多輪系多支柱飛機(jī)剎車壓力控制系統(tǒng)諧振問題研究

王紅玲, 田廣來, 付龍飛, 劉勁松, 強(qiáng)剛, 趙文慶

(1.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.西安航空制動科技有限公司, 陜西 興平 713106)

大型軍用運(yùn)輸機(jī)、民航客機(jī)的大載荷使得飛機(jī)液壓系統(tǒng)愈向高速、高壓和大功率的方向發(fā)展[1]。大飛機(jī)采用的多輪系多支柱起落架布局以及剎車壓力控制系統(tǒng)方案，使得此類飛機(jī)的剎車系統(tǒng)更加龐雜。壓力控制元件的技術(shù)以及系統(tǒng)和元件的耦合性使得系統(tǒng)諧振問題成為一項主要研究課題[2-3]。多輪系多支柱飛機(jī)剎車液壓管路系統(tǒng)諧振不僅影響剎車系統(tǒng)的工作性能及元件使用壽命，還將嚴(yán)重影響飛機(jī)的飛行著陸安全。

1 諧振機(jī)理分析

1.1 振源分析

流體管路系統(tǒng)振動是由流體的壓力脈動引起的，而流體的壓力脈動主要是流量脈動在系統(tǒng)存在阻抗時產(chǎn)生的[4-5]。在液壓系統(tǒng)中，產(chǎn)生流量脈動的主要根源有2類：①液壓泵;②執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制元件及負(fù)載。在剎車液壓管路系統(tǒng)中，壓力控制閥的控制腔室壓力變化和剎車液壓缸的負(fù)載變化都有可能成為產(chǎn)生振動的原因[5-7]。

1.2 管路流固耦合機(jī)理分析

飛機(jī)液壓系統(tǒng)管路是一種輸流管道系統(tǒng)，具有管道細(xì)長、管璧薄、支承點(diǎn)少、支承基礎(chǔ)剛性小和承受載荷大等特點(diǎn)，其流固耦合振動研究一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)[8-9]。輸流管流固耦合作用的機(jī)理主要有3種：摩擦耦合、泊松耦合、連接耦合，從作用機(jī)理而言，摩擦耦合和泊松耦合是管道系統(tǒng)固有的、整體的動力學(xué)行為，連接耦合是管道系統(tǒng)的局部行為。

1.3 剎車壓力控制系統(tǒng)流固耦合分析

剎車壓力控制系統(tǒng)的振動問題，是壓力控制元件和剎車系統(tǒng)管路共同作用的振動，是一種典型的流固耦合振動[3]。液壓系統(tǒng)工作流速變化會引起壓力波在管路內(nèi)的傳遞，如果瞬時流速變化較大，壓力波的傳遞使得液壓管路的壓力波動峰值加大，這樣的波動又會引入剎車壓力控制元件，對剎車壓力控制元件造成影響，同時壓力控制元件的工作又反過來影響管路壓力波的狀態(tài)[4,10]。

為了減小由壓力控制閥及負(fù)載引起的壓力脈動，可以從2個方面來解決：

1) 改進(jìn)剎車壓力控制閥的特性，例如增加其阻尼，并降低對剎車壓力以及回油壓力波動的敏感性等；

2) 改進(jìn)系統(tǒng)管路特性，例如加裝節(jié)流裝置，增大管路壓力波動衰減等。

2 剎車壓力控制系統(tǒng)振動的仿真分析

利用Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems(AMEsim)仿真軟件構(gòu)建了剎車壓力控制系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行動、靜態(tài)特性仿真[11-12]。剎車壓力控制閥以超級元件的形式出現(xiàn)在模型中，如圖1所示。

圖1 剎車系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)圖1的仿真模型，將控制閥的輸入電流信號作為控制量，將剎車裝置的輸出壓力作為觀察量，進(jìn)行剎車系統(tǒng)的頻率特性仿真。圖2為其仿真曲線，幅頻在(-3 dB)時頻率為16 Hz，相頻在(-90°)時頻率為10 Hz。圖3為實(shí)測的剎車壓力控制閥頻響特性，幅頻在(-3 dB)時頻率為11 Hz，相頻在(-90°)時頻率為21 Hz。在仿真和測試時，閥的剎車控制端通過一個8通徑的硬管連接至剎車裝置。

圖2 頻率特性的仿真曲線(帶剎車裝置)

在系統(tǒng)的回油管路上引入一個回油背壓的干擾信號，仿真表明若系統(tǒng)背壓存在波動，剎車壓力控制閥的輸出壓力會隨之產(chǎn)生波動，見圖4。

圖3 頻率特性實(shí)測波特圖(帶剎車裝置)

圖4 背壓波動時的剎車壓力波動情況

3 仿真分析結(jié)果

仿真分析表明在系統(tǒng)回油背壓存在擾動時，剎車控制閥的輸出壓力將直接受其影響，產(chǎn)生波動，從而引發(fā)系統(tǒng)諧振。系統(tǒng)回油背壓對剎車控制閥的影響主要有2個方面：

1) 液壓放大器：液壓放大器的恢復(fù)壓力和輸出效率主要受到供油壓力和回油壓力的影響，剎車控制閥的液壓放大器為半橋型工作方式，根據(jù)試驗分析回油背壓增加時，先導(dǎo)級的輸出壓力隨之增加；

2) 功率級滑閥：回油背壓直接參與功率級滑閥的閥芯力平衡，根據(jù)受力分析，回油背壓增加時，將引起剎車腔的輸出壓力減小。

4 改進(jìn)方案措施

為減少回油背壓的影響，從以下2個方面考慮對控制閥進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)：

1) 考慮回油背壓對射流放大器的影響，將射流放大器的控制方式由半橋型改為全橋型，即利用射流放大器的壓差特性[8]。回油背壓波動時，射流放大器及剎車控制閥先導(dǎo)級的輸出壓力保持恒定；

2) 考慮回油背壓對功率級滑閥的影響，更改功率級滑閥的結(jié)構(gòu)形式，將分離式閥芯改為整體式閥芯，以免分離式閥芯串動;

3) 將功率級反饋面積比更改為C=2.56，減少功率級的壓力增益，減小回油壓力對滑閥的影響；

4) 將剎車控制閥進(jìn)行分離，各閥接獨(dú)立的進(jìn)、回油管，避免各控制閥之間相互影響。

5) 在先導(dǎo)級組件回油口處增加回油節(jié)流孔，能減小回油背壓波動對射流放大器的影響，進(jìn)一步提高穩(wěn)定性。且實(shí)施方便，對系統(tǒng)無影響。

落實(shí)改進(jìn)方案產(chǎn)品試驗臺架上進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果在臺架試驗較改前諧振現(xiàn)象明顯改善。

5 改進(jìn)方案仿真分析

對剎車壓力控制閥改進(jìn)方案進(jìn)行了仿真分析。圖5為剎車壓力控制閥改進(jìn)方案的仿真模型。

圖5 改進(jìn)方案的仿真模型

管路選擇為計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)子模型[5]，進(jìn)行了仿真計算：

1)剎車管：8 mm/6 m; 回油管：12 mm/6 m/6 bar；剎車閥：100 Hz/0.4。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示；

2)剎車管：8mm/6m; 回油管：12mm/12m/6bar；剎車閥：100Hz/0.4。仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖6 剎車裝置處壓力 圖7 剎車閥回油壓力 圖8 剎車裝置處壓力

圖9 剎車閥回油壓力

分析表明，在相同的條件下，剎車控制閥改進(jìn)方案未出現(xiàn)壓力波動，表明改進(jìn)方案抗諧振的能力強(qiáng)于改進(jìn)前。

6 結(jié) 論

剎車系統(tǒng)液壓管路諧振是由剎車系統(tǒng)管路壓力振動同剎車系統(tǒng)壓力控制元件引起的壓力振動共同引起的，是一種典型的流固耦合振動。

本次研究通過改變剎車壓力控制閥的結(jié)構(gòu)解決了液壓管路諧振問題，具體的改進(jìn)措施為前置級射流放大器由單接收器驅(qū)動控制改為雙接收器差壓驅(qū)動控制、滑閥功率將分離式閥芯改為整體閥芯結(jié)構(gòu)、雙閥分離共用一個底座。改進(jìn)后可以提高力矩馬達(dá)及功率級的壓力穩(wěn)定性，減小振動耦合，避免諧振現(xiàn)象。

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