飛機起落架收放系統動力學分析與試驗

印 寅， 聶 宏， 魏小輝， 倪華近

(南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室 南京,210016)

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飛機起落架收放系統動力學分析與試驗

印 寅， 聶 宏， 魏小輝， 倪華近

(南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室 南京,210016)

采用虛擬仿真及物理試驗相結合的方法對飛機起落架收放系統性能進行研究。基于收放系統工作原理，推導了動力學數學模型，建立了結合起落架動力學和液壓系統的多學科協同仿真模型，通過試驗結果對虛擬樣機模型進行驗證。基于虛擬模型和試驗平臺對液壓系統阻尼特性進行了分析,結果表明,聯合仿真模型的壓力曲線與試驗實測數據吻合良好，為起落架收放系統提供了準確的設計方法。仿真及試驗表明，阻尼孔徑的縮小使壓力變化緩慢同時振蕩較嚴重，液壓缸作動滯后較為明顯。

起落架； 收放系統； 動力學； 聯合仿真;收斂試驗

引 言

飛機起落架收放系統比較復雜，是發生故障概率較高的部分[1-2]。系統設計的優劣影響著起落架收放性能。傳統的設計方法以經驗為主，通過試驗對液壓元件關鍵參數進行設計調試，對收放系統的故障的診斷和研究大多也是依靠經驗和地面試驗[3]，這樣的模式增加了研制周期和設計成本。隨著計算機仿真技術的發展，由虛擬仿真對起落架收放系統進行設計分析成為趨勢，試驗手段則由原先的設計變為驗證，大大縮短研制周期，而如何準確地模擬收放系統則成為研究的關鍵[4]。

在起落架收放系統仿真分析方面，國內外學者做了較多研究。文獻[5-6]基于ADAMS仿真平臺建立起落架收放動力學模型，液壓系統模型采用公式推導并以力元形式集成于動力學模型中進行仿真分析，系統模型做過相應簡化。朱武峰等[7]基于AMESim建立了起落架收放液壓系統動力學模型，考慮液壓系統參數對收放性能的影響，由于計算模型中忽略了起落架收放動力學的分析，作動筒外載簡單處理為一定值。文獻[8-9]結合力學模型和液壓模型進行了分析，但其液壓系統過于簡化，液壓元件對系統壓力的影響考慮不夠。黃方略等[10]建立了起落架的收放動力學模型，得出了影響收放效率的參數變化關系，但模型完全忽略了液壓系統。收放試驗研究方面，暴宏志等[11]設計了某直升機起落架收放試驗系統，基于PLC控制器實現試驗的自動化。高昆等[12-13]分析了某起落架試驗系統調試故障，解決了大跨距，高精度加載力獲得問題。李偉等[14]設計了起落架收放動態試驗系統，并基于試驗結果對收放性能進行了分析。

筆者采用虛擬仿真及物理試驗相結合的方法對飛機起落架收放系統性能進行了研究。基于AMESim和motion建立了結合液壓系統和動力學的聯合仿真虛擬樣機模型，設計了收放試驗系統并用試驗結果對仿真模型進行驗證，最后對液壓阻尼特性進行了分析。

1 起落架收放系統數學模型

1.1 起落架收放原理

該起落架結構形式為民機典型的主起三維收放機構(如圖1所示)。上、下側撐桿為主要承力構件，鎖撐桿為起落架提供下位鎖定裝置，由液壓缸推動主支柱收放,收放過程中所受載荷包括氣動力、起落架重力、結構慣性力、摩擦力和液壓作動力。

圖1 起落架結構及其受載示意圖Fig.1 The mechanism and load diagram of landing gear

圖2 起落架收放液壓系統原理Fig.2 Hydraulic diagram of landing gear retraction system

基于該起落架的收放形式，其收放液壓系統原理如圖2所示，收放工作流程如下。收起落架，系統供壓，解鎖作動筒驅動鎖撐桿，使得鎖桿解鎖。當壓力逐漸增大，收放作動筒開始驅動，起落架慢慢收起，到位后起落架鎖定，系統泄壓。放起落架，系統供壓，上位鎖解鎖。起落架由重力和氣動力的作用緩慢放下，系統提供阻尼力，當至放下位置時，由彈簧上鎖，起落架下位鎖定，系統保壓。

1.2 收放系統動力學方程推導

基于液壓系統原理以及起落架結構收放受力形式，建立起落架收放系統動力學模型，采用功率鍵合圖法建立相互受力關系，如圖3所示。

圖3 起落架收放動力學模型Fig.3 Retraction dynamics model of landing gear

由功率鍵合圖建立起落架收放系統動力學數學模型，得出6個狀態方程。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

其中:Fw(x) 為外部載荷，包括氣動力、起落架重力和摩擦阻力；Im為起落架的慣性元；Rf為作動筒摩擦阻力元；A1，A2為作動筒活塞兩端作用面積；C1，C2，Cp為液彈元；R1，R2，R3，R4為換向閥兩端的節流閥參數項；Sf為系統流速；Rl為油液泄漏參數；Se為系統回油壓力；Rr-f為溢流閥閥口液阻元； Rh為溢流閥阻尼孔參數；Ir-f為閥芯慣性元；FT溢流閥預壓力；Cs為液彈元；Ar-f為閥芯作用面積。

2 起落架收放系統仿真

2.1 起落架收放機構動力學模型

基于Siemans Virtual.lab motion動力學仿真平臺，在保證結構慣性質量準確的前提下，簡化起落架聯動部件模型，添加相應的運動副約束，施加包括氣動力、摩擦力、作動筒行程末端的限制力、慣性力等載荷，建立三維收放機構的動力學模型。

為實現與液壓系統的聯合仿真過程，需要在多體動力學模型中增加輸入輸出變量的設置。創建4個輸出變量，分別對應于收放作動筒和解鎖作動筒的位移和速度信號，此信號的大小對應兩個液壓缸的流量參數。另外，創建兩個輸入變量，分別對應收放作動筒和解鎖作動筒的作動力。這樣，在進行聯合仿真時動力學模型通過控制點把液壓缸的活塞位移、活塞速度作為輸入變量傳給液壓模型，系統根據輸入的參數計算出液壓缸內腔壓力及流量，同時將液壓缸輸出載荷通過控制點傳回給動力學模型進行液壓驅動，完成起落架的動力學系統與液壓系統的聯合仿真。

通過對樣機的實際測試和試驗獲得模型參數如表1所示，起落架虛擬樣機模型如圖4所示。

圖4 起落架虛擬樣機模型Fig.4 Dynamics virtual prototype of landing gear

參數名稱數值起落架支柱質量m1/kg1300.28起落架支柱的主慣性矩Ixx,Iyy,Izz/(kg·m2)1403.23,176.57,1379.66上側桿質量m2/kg73.2下側桿質量m3/kg69.3上鎖桿質量m4/kg7.8下鎖桿質量m5/kg10.5鎖彈簧剛度K/(kN·m-1)8鎖彈簧原長l0/mm240風速ν/(m·s-1)138.9摩擦因數0.05

2.2 收放液壓系統模型

在AMESim中建立起落架收放系統仿真模型，如圖5所示，主要參數如表2所示。

圖5 液壓系統仿真模型Fig.5 Hydraulic diagram of retraction system

參數名稱數值收放作動筒活塞直徑D1/mm126收放活塞桿直徑d1/mm80收放作動筒行程/mm200鎖作動筒活塞直徑D2/mm40鎖作動筒活塞桿直徑d2/mm20解鎖作動筒行程/mm180系統壓力/MPa25系統流量/(L·min-1)40油液的密度/(kg·m-3)850油液的體積模量/MPa1700收/高壓腔節流孔/mm1.7放/高壓腔節流孔/mm2.4放/低壓腔節流孔/mm1+1.7

起落架收放系統模型包括液壓源模塊、鎖及收放作動模塊、鎖及收放作動信號控制模塊和聯合仿真模塊等。其中，液壓源模塊為起落架收放液壓源，向系統提供液壓油，并通過調節溢流閥的開啟壓力使系統的工作壓力保持在25 MPa。鎖及收放作動模塊為起落架解鎖及收放提供驅動裝置，鎖作動部分由減壓閥和液壓缸組成，收放作動部分由閥控系統和液壓缸組成，閥控系統用來控制起落架的高低壓換向和收放速率。鎖及收放作動信號控制模塊用來模擬實際起落架的收放策略，用來協調各作動機構及換向閥門驅動的邏輯關系。聯合仿真模塊是建立起與動力學模型相對應的輸入和輸出參數，提供數據接口，完成聯合仿真分析。

從液壓系統模型圖可以看出起落架收起過程，油液從液壓能源模塊輸出通過選擇控制模塊，進入解鎖作動筒解鎖后，收放作動由順序閥自動切換使得收放作動筒開始工作，起落架收起，直至上鎖，而放起落架原理類似。

3 起落架收放動力學仿真及試驗

3.1 收放試驗系統

依據樣機原理加工試驗件并進行裝配，其裝夾圖如圖6所示。按照原理要求對液壓系統平臺進行搭建，如圖7所示。采用PLC控制器實現對傳感器信號采集、邏輯判斷和液壓閥轉換等集成控制并實現循環，如圖8所示。

圖6 起落架收放試驗圖Fig.6 Test model of landing gear retraction mechanism

圖7 試驗液壓系統Fig.7 The hydraulic system

圖8 控制系統Fig.8 The control system

試驗數據采集設備為東華測試公司的16通道動態信號測試系統，如圖9所示。數據采集設備信號的采樣頻率為1 000 Hz，對起落架收放過程中高低壓強壓力進行了實時測量并進行了采集。

圖9 動態信號測試分析系統Fig.9 The dynamic signal analysis system

3.2 收放系統動力學仿真模型驗證

地面起落架收放試驗沒有對起落架進行氣動載荷的加載，收放時間技術指標為收起時間t=(7～11)s，放下時間t=(10～15)s，通過改變節流孔參數對收放響應進行調整至滿足要求，對起落架收放進行多次試驗并進行了壓力采集，將試驗數據與仿真參數進行對比分析,如圖10所示。

圖10 收放作動筒壓力仿真與試驗對比Fig.10 Actuator pressure curves of simulation and test

由壓力走勢圖可知，收上階段，系統供壓初期，壓力不穩定會出現震蕩，之后穩定供壓后起落架慢慢收上，重力矩對收放作動筒負載逐漸增大，從而作動筒壓力也隨之增大，在10 s位置時起落架收上到位，起落架鎖定。間隔2 s后起落架開始放下，壓力反向供壓，壓力不穩定也會出現震蕩，之后穩定供壓起落架慢慢放下，此時壓力還是無桿腔較大，原因在于放下過程收放作動筒功用為阻尼作用，起落架重力幫助放下。在放下末端時，為減緩速度降低末端沖擊載荷，作動筒末端阻尼作用會使壓力陡增一段，之后由鎖彈簧作用，起落架放下到位。

對比仿真結果和試驗結果可見，數據吻合良好，微小差別在起落架收起和放下初期的壓力震蕩部分。試驗初期震蕩較大，原因在于實際供壓會有滯后，起落架鎖桿解鎖后收放作動筒供壓不及時以致起落架輕微回落，從而壓力震蕩較大。放下初期，仿真低壓腔壓力有突變，原因在于仿真采用結構限制力模擬上位鎖定狀態，因此放下時液壓缸需要克服該限制力的阻尼作用，反向推動，從而低壓腔壓力有些許突變，而實際試驗中沒有此過程。

3.3 液壓阻尼特性分析及試驗驗證

阻尼孔參數是影響起落架收放性能的重要參數，因此研究其特性、確定參數對收放系統設計有指導和實際應用意義。為了研究阻尼孔參數對收放性能的影響，試驗通過擰轉節流閥旋鈕來模擬阻尼孔參數的變化，工況設為擰松2圈、保持不變、擰緊2圈3種形式。

對應仿真模型設置進油孔參數分別為2.5 mm,1.75 mm和1 mm，對起落架收放系統性能進行仿真，并將仿真結果與試驗結果進行對比，如圖11～13所示。由結果可知，模型孔徑的線性變化與試驗調節所產生的系統響應吻合較好。另外，阻尼孔參數的變化對收放性能的影響較大。阻尼孔越小，壓力變化越慢同時振蕩較嚴重，收放速度明顯變慢，液壓缸作動滯后較為明顯。由于阻尼孔對系統響應為非線性變化關系，阻尼孔的線性減小會造成系統時間響應的非線性滯后,因此液壓系統在使用維護中應注意油液污染的監控，保持油液潔凈。

圖11 阻尼孔為2.5 mm高低腔壓力變化Fig.11 The pressure curves with a 2.5 mm damping orifice

圖12 阻尼孔為1.75 mm高低腔壓力變化Fig.12 The pressure curves with a 1.75 mm damping orifice

圖13 阻尼孔為1 mm高低腔壓力變化Fig.13 The pressure curves with a 1 mm damping orifice

4 結 論

1) 收放系統的聯合仿真模型與試驗數據吻合較好，模型可代替物理試驗用于收放系統的參數設計及調試分析。

2) 阻尼孔參數對收放性能影響較大，伴隨阻尼孔的縮小，壓力變化越慢，液壓缸作動滯后較為明顯。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.04.005

國家自然科學基金資助項目(51105197,51075203);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目

2014-06-23；

2014-10-16

TH113.2+3; V245.1； V226+.3

印寅,男，1986年8月生，博士生。主要研究方向為飛機起落收放動力學及可靠性研究。曾發表《Reliability analysis of landing gear retracion system influenced by multifactors》 (《Journal of Aircraft》2016， Vol.53, No.3)等論文。

E-mail: yinyinjordan@163.com