基于AMESim的直升機魚叉液壓系統的建模與仿真

羅 江，賀國洋

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

直升機著艦裝置是供直升機快速安全著陸并系留在飛行甲板上的裝置，主要有兩種形式：拉降式和魚叉格柵式。

拉降式著艦裝置：適用于艦艇橫搖±28°～31°、縱搖±5°～8°，甲板升沉1.5～6m/s的情況下，將直升機拉降著艦并快速系留。直升機準備著艦時，機上放出主探管，從中用引索將艦上的拉降索引入直升機內并卡定后，艦上拉降絞車收緊拉降索拉直升機下落；著艦時，機上主探管插入夾緊機構，把直升機系留在甲板上。為防止飛機在運動的甲板上側向滾動，飛行員放出尾探管，卡在甲板的格柵中，把機尾固定。魚叉格柵式著艦裝置：適用于艦艇橫搖±8°、縱搖±2°的情況，由設在直升機底部的魚叉鎖緊機構和艦艇飛行甲板上的一個直徑約2.5m的格柵構成，直升機通過魚叉裝置著艦并快速系留。直升機在著艦前放下魚叉鎖緊機構，著艦時魚叉鎖緊機構插入艦上格柵內，鎖銷立即鎖定，把直升機系留在甲板上。由于魚叉格柵式具有重量輕、體積小、安裝方便和易于維護等特點，目前小型直升機在艦船上的著艦裝置普遍采用魚叉格柵式。本文主要針對直升機魚叉液壓系統進行研究。

隨著仿真理論與計算機技術的快速發展，仿真技術已在工程系統的設計開發與科學研究中得到了廣泛的運用，它使新產品在最短時間內以最低成本投入市場，縮短了研究周期，降低了科研成本與風險，提高了科學研究水平，加速了科研成果轉化為生產力的進程。若是能將仿真技術運用在直升機液壓系統的設計中，確定設計參數最佳匹配，并對其進行優化設計，將會提升設計水平，縮短研制周期。目前具有代表性的液壓系統仿真平臺軟件有：英國的Bathfp、瑞典的Hopsan、德國的DSH+、美國波音的Easy5和法國的AMESim，其中法國Imagine公司在總結之前實施于航空航天工業和傳統液壓行業領域的復雜系統建模和設計仿真的寶貴經驗后，所提出的液壓系統仿真平臺AMESim，已成為流體、機械、熱分析、電磁及控制等復雜系統建模和仿真的優選平臺。與其它仿真軟件相比，AMESim有更好的仿真環境和二次開發平臺[1,2]。

本文首先介紹了直升機魚叉液壓系統的組成和工作原理，然后基于原理圖利用AMESim平臺建立了某型機魚叉液壓系統模型[3,4]，并運用該模型對魚叉液壓系統進行仿真分析。

1 魚叉液壓系統的組成及工作原理

魚叉液壓系統原理圖如圖1所示，包括：1個單向閥、3個電磁閥(2個二位三通電磁閥、1個二位二通電磁閥)、2個快卸自封接頭、1個減壓閥、1個魚叉蓄壓器和一個魚叉裝置。其中，電磁閥1：收放電磁閥，控制魚叉收放；電磁閥2：卸載電磁閥，用作魚叉液壓旁通和卸荷；電磁閥3：開鎖電磁閥，用于魚叉裝置鎖鉤開鎖；魚叉裝置：魚叉液壓系統的執行機構，主要由魚叉收放作動筒、掛鉤和鎖鉤作動筒組成，魚叉收放作動筒根據使用要求采用直線式往復運動作動筒，通過進入作動筒上下腔的壓力差來實現作動筒的收放，鎖鉤作動筒是魚叉裝置鎖閉機械，采用單向作用式作動筒，即插銷靠彈簧力，拔銷靠液壓力作用。

直升機著艦后，駕駛員按壓總距桿上的魚叉收放按鈕，魚叉裝置由輔助系統供壓，輔助系統壓力油進入魚叉裝置下腔，隨著收放電磁閥和卸載電磁閥同時工作，壓力油進入魚叉裝置上腔，并使魚叉收放作動筒上下腔壓強相等，由于作動筒上下腔面積差的原因，魚叉上下腔形成壓力差，魚叉迅速放下，整個放下時間控制在0.6～1.5s范圍內，魚叉頭部導向件自動滑入格柵孔內，掛鉤的凸出部分撞擊格柵肋，使得鎖鉤克服對中彈簧的彈簧力繞軸向點轉動，此時鎖鉤作動筒的插銷插入兩個掛鉤之間，將掛鉤鎖住；正常收魚叉時，卸載電磁閥工作，使魚叉壓力瞬間降低，以減低開鎖摩擦力，0.15s后開鎖電磁閥工作，使得輔助系統壓力油經開鎖電磁閥到鎖鉤作動筒下腔，鎖鉤作動筒在下腔壓力油作用下，將鎖銷拔出，此時鎖鉤在對中彈簧力作用下開鎖，開鎖時間不大于0.5s。在收放作動筒上腔和開鎖作動筒上腔間安裝有單向閥，目的是為了將開鎖作動筒上腔壓力卸掉。開鎖后，切斷卸載電磁閥，收放作動筒在上下腔壓力差作用下迅速收起魚叉，整個收上時間控制在1.5～2.5s范圍內。

圖1 魚叉系統原理圖

2 魚叉液壓系統模型的建立與仿真

2.1 仿真模型

針對魚叉系統原理圖建立如圖2所示的魚叉系統仿真模型。通過AMESim的信號控制庫、液壓庫、液壓元件庫和機械庫建立魚叉液壓系統模型，通過平面機械庫建立魚叉裝置的模型[5]。

2.2 仿真參數設置

AMESim液壓元件設計模塊中包含多種液壓元件[5]，可以方便地依據實際情況建立所需的液壓系統模型。依據魚叉液壓系統實際工作要求，對系統參數進行設置。

1)電機轉速為1000r/min，系統中電動泵的排量q=3cc/r，則系統工作流量為3L/min。

2)減壓閥原理圖如圖3所示。

圖2 魚叉系統仿真模型

圖3 減壓閥原理圖

Fjet=2·Cq·π·Ds·xv·|Pin-Pout|·cos(αjet)

(2)

由上述(1)、(2)兩式可得：

xv=

(3)

其中，Kequiv為彈簧剛度，xv為閥芯位移，Fjet為穩態液動力，A為作用面積，Pcrack為開啟壓力，Ds為閥芯等效直徑，αjet為閥口流體射流角度，在閥小開口情況下，對于具有尖孔而且不考慮閥芯和閥套之間的間隙，θ一般取69°。要使減壓閥定值輸出11MPa，減壓閥參數設置：開啟壓力為11MPa，彈簧剛度為50N/mm，閥芯等效直徑為8mm，閥芯最大位移為2mm。

3)鎖鉤作動筒內選用的彈簧為HB3-53-3×16×50Ⅱ,查航標可得G=78GPa，鋼絲直徑d=3mm，有效圈數n=9.5，彈簧中徑D=16-3=13mm，彈性系數：

系統模型主要參數如表1所示。

表1 系統主要參數

2.3 仿真結果

根據魚叉液壓系統工作原理，對仿真模型中的電磁閥1輸入設置如下[5,6]：0～1.25s范圍內，輸入信號為40(電磁閥輸入范圍0～40，0對應斷開，40對應接通)；1.25～16s范圍內，輸入信號為0。

電磁閥2設置如下：0～1.25s范圍內，輸入信號為40(電磁閥輸入范圍0-40，0對應斷開，40對應接通)；1.25～11.25s范圍內，輸入信號為0；11.25～11.75s范圍內，輸入信號為40；11.75～11.85s范圍內，輸入信號由40線性減至0； 11.85～16s范圍內，輸入信號為0。

電磁閥3設置如下：0～11.4s范圍內，輸入信號為0；11.4～11.75s范圍內，輸入信號為40；11.75～11.85s范圍內，輸入信號由40線性減至0；11.85～16s范圍內，輸入信號為0。

仿真時間為16s，仿真步長為0.01s。

1)通過仿真計算后得出魚叉收放作動筒上下腔壓力、鎖鉤作動筒上下腔壓力仿真結果，如圖4和圖5所示。

圖4 收放作動筒上下腔壓力

圖5 鎖鉤作動筒上下腔壓力

圖4中，在0～1s范圍內，輔助系統壓力油進入魚叉裝置下腔，隨著收放電磁閥和卸載電磁閥同時工作，壓力油進入魚叉裝置上腔，并使魚叉收放作動筒上下腔壓強趨于相等，魚叉在壓力差作用下迅速放下； 4.25～7s范圍內，輔助系統停止供壓，蓄壓器向作動筒下腔供壓，作動筒上腔回油，魚叉將直升機拉在格柵上；11.25～11.75s范圍內，隨著電磁閥2接通，作動筒下腔壓力迅速降低，降低開鎖摩擦力；11.85～13s范圍內，隨著電磁閥2斷開，輔助系統壓力油進入魚叉裝置下腔，魚叉裝置在全壓下快速收起。

圖5中，11.4～11.75s范圍內，隨著電磁閥3接通，鎖鉤作動筒下腔壓力迅速升高，鎖鉤作動筒在下腔壓力油作用下，將鎖銷拔出。

2)收放作動筒活塞位移如圖6所示。放下時間為1s，收上時間為1.61s。

3)運用AMESim的批處理功能設置活塞桿半徑為30mm、38mm、42mm時，活塞位移與時間的變化曲線，如圖7所示。結果表明，活塞桿直徑越小，放下時間越短。

圖6 收放作動筒活塞位移

圖7 活塞桿直徑對活塞收放時間的影響

4)工作溫度主要是影響油液性能，進而對液壓系統的工作產生影響。本節通過改變油液溫度這一參數來分析工作溫度因素對液壓系統性能的影響，我們的液壓系統一般使用國外的MIL-H-83282液壓油或國產15號航空液壓油作為工作油液，但在AMESim軟件中沒有15號航空液壓油的屬性，考慮到MIL-H-5606液壓油與15號航空液壓油性能相近，因此本文中利用MIL-H-5606液壓油與MIL-H-83282液壓油進行油液因素的影響分析。圖8所示為在-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃工作溫度下收放作動筒活塞位移，圖9所示為采用MIL-H-83282和MIL-H-5606液壓油時收放作動筒活塞位移。從0℃～60℃溫度范圍內收放作動筒活塞收放時間可以看出，在這一溫度范圍內，因油液性能變化很小，所以在該溫度范圍內，活塞收放時間隨工作溫度基本無變化；在-20℃～0℃溫度范圍內，因油液性能有較小變化，活塞收放時間隨工作溫度有較小變化。從圖9可以看出，20℃下采用MIL-H-83282和MIL-H-5606兩種液壓油時收放作動筒活塞收放時間基本一致。

5)圖10所示為減壓閥流阻為 3、6、9、12bar時的收放作動筒活塞位移，圖11所示為電磁閥2流阻為3、6、9、12bar時收放作動筒活塞位移。仿真結果表明，減壓閥流阻在3～12bar范圍內，流阻對收放作動筒活塞收放時間影響不大。電磁閥2流阻在3～12bar范圍內，收放作動筒活塞放下時間隨著流阻的增大而加長；收放作動筒活塞收上時間隨著流阻的增大而變短。因此在設計系統時，流阻的選取對于整個系統性能的好壞有著重要的影響[4]。

圖8 不同工作溫度下收放作動筒活塞位移

圖9 20℃下不同工作液時收放作動筒活塞位移

圖10 不同的減壓閥流阻下收放作動筒活塞位移

圖11 不同的電磁閥2流阻下收放作動筒活塞位移

6)蓄壓器壓力值變化如圖12所示，蓄壓器氣體體積變化如圖13所示。為了保證收放魚叉后給魚叉蓄壓器充足壓力，輔助液壓系統會在電磁閥斷開后繼續工作3s，3s后切斷供電。通過仿真計算，魚叉蓄壓器會分別在電磁閥斷開后0.75s和2.21s達到14bar；在140bar工作壓力下的蓄壓器的氣體體積為0.7402557L。

圖12 蓄壓器壓力值變化

圖13 蓄壓器氣體體積變化

7)魚叉裝置鎖閉與打開狀態如圖14所示，本文運用AMESim的平面機械庫建立魚叉鎖鉤的模型，通過鎖鉤作動筒活塞作用于兩個拉桿件來控制魚叉裝置的開與合。經過AMESim動畫驗證，該模型能夠正常控制魚叉裝置的開與合。

圖14 魚叉裝置鎖閉與打開狀態

2.4 試驗數據和理論計算分析

1)魚叉試驗臺記錄的魚叉作動筒放下時間分別為1.0919s-1.2409s，魚叉作動筒收上時間為1.65s-1.81s；

2)蓄壓器的結構容積為V0，充入氣體的壓力為P0，蓄壓器的工作壓力范圍為P1-P2(110-140bar),根據氣體狀態方程有：

(5)

其中n為氣體多變過程指數。

在絕熱情況下，n=1.4，

(6)

(7)

Q=Q1+Q2

(8)

(9)

(10)

3 結論

通過對魚叉液壓系統收放工況下的仿真分析得知，該魚叉液壓系統仿真模型滿足魚叉液壓系統原理設計要求和動態特性，可用于魚叉液壓系統動態性能的分析預測，得出結論如下：

1)魚叉收放作動筒上下腔壓力、鎖鉤作動筒上下腔壓力仿真結果滿足系統實際工作要求，魚叉作動筒放下和收上時間與試驗數據基本一致；

2)針對收放作動筒收放時間的主要影響因素，運用AMESim的批處理功能研究活塞桿直徑對收放時間的影響規律，結果表明，在經驗結構系數范圍內選取活塞桿直徑，活塞桿直徑越小，放下時間越短；

3)通過對魚叉液壓系統工作原理進行研究，了解魚叉液壓系統數學模型和魚叉電控系統原理，建立魚叉液壓系統的仿真模型，研究工作溫度、工作液和流阻對系統收放時間的影響，為系統分析提供理論依據；

4)經過仿真驗證，蓄壓器能夠在電磁閥停止工作、輔助系統延遲工作3s內，分別保證放下和收上魚叉后給魚叉蓄壓器充足壓力；

5)經過AMESim動畫驗證，該模型能夠正常控制魚叉裝置的開與合。

[1] 付永領,祁曉野.AMESim系統建模和仿真—從入門到精通[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

[2] 劉海麗.基于AMESim的液壓系統建模與仿真技術研究[D].哈爾濱：西北工業大學，2006.

[3] 孫 靜,王新民,金國舉.基于AMESim的液壓位置控制系統動態特性研究[J].機床與液壓,2012(11)：120-122.

[4] 李培滋,王占林.飛機液壓傳動與伺服控制[M].北京:國防工業出版社,1979.

[5] AMESim 13.0 User Manual[Z].

[6] Hao M, Jiang W. AMESim based simulation on hydraulic experiment rig for assembly of stator components[J]. Shang Hai Jiaotong University(sci)，2013,18(5):570-576.