無(wú)限行程液壓緩沖器阻攔設(shè)計(jì)與仿真?

史 炎 史天成

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031）

1 引言

以航空母艦為基地的艦載機(jī)是海軍航空兵的主要作戰(zhàn)手段之一，是在海洋戰(zhàn)場(chǎng)上奪取和保持制空權(quán)、制海權(quán)的重要力量，艦載機(jī)的起降能力是一個(gè)航母戰(zhàn)斗群戰(zhàn)力的重要指標(biāo)［1］。目前艦載機(jī)的降落方式只能使用攔阻索實(shí)現(xiàn)著艦［2］，美國(guó)現(xiàn)役航母上配置的MK7-3型攔阻裝置［3～8］是目前世界上各國(guó)海軍航母中攔阻能力最大的著艦攔阻裝備。整個(gè)液壓阻攔系統(tǒng)由攔阻索、絞盤(pán)機(jī)、攔阻機(jī)、緩沖器、控制系統(tǒng)等構(gòu)成［6～8］，因?yàn)橐簤簻p振器行程有限，鋼索在定滑輪組的纏繞比［9］為18∶1，這樣可把較長(zhǎng)的鋼索抽出長(zhǎng)度轉(zhuǎn)化為較小的主液壓缸的行程。

現(xiàn)階段的艦載攔阻機(jī)零件種類(lèi)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作者對(duì)“內(nèi)外氣缸式蒸汽彈射器”［10］做了一些改變，獲得結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的液壓緩沖器，理論上活塞行程無(wú)限大，并用剛性桿代替了柔索。本文介紹了無(wú)限行程液壓緩沖器結(jié)構(gòu)，結(jié)合飛機(jī)對(duì)中攔阻情形，分析了此種攔阻器工作原理。

2 無(wú)限行程液壓緩沖器結(jié)構(gòu)

為更好地實(shí)施艦載機(jī)的攔阻，作者設(shè)計(jì)了無(wú)限行程液壓緩沖器，結(jié)構(gòu)類(lèi)似于“內(nèi)外氣缸式蒸汽彈射器”，兩者的開(kāi)合機(jī)構(gòu)控制方式一樣，只是活塞稍有差別。內(nèi)、外氣缸及活塞外形參見(jiàn)文獻(xiàn)［10］。無(wú)限行程液壓緩沖器的活塞內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，活塞端面開(kāi)有溢流孔和卸荷孔。溢流孔由電磁閥控制孔徑的變化，攔阻過(guò)程中卸荷孔常閉合。

圖2所示為無(wú)限行程液壓緩沖器雙缸對(duì)稱安裝的一種阻攔裝置，無(wú)限行程液壓緩導(dǎo)向板上固定一套前置緩沖器，由一組彈簧、液壓缸構(gòu)成；攔桿鉸接在前置緩沖器上，攔桿為V字型可讓艦載機(jī)鉤上后自動(dòng)對(duì)中。同時(shí)增加外氣缸的長(zhǎng)度和內(nèi)氣缸的數(shù)量，則活塞行程增加，理論上活塞行程不受限制。

若不想在甲板上開(kāi)槽，可選用圖3方案，無(wú)限行程液壓緩沖器安裝在甲板下方，在甲板上開(kāi)設(shè)兩個(gè)出索孔，用兩組定滑輪實(shí)現(xiàn)換向，單缸的鋼索長(zhǎng)度是活塞行程的兩倍。在初始狀態(tài)及工作過(guò)程，鋼索始終都處于拉緊狀態(tài)，用不上絞盤(pán)機(jī)。

圖2方案的工作過(guò)程如下，艦載機(jī)鉤上攔桿后先經(jīng)過(guò)前置緩沖器卸荷再帶動(dòng)活塞前行，開(kāi)合機(jī)構(gòu)控制內(nèi)氣缸開(kāi)口與外氣缸開(kāi)口重合或錯(cuò)開(kāi)；電磁閥在3s內(nèi)將溢流孔變小，流體流過(guò)溢流孔產(chǎn)生熱量消耗動(dòng)能；在流體的壓迫下卸荷孔緊閉；停車(chē)后，前置緩沖器的彈簧復(fù)位并將艦載機(jī)彈開(kāi)，艦載機(jī)后退并與攔桿分離。拖車(chē)將活塞復(fù)位，回退過(guò)程中流體頂開(kāi)卸荷孔的蓋板以降低流體阻力。圖3方案的工作過(guò)程與之相似。

圖1 活塞內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 彈射器裝配方案1

圖3 彈射器裝配方案2

3 建立模型

因?yàn)閳D2是對(duì)稱的，取其一半作為研究對(duì)象。用SIMPACK系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件建立活塞、飛機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型。考慮甲板摩擦力、活塞摩擦力，流體力作用在活塞上，空氣阻力、飛機(jī)升力、發(fā)動(dòng)機(jī)推力作用在飛機(jī)上。活塞與飛機(jī)用28號(hào)元件連接，前置緩沖器用5號(hào)力元件表示。動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示，參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 動(dòng)力學(xué)模型

表1 主要仿真參數(shù)

溢流孔初始孔徑為5mm，終止孔徑為2mm，由函數(shù)表達(dá)式模擬電磁閥動(dòng)作。飛機(jī)起降時(shí)的空氣阻力、飛機(jī)升力表達(dá)式一樣，參照文獻(xiàn)［11～15］在仿真環(huán)境中列函數(shù)表達(dá)式。

由于無(wú)活塞桿，活塞兩端截面積一樣，參照文獻(xiàn)［16～19］，流體流經(jīng)小孔的阻尼力為

F為阻尼力（N）；W為活塞截面積（m2）；f為溢流孔截面積（m2）；v為飛機(jī)速度（m/s）。

4 分析結(jié)果

4.1 著艦速度的影響

著艦速度分別是 100m/s、90m/s、80m/s、70m/s，發(fā)動(dòng)機(jī)全程不關(guān)閉，著艦攔阻形式為對(duì)中攔阻。如圖5～6所示，著艦速度越大，阻尼力、飛機(jī)加速度越大，單缸攔阻力最大為858.45kN，最大加速度為44.64m/s2。如圖7所示，著艦速度越大，飛機(jī)速度衰減越快，所需活塞行程越短；著艦速度100m/s，活塞行程123.68 m；著艦速度70m/s，活塞行程128.78 m。不同著艦速度下，活塞行程最多相差5.1 m，攔停距離基本相同。

圖5 單缸攔阻力-位移曲線

圖6 飛機(jī)加速度-位移曲線

圖7 飛機(jī)速度-位移曲線

4.2 活塞復(fù)位性能分析

在拖車(chē)的作用下，活塞速度在1s內(nèi)從靜止加速到20m/s，然后勻速運(yùn)動(dòng)。上述動(dòng)力學(xué)模型去掉飛機(jī)，回退過(guò)程中卸荷孔的蓋板被流體頂開(kāi)，將卸荷孔與溢流孔的孔徑等效為30mm。計(jì)算出無(wú)限行程液壓緩沖器最大阻尼力為71.8N，活塞復(fù)位過(guò)程中阻力很小，如圖8所示。圖9所示，在7s內(nèi)活塞完成復(fù)位，準(zhǔn)備下一次攔阻。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立無(wú)限行程液壓緩沖器的數(shù)學(xué)模型分析了彈射過(guò)程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，得到以下結(jié)果。

1）無(wú)限行程液壓緩沖器是無(wú)源的，適應(yīng)性強(qiáng)，所用的介質(zhì)容易得到，極端情況下可以用海水代替。改變溢流孔孔徑就可以調(diào)節(jié)流體阻尼力，對(duì)攔阻的飛機(jī)重量適用范圍廣。

圖8 無(wú)限行程液壓緩沖器阻尼力

圖9 活塞復(fù)位時(shí)間

2）通過(guò)特別設(shè)計(jì)，無(wú)限行程液壓緩沖器可以與內(nèi)外氣缸蒸汽彈射器互換使用，兩者的零件可以相互兼容，提高了裝備的戰(zhàn)場(chǎng)存活率，提供了解決彈射、回收的一攬子方案。

3）溢流孔孔徑的變化直接影響攔阻的性能，為了讓飛機(jī)著艦過(guò)程更平穩(wěn)需要更深入地研究電磁閥的閉合規(guī)律。

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