飛機前起落架轉(zhuǎn)彎壽命試驗臺的設(shè)計

趙超澤，許 波，呂少力，姚 靜，魏 鵬，閆莉佳

(1.天津航天機電設(shè)備研究所，天津 300458；2.天津市宇航智能裝備技術(shù)企業(yè)重點實驗室，天津 300458；3.中航飛機起落架有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410200；4.燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

引言

飛機起落架是飛機上重要的零部件，在飛機上占有很大的比重，有數(shù)據(jù)表明，飛機的事故有50%是在飛機起飛和降落時產(chǎn)生的，所以起落架的性能直接決定了飛機的安全性能[1-7]。飛機起落架前起轉(zhuǎn)彎壽命試驗臺模擬飛機在轉(zhuǎn)彎工況下，施加轉(zhuǎn)彎力矩和3項軸力驗證飛機起落架的壽命試驗。在對飛機起落架主系統(tǒng)高低溫環(huán)境進行驗證時，采用高溫常溫和低溫兩套系統(tǒng)，整體放置環(huán)境箱[8-10]，比較復(fù)雜，成本較高，故障點多，本研究采用高低溫與常溫隔離方式，系統(tǒng)簡單、節(jié)能、安全可靠。在加載系統(tǒng)上現(xiàn)有的試驗設(shè)備只是模擬飛機在主動轉(zhuǎn)彎時，加載機構(gòu)模擬地面的摩擦力矩，結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)相對簡單，本研究介紹的試驗臺模擬4種轉(zhuǎn)彎工況，難度大，精度要求高。

1 試驗臺簡介

前起轉(zhuǎn)彎壽命試驗臺是為了模擬飛機起落架在轉(zhuǎn)彎時的真實工況，分為前起主動轉(zhuǎn)彎、被動轉(zhuǎn)彎、彈射轉(zhuǎn)彎、牽制轉(zhuǎn)彎4種工況。當(dāng)主動轉(zhuǎn)彎時，試驗臺需要施加被動的加載扭矩模擬地面的摩擦阻力；當(dāng)被動轉(zhuǎn)彎時，試驗臺需要施加主動的轉(zhuǎn)彎力矩和牽引力；彈射轉(zhuǎn)彎時，試驗臺需要施加彈射軸力和彈射彎矩；當(dāng)牽制轉(zhuǎn)彎時，試驗臺需要施加牽制軸力和牽制彎矩。4種工況下的施加力矩點和軸力點各不相同。這種加載方式在國內(nèi)還沒有應(yīng)用的案例，研究詳細介紹力矩的施加方式和施加點。

在對起落架真實狀況模擬，需要對產(chǎn)品的環(huán)境溫度和液壓油液的溫度進行有效控制。液壓主系統(tǒng)油液選用航空15號液壓油，工作在-55～100 ℃，常規(guī)液壓件的使用溫度在-20～80 ℃，遠遠超出常規(guī)液壓件的使用范圍。為了節(jié)約高低溫液壓件的使用，在主系統(tǒng)的液壓回路設(shè)計上增加了高低溫隔離缸用作高低溫油液的泵源，把常溫油液和高低溫油液進行隔離，降低了油液的溫升，減少了能源的浪費，起到了節(jié)能的目的。

2 加載機構(gòu)的工作原理

加載試驗臺主要分為框架，中間圓盤，外部圓盤，馬達，擺動缸，液壓缸等組成。結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

當(dāng)起落架主動轉(zhuǎn)彎時，中間圓盤通過擺動缸4施加被動扭矩。當(dāng)被動轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)彎力矩通過擺動缸4主動施加，力F1通過與圓盤平行的液壓缸1施加；彈射轉(zhuǎn)彎時，試驗臺通過液壓缸2施加彈射軸力F2，彈射彎矩通過馬達5施加；當(dāng)牽制轉(zhuǎn)彎時，試驗臺通過液壓缸3施加牽制軸力F3，牽制轉(zhuǎn)彎彎矩通過馬達5施加；把液壓缸安裝在圓盤上，通過外圈的馬達施加轉(zhuǎn)彎扭矩。

1.牽引轉(zhuǎn)彎液壓缸 2.彈射轉(zhuǎn)彎液壓缸 3.牽制轉(zhuǎn)彎液壓缸圖1 試驗臺結(jié)構(gòu)簡圖

3 液壓主系統(tǒng)原理介紹

液壓主系統(tǒng)主要是為起落架本身供油，模擬飛機轉(zhuǎn)彎的一些功能試驗。主系統(tǒng)所用油液為15號航空液壓油，其在50 ℃時，運動黏度不小于10 cSt；80 ℃時，其運動黏度不小于5 cSt；-40 ℃時，其運動黏度不大于600 cSt[11-13]。油液高低溫試驗是一種耗能試驗，所以高低溫液壓件的選擇越少越好。因此在設(shè)計主系統(tǒng)上，如何避免高低溫泵，減少液壓件的使用是設(shè)計的初衷。

根據(jù)試驗的需要，主系統(tǒng)主要分為：常溫泵源，伺服閥，常溫驅(qū)動缸，高低溫隔離缸，液壓橋路，氮氣罐，高低溫油箱，加熱冷卻機構(gòu)等組成。其液壓主系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。

圖2 液壓主系統(tǒng)工作原理圖

圖2中常溫液壓系統(tǒng)上采用的閥控缸結(jié)構(gòu)控制常溫驅(qū)動缸的速度，系統(tǒng)壓力靠比例溢流閥設(shè)定系統(tǒng)的加載壓力。常溫驅(qū)動缸和高低溫隔離缸在結(jié)構(gòu)設(shè)計上大小相同，加工精度和裝配精度都一樣，區(qū)別在于密封件的選擇上，高低溫隔離缸的密封件能滿足-55～100 ℃的溫度范圍。油路的走向為:當(dāng)高低溫隔離缸向左運動時從高低溫隔離缸左腔出來的高壓油液經(jīng)過液壓橋路上的單向閥25.1，進入到加熱(冷卻)裝置，對高壓油液進行加熱或冷卻，最終通過快換接頭28.1、28.2進入到被試產(chǎn)品中，從被試產(chǎn)品出來的油液經(jīng)過液壓橋路中的25.4，進入到高低溫隔離缸的右腔。當(dāng)高低溫隔離缸向右運動時，原理同上。常溫驅(qū)動缸通過機械連接帶動高低溫隔離缸做往復(fù)運動，高低溫隔離缸的油液通過液壓回路最終驅(qū)動被試產(chǎn)品的往復(fù)運動。氮氣瓶24為高低溫油箱提供壓力源，為高低溫隔離缸補充油液?；芈分械那蜷y29.3作用是為了使油液循環(huán)達到規(guī)定的實驗溫度。加熱冷卻裝置可以直接對高壓油液進行加熱或冷卻，避免了環(huán)境箱的使用。達到實驗溫度后，油液的溫升比較小，節(jié)能、加熱或冷卻功率低。

常規(guī)的高低溫試驗需要把泵站及閥站管路置于高低溫環(huán)境箱中，整個系統(tǒng)液壓件都為高低溫元件。圖2中只有高低溫缸23以后的液壓件為高低溫元件，減少了高低溫元件的使用，且高低溫元件的成本遠大于普通元件，減少了成本。高低溫泵在-55℃的自吸能力很差，本系統(tǒng)中不存在高低溫泵的選用，使整個系統(tǒng)的可靠性增加。

4 液壓加載系統(tǒng)原理介紹

針對加載4種工況，確定執(zhí)行元件有擺動缸，液壓馬達，伺服缸。主動轉(zhuǎn)彎時，擺動缸主要是提供被動扭矩模擬地面摩擦阻力；被動轉(zhuǎn)彎時，擺動缸提供轉(zhuǎn)彎扭矩，液壓缸1提供牽引轉(zhuǎn)彎的拉力；彈射轉(zhuǎn)彎時，馬達提供回轉(zhuǎn)的扭矩，液壓缸2提供彈射轉(zhuǎn)彎的拉力；牽制轉(zhuǎn)彎時，馬達提供回轉(zhuǎn)的扭矩，液壓缸3提供牽制轉(zhuǎn)彎的拉力。液壓加載系統(tǒng)1原理圖如圖3所示。

圖3 液壓加載系統(tǒng)1原理圖

圖3中，執(zhí)行元件為擺動缸和液壓馬達，齒輪齒條擺動缸不但可以提供方向扭矩，也可以提供主動加載扭矩。從油源過來的高壓油液經(jīng)過伺服閥15，最終到達擺動缸的4腔，這種閥控缸的形式既可以控制扭矩的被動加載，也可以控制扭矩的主動加載，伺服閥處于一三象限，擺動缸主動加載扭矩；伺服閥處于二四象限，擺動缸實現(xiàn)被動加載扭矩。在實現(xiàn)被動扭矩加載的情況時，也可以用17.1、17.2比例溢流閥，控制被動加載壓力，最終實現(xiàn)扭矩的加載。單向閥19.1、19.2主要用來補油，當(dāng)擺動缸的一腔油液減少時，通過單向閥從油箱吸油。在比例溢流閥旁邊并聯(lián)直動式溢流閥，當(dāng)比例減壓閥出現(xiàn)故障時，關(guān)閉球閥11.22、11.23，手動調(diào)節(jié)直動式溢流閥控制被動加載壓力。打開球閥11.13，擺動缸的四腔溝通，擺動缸不提供扭矩。液壓馬達是為了提供外環(huán)轉(zhuǎn)速的控制，伺服閥16控制液壓馬達的轉(zhuǎn)速，加載到被試件上的扭矩靠馬達和擺動缸的耦合控制。2個單向閥20.1和20.2是為了實現(xiàn)馬達的補油，8.7和8.8 2個溢流閥起到安全保護作用。

圖4為3個軸力的加載系統(tǒng)圖，1、2、3分別為三種轉(zhuǎn)彎工況下拉力液壓缸。3個執(zhí)行機構(gòu)的系統(tǒng)圖一樣，對其中牽引轉(zhuǎn)彎拉力液壓缸的系統(tǒng)進行簡單介紹，從泵源過來的高壓油液經(jīng)過伺服閥到達液壓缸，采用閥控缸的結(jié)構(gòu)形式，伺服閥前的蓄能器是為了吸收伺服閥前的壓力脈動，起到穩(wěn)壓作用，伺服閥并聯(lián)1個三位四通電磁換向閥是為了防止伺服閥出現(xiàn)故障，靠換向閥實現(xiàn)液壓缸的換向停止，防止事故的發(fā)生，兩端的溢流閥起到安全保護作用，防止壓力超高，損壞液壓缸，液壓加載系統(tǒng)2原理如圖4所示。

5 液壓加載系統(tǒng)控制策略及仿真

針對測試系統(tǒng)中不同的加載類型，分別選用伺服液壓缸1對起落架中心點輪軸施加牽引力F1，伺服液壓缸2在旋轉(zhuǎn)套筒的彈射桿安裝接口處施加彈射軸力F2，伺服液壓缸3在扭力臂鉸點處施加牽引軸力F3，選用馬達為不同加載類型提供豎軸轉(zhuǎn)彎力矩M1，M2，M3，選用擺動缸施加阻力扭矩，模擬地面摩擦力矩。在測試試驗過程中，為確保系統(tǒng)中液壓缸1、2、3提供的拉力均為恒力，以及擺動缸提供的阻力力矩為恒力矩，并確保馬達的轉(zhuǎn)速在各工況所規(guī)定的范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)，因此各個液壓缸采用力閉環(huán)控制策略保證液壓缸輸出恒力、馬達采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制策略。

力閉環(huán)控制相較位置控制、速度控制系統(tǒng)的控制難度較大、控制性能較差。因此需要加入高魯棒控制器，來保證測試實驗中系統(tǒng)的動態(tài)性能以及系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性。力控制框圖如圖5所示。

圖5 力控制框圖

轉(zhuǎn)速控制框圖如圖6所示?？刂葡到y(tǒng)實際為一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)由馬達的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為各個液壓缸獨立的力閉環(huán)控制。

圖6 轉(zhuǎn)速控制框圖

為保證對前起落架施加恒定的轉(zhuǎn)彎力矩，對擺動缸進行力閉環(huán)控制，使擺動缸模擬恒定的摩擦轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)彎力矩由馬達轉(zhuǎn)動產(chǎn)生，因此馬達轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制與擺動缸力閉環(huán)控制在前起落架轉(zhuǎn)彎扭矩點存在耦合。由于耦合的存在，不利于力閉環(huán)控制，造成前起落架轉(zhuǎn)彎點扭矩的波動。針對耦合現(xiàn)象，需采用前饋負(fù)載同步補償解耦控制策略進行有效的抑制。解耦控制策略框圖如圖7所示。

圖7 解耦控制策略框圖

圖8為加載系統(tǒng)的AMESim仿真模型。

圖8 加載系統(tǒng)仿真模型

外環(huán)加載馬達轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制如下：

(1) 牽引轉(zhuǎn)彎工況

摩擦力矩設(shè)置為2.34 kN·m，其他參數(shù)設(shè)置如下：

加減速段：角加速度為40 (°)/s2，加減速度范圍均為5°，加減速時間均為0.5 s；

勻速階段：轉(zhuǎn)動角速度為20 (°)/s，勻速范圍為130°，勻速時間為6.5 s。

仿真曲線如圖9所示。由圖9a可以看出，角速度為α1，在牽引轉(zhuǎn)彎時，馬達從0°～140°經(jīng)過先加速，然后再勻速，再減速，從140°～0°也需要先加速，然后再勻速，再減速。給定信號與反饋角速度信號基本保持一致，誤差很小。圖9b為角度α2與時間的關(guān)系，在一個周期內(nèi)，隨著時間增加，角度在變大，從0°～140°，再從140°～0°。圖9c為角加速度α3與時間的關(guān)系，在加速階段，加速度為0.7 rad/s2，勻速階段為0 rad/s2，減速階段為-0.7 rad/s2。圖9d為馬達輸出扭矩T與時間的關(guān)系，在加速階段，馬達不僅要克服摩擦阻力矩，還有克服慣量矩，輸出扭矩為4700 N·m，在勻速階段，只需要克服摩擦阻力矩，輸出扭矩為2340 N·m，在減速階段，慣性力矩和摩擦力矩的合力矩為-20 N·m。圖9e，為馬達兩端的壓力p，加速階段分別為13.8和12.5 MPa，勻速階段分別為13.3和12.8 MPa，減速階段13.1 MPa。圖9f，為馬達流量Q曲線，正負(fù)代表方向，勻速階段為80 L/min。以下兩種情況和牽引轉(zhuǎn)彎情況，仿真曲線的含義一致，不再過多介紹。

圖9 牽引轉(zhuǎn)彎工況仿真曲線

(2) 彈射轉(zhuǎn)彎工況

摩擦力矩設(shè)置為33.44 kN·m，其他參數(shù)設(shè)置如下：

加減速段：角加速度為5.63 (°)/s2，加減速度范圍均為5°，加減速時間均為1.33 s；

勻速階段：轉(zhuǎn)動角速度為7.5 (°)/s，勻速范圍為10°，勻速時間為1.67 s；

仿真曲線如圖10所示。

圖10 彈射轉(zhuǎn)彎工況仿真曲線

(3) 牽制轉(zhuǎn)彎工況

摩擦力矩設(shè)置為12.34 kN·m，其他參數(shù)設(shè)置如下：

加減速段：角加速度為5.63°/s2，加減速度范圍均為5°，加減速時間均為1.33 s；

勻速階段：轉(zhuǎn)動角速度為7.5°/s，勻速范圍為20°，勻速時間為2.67 s；

仿真曲線如圖11所示。

圖11 牽制轉(zhuǎn)彎工況仿真曲線

6 結(jié)論

本研究主要介紹了飛機起落架液壓主系統(tǒng)和加載系統(tǒng)的設(shè)計及控制策略。在飛機起落架主系統(tǒng)上，設(shè)計出一種高低溫隔離裝置，具有以下優(yōu)點：

(1) 節(jié)能，避免功率的浪費，通過隔離裝置把高低溫油液與常溫油液隔離，高低溫油液只在一個小的范圍內(nèi)循環(huán)，減少高低溫泵源，系統(tǒng)的溫升也少，通過加熱(冷卻)的功率變小，起到節(jié)能作用；

(2) 成本低，可靠性增加。本隔離裝置減少高低溫元件的使用，高低溫元件的成本遠大于常溫元件，省掉了高低溫液壓泵，高低溫液壓泵在-55 ℃的自吸能力很差，使系統(tǒng)可靠性增加。在加載系統(tǒng)設(shè)計上，針對大慣量負(fù)載，在控制策略上增加慣性環(huán)節(jié)，從仿真可以看出，效果理想，解決了飛機起落架模擬地面轉(zhuǎn)彎力矩的困難，為以后的實驗開辟了新的思路。