鍵部件技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)合理，電控式應(yīng)急剎車系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的飛機(jī)應(yīng)急剎車功能。

(2)電控應(yīng)急剎車閥在建壓初期存在壓力振蕩現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮系統(tǒng)物理特性的瞬態(tài)影響。

(3)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，通過(guò)仿真和試驗(yàn)識(shí)別出了電控式應(yīng)急剎車系統(tǒng)研制的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于指導(dǎo)新型飛機(jī)電控式應(yīng)急剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。