面向飛機(jī)剎車壓力伺服閥的電磁切斷閥開啟特性優(yōu)化研究

陳 龍， 葛聲宏， 包逸平， 朱玉川

(1.中航工業(yè)南京伺服控制系統(tǒng)有限公司， 江蘇南京 210032;2.空軍裝備部駐南京地區(qū)第三軍事代表室， 江蘇南京 211100; 3.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 江蘇南京 210016)

引言

飛機(jī)的可靠性和安全性是衡量飛機(jī)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。飛機(jī)在滑跑過程中主要依靠剎車控制，并配合發(fā)動(dòng)機(jī)推力、有限的舵面控制以及前輪操縱等多種手段來保證飛機(jī)在滑跑階段的穩(wěn)定性和可操作性。飛機(jī)剎車系統(tǒng)作為飛機(jī)重要的機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)之一，在飛機(jī)起飛、中止和著陸過程中發(fā)揮著不可替代的作用，其必須在瞬間吸收絕大部分的飛機(jī)著陸動(dòng)能[1-3]。飛機(jī)剎車壓力伺服閥作為液壓剎車系統(tǒng)的核心元器件，具有高精度、高頻響、大功率密度等技術(shù)特性，能夠根據(jù)機(jī)輪速度和打滑深度精確地實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電液壓力伺服閥輸出的剎車壓力，從而提高了剎車效率和準(zhǔn)確性，滿足飛機(jī)剎車過程中提出的各種要求[4-8]。

飛機(jī)剎車壓力伺服閥由電磁切斷閥和電液壓力伺服閥等組成，在正常飛機(jī)剎車過程中，電磁切斷閥能可靠地保證電液伺服閥的高壓供油路暢通無阻，當(dāng)剎車系統(tǒng)或壓力伺服閥出現(xiàn)故障時(shí)，電磁切斷閥能立即切斷油路，停止伺服閥高壓側(cè)供油，防止因剎車壓力不斷上升而導(dǎo)致的拖胎現(xiàn)象，預(yù)防飛機(jī)爆胎，避免出現(xiàn)事故。

電磁切斷閥又稱作液壓鎖，是一種由電磁鐵驅(qū)動(dòng)的開關(guān)式電磁閥，因此電磁閥的動(dòng)態(tài)特性對(duì)飛機(jī)剎車系統(tǒng)的性能有著重要的影響，快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有利于實(shí)現(xiàn)更迅速的剎車壓力控制，展現(xiàn)更良好的剎車優(yōu)勢(shì)，具有更優(yōu)的軍事和民航價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電磁切斷閥以及飛機(jī)剎車壓力伺服閥開展了諸多研究：原佳陽等[9]設(shè)計(jì)出一種旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)電液壓力伺服閥，具有較高的動(dòng)靜態(tài)性能，可應(yīng)用于飛機(jī)剎車壓力伺服系統(tǒng)中。龍謙等[10]研究了一種由切斷閥和雙自由度(2D)壓力伺服閥組成的剎車控制閥組件。尚耀星等[11]研究了一種基于開關(guān)閥陣列的飛機(jī)剎車控制閥，該剎車控制閥具有良好的抗油污染性能和穩(wěn)定性。余三成等[12]設(shè)計(jì)了一種采用錐閥式軟密封結(jié)構(gòu)的新型電磁切斷閥，并對(duì)其壽命和密封效果進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，該新型閥具有可靠的啟閉效果和密封保壓效果，能保證伺服機(jī)構(gòu)在任意位置都處于鎖緊狀態(tài)。鐘亮等[13]在對(duì)電液伺服閥和切斷閥電磁場(chǎng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，探索了組合條件下切斷閥的電磁場(chǎng)對(duì)電液伺服閥輸出性能的影響規(guī)律，并進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)。李廣濤[14]基于Fluent對(duì)電磁切斷閥內(nèi)部鋼球-活門結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)進(jìn)行了研究，分析了其工作過程中的流體速度和壓力分布狀況，驗(yàn)證了鋼球-活門結(jié)構(gòu)在流道阻斷和油路切換上的工作可靠性。楊鵬[15]基于AMESim建立了剎車系統(tǒng)模型，并通過仿真分析得出，飛機(jī)剎車系統(tǒng)中剎車壓力建立緩慢是因?yàn)槠鋬?nèi)部剎車切斷閥的設(shè)計(jì)存在問題，但未研究剎車切斷閥SOV的優(yōu)化方法。胡偉[16]對(duì)某型民用客機(jī)由于剎車切斷閥打開響應(yīng)延遲造成飛機(jī)剎車系統(tǒng)出現(xiàn)自動(dòng)剎車解除，并觸發(fā)單套剎車失效告警的故障現(xiàn)象進(jìn)行了分析，闡述了由剎車切斷閥引發(fā)的剎車失效故障機(jī)理，為故障定位和航線維護(hù)提供了參考。

綜上所述，目前關(guān)于電磁切斷閥的研究大多集中在液壓鎖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原理驗(yàn)證和鋼球活門結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)仿真上，很少有關(guān)于電磁切斷閥的性能仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究，然而電磁切斷閥的性能關(guān)乎整個(gè)飛機(jī)的剎車性能，常常是飛機(jī)剎車故障的問題所在，因此本研究針對(duì)某型飛機(jī)剎車系統(tǒng)上的電磁切斷閥組件開展基于AMESim的性能仿真研究，分析電磁切斷閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，聚焦切斷閥內(nèi)部壓力建立的動(dòng)態(tài)過程，并針對(duì)切斷閥開啟時(shí)所產(chǎn)生的壓力振蕩現(xiàn)象開展仿真優(yōu)化。

1 電磁切斷閥組件結(jié)構(gòu)及工作原理

電磁切斷閥是一種由電磁鐵驅(qū)動(dòng)的開關(guān)式電磁閥，由電磁鐵、鋼球活門、活塞以及閥芯等部分組成，其主要作用為開啟和關(guān)閉伺服閥的供油路，實(shí)現(xiàn)伺服閥油路的緊急切斷。切斷閥具體的工作原理為：初始狀態(tài)下，主閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)線圈未通電，銜鐵在彈簧力作用下處在左極限位置，而鋼球也在液壓力的作用下處在左極限位置堵住回油口，此時(shí)活塞左端與閥芯右端的作用壓力均為供油壓力，但由于左端面積大于右端面積，驅(qū)動(dòng)主閥芯向右運(yùn)動(dòng)，切斷閥關(guān)閉，停止給伺服閥供油，如圖1a所示；當(dāng)切斷閥通電時(shí)，線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，銜鐵產(chǎn)生電磁力并向右運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)鋼球向右運(yùn)動(dòng)，使活塞左端油路與回油路接通，主閥芯在右端供油壓力作用下向左運(yùn)動(dòng)，切斷閥開啟，開始給伺服閥供油，如圖1b所示，實(shí)現(xiàn)切斷閥通電開鎖、斷電閉鎖的功能。

圖1 電磁切斷閥通斷油路示意圖Fig.1 Schematic diagram of switching oil circuit of solenoid shut-off valve

2 電磁切斷閥仿真分析

2.1 AMESim仿真模型

電磁切斷閥涉及電、磁、機(jī)、液等多物理場(chǎng)耦合，利用AMESim仿真平臺(tái)提供的液壓元件設(shè)計(jì)庫、電磁元件設(shè)計(jì)庫以及機(jī)械元件設(shè)計(jì)庫，根據(jù)切斷閥的結(jié)構(gòu)與工作原理搭建的仿真模型如圖2所示，其中包括電磁鐵模塊、鋼球活門模塊、活塞模塊、閥芯模塊以及負(fù)載模塊等。綜合考慮切斷閥的實(shí)際工況和工作性能，在主閥芯和活塞子模型中均增加了泄漏模塊，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的負(fù)載模塊，通過施加恒定外力的方式以便在液壓缸無桿腔產(chǎn)生固定的壓力負(fù)載。

圖2 電磁切斷閥AMESim仿真模型Fig.2 AMESim simulation model of solenoid shut-off valve

此外，根據(jù)切斷閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真模型中主要的參數(shù)設(shè)置如表1所示， 其他參數(shù)均按系統(tǒng)子模型的默認(rèn)參數(shù)，并設(shè)置系統(tǒng)的仿真步長(zhǎng)為0.0001 s。

表1 系統(tǒng)模型的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of system model

2.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析

將表1的系統(tǒng)參數(shù)輸入模型中，并設(shè)置系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為幅值28 V、頻率5 Hz、占空比0.5的PWM信號(hào)，且通過設(shè)計(jì)液壓缸的外力使得液壓缸無桿腔的壓力負(fù)載為21 MPa，仿真得到電磁切斷閥先導(dǎo)級(jí)第一個(gè)周期的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖3所示，其中x1為先導(dǎo)級(jí)鋼球活門位移。電磁切斷閥的先導(dǎo)級(jí)實(shí)際上為一個(gè)二位三通的開關(guān)閥，由圖3可知，由于采用電磁驅(qū)動(dòng)，則鋼球活門的開啟與關(guān)閉將不可避免地存在一定延遲，鋼球活門的開啟延遲時(shí)間為11.6 ms，總的開啟時(shí)間為14.4 ms，關(guān)閉延遲時(shí)間11.2 ms，總的關(guān)閉時(shí)間為14.8 ms。

圖3 先導(dǎo)級(jí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.3 Dynamic response curve of pilot stage

隨著先導(dǎo)級(jí)鋼球活門的開啟，活塞左端與回油路連通，此時(shí)左端壓力迅速下降，主閥芯在右端壓力的作用向左運(yùn)動(dòng)，主閥芯的位移曲線如圖4所示。由圖可知，主閥芯的開啟與關(guān)閉直接受到先導(dǎo)級(jí)的影響，也存在一定的延遲，其開啟延遲為14.2 ms，總的開啟時(shí)間為16.5 ms，關(guān)閉延遲為15.2 ms，總的關(guān)閉時(shí)間為19.5 ms。

圖4 主閥芯位移曲線Fig.4 Displacement curve of main valve core

此外，為了分析負(fù)載腔的壓力響應(yīng)特性，輸出主閥芯開啟階段負(fù)載腔的壓力變化曲線，如圖5所示。由圖可知，在主閥芯開啟過程中，負(fù)載腔出現(xiàn)了壓力振蕩現(xiàn)象，壓力脈動(dòng)的最大值達(dá)到了23.04 MPa。

圖5 負(fù)載腔的壓力響應(yīng)曲線Fig.5 Pressure response curve of load chamber

3 壓力振蕩優(yōu)化仿真

由上述分析可知，在切斷閥開啟過程中，負(fù)載腔會(huì)產(chǎn)生壓力振蕩現(xiàn)象，由于切斷閥的負(fù)載腔在實(shí)際剎車系統(tǒng)中連接著電液伺服閥，因此壓力振蕩現(xiàn)象將會(huì)對(duì)伺服閥造成瞬時(shí)液壓沖擊，對(duì)其性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了減小壓力振蕩，且不改變切斷閥的原始結(jié)構(gòu)，本研究對(duì)活塞左端油路添加節(jié)流阻尼孔與主閥芯重疊處開先導(dǎo)槽兩種優(yōu)化方法進(jìn)行了仿真分析。

3.1 節(jié)流阻尼孔對(duì)壓力振蕩的影響

如圖6所示在活塞左端油路添加節(jié)流阻尼孔，其目的在于當(dāng)切斷閥通電開啟時(shí)，活塞左端油路與回油路接通，通過減小通流面積的方式減小活塞左端壓力下降的速度，即減小主閥芯開啟的速度。

圖6 活塞左端油路加節(jié)流阻尼孔仿真模型Fig.6 Pressure curve of load chamber under different damping hole diameters

分別設(shè)置阻尼孔的直徑為0.8，0.7，0.6，0.5，0.4 mm 5種規(guī)格進(jìn)行仿真，并與未加阻尼孔的仿真進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。由圖可知，隨著阻尼孔直徑的減小，負(fù)載腔壓力上升時(shí)間越長(zhǎng)，相應(yīng)的壓力峰值也越小。相較于未加阻尼孔的仿真結(jié)果，當(dāng)阻尼孔直徑為0.5 mm時(shí)，最大壓力減小了0.94 MPa，但上升時(shí)間增加了4.3 ms；而當(dāng)阻尼孔直徑為0.4 mm時(shí)，最大壓力減小了1.17 MPa，但上升時(shí)間卻增加了7.7 ms。即通過增加節(jié)流阻尼孔，能夠減小壓力振蕩的峰值，但隨著阻尼孔直徑進(jìn)一步減小，對(duì)于減小壓力振蕩峰值的作用逐漸減弱，但壓力上升時(shí)間卻快速增加。

圖7 不同阻尼孔直徑下負(fù)載腔的壓力曲線Fig.7 Comparison of flow area under different groove sizes

因此，通過上述仿真分析，在活塞左端油路添加0.5 mm的節(jié)流阻尼孔，能夠在犧牲一定上升時(shí)間的情況下保證壓力振蕩現(xiàn)象的減小，一定程度削弱壓力振蕩的影響。

3.2 閥芯重疊處加先導(dǎo)槽對(duì)壓力振蕩的影響

切斷閥的主閥芯在初始狀態(tài)時(shí)存在1.5 mm的重疊量，保證切斷閥能夠可靠關(guān)閉。但一旦主閥芯開啟后，通流面積快速增大，也可能會(huì)對(duì)壓力振蕩現(xiàn)象產(chǎn)生影響。因此，通過在閥芯重疊處開不同規(guī)格的先導(dǎo)槽進(jìn)行仿真研究，分析其對(duì)負(fù)載腔壓力振蕩的影響，閥芯先導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)如圖8所示。

(注：高度即槽深)圖8 閥芯先導(dǎo)槽Fig.8 Pilot groove of valve core

根據(jù)主閥芯的重疊量，分別選取5種規(guī)格的先導(dǎo)槽尺寸，如表2所示。此外，根據(jù)仿真軟件的特點(diǎn)，僅對(duì)先導(dǎo)槽尺寸對(duì)于閥口的通流面積的變化作用進(jìn)行分析。通過對(duì)不同先導(dǎo)槽尺寸對(duì)于通流面積影響的研究，可得如圖9所示的閥芯位移與通流面積的關(guān)系，并將該曲線導(dǎo)入AMESim中進(jìn)行仿真。

表2 先導(dǎo)槽的尺寸規(guī)格Tab.2 Dimensions of pilot groove

圖9 不同先導(dǎo)槽尺寸下通流面積比較Fig.9 Pressure curve under different groove sizes

通過對(duì)不同先導(dǎo)槽尺寸的仿真，得到對(duì)應(yīng)的負(fù)載腔壓力曲線如圖10所示。由圖可知，閥芯重疊處開先導(dǎo)槽的方法相較于在活塞左端油路加阻尼節(jié)流孔對(duì)于壓力振蕩峰值減弱較小，但卻能在一定程度上減小壓力上升時(shí)間；減小壓力上升時(shí)間即加快壓力響應(yīng)，能夠有助于剎車壓力的快速控制，提高剎車系統(tǒng)靈敏性；同時(shí)開先導(dǎo)槽還有助于改善正重疊閥易產(chǎn)生氣穴的特性。

圖10 不同槽尺寸下負(fù)載腔的壓力曲線Fig.10 Pressure curve under different groove sizes

4 結(jié)論

本研究針對(duì)某型飛機(jī)剎車系統(tǒng)上的電磁切斷閥進(jìn)行性能仿真研究，根據(jù)切斷閥的實(shí)際結(jié)構(gòu)與工作原理，搭建了AMESim仿真模型并進(jìn)行仿真研究，得到如下結(jié)論：

(1) 通過對(duì)切斷閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析，可知基于電磁驅(qū)動(dòng)的先導(dǎo)級(jí)鋼球-活門結(jié)構(gòu)在開啟和關(guān)閉階段均存在不可避免的延遲，其中鋼球活門的開啟延遲時(shí)間為11.6 ms，總的開啟時(shí)間為14.4 ms，關(guān)閉延遲時(shí)間11.2 ms，總的關(guān)閉時(shí)間為14.8 ms，由此造成主閥芯的開啟與關(guān)閉時(shí)間也分別達(dá)到了16.5 ms與19.5 ms；

(2) 為減小切斷閥開啟過程中在負(fù)載腔產(chǎn)生的壓力振蕩現(xiàn)象，在不改變切斷閥原始結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)活塞左端油路添加節(jié)流阻尼孔與主閥芯重疊處開先導(dǎo)槽2種方法進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，通過增加節(jié)流阻尼孔，能夠減小壓力振蕩的最大壓力值，但是會(huì)增加壓力上升時(shí)間，通過對(duì)比分析，在活塞左端油路添加0.5 mm的節(jié)流阻尼孔，能夠在犧牲一定上升時(shí)間的情況下較好地削弱壓力振蕩的影響。而閥芯重疊處開先導(dǎo)槽的方法對(duì)于壓力振蕩現(xiàn)象基本沒有影響，但是卻能在一定程度上縮短壓力上升時(shí)間，加快壓力響應(yīng)；

(3) 由于21 MPa的液壓系統(tǒng)要求剎車系統(tǒng)所有附件能夠在31.5 MPa的長(zhǎng)時(shí)間耐壓下正常工作，通過仿真結(jié)果可知2種優(yōu)化方法下的壓力振蕩峰值都在22.5 MPa以內(nèi)，均在切斷閥的可承受范圍足夠裕度內(nèi)；且2種優(yōu)化方法下壓力振蕩峰值差大約僅為0.5 MPa；但是快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)卻有助于提高剎車壓力控制的靈敏性，故在壓力振蕩峰值相差不大的情況下，能夠加快壓力響應(yīng)的在閥芯重疊處開先導(dǎo)槽優(yōu)化方法更符合工程實(shí)際需要。某型飛機(jī)剎車電磁切斷閥選擇閥芯開先導(dǎo)槽優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)際使用效果良好。