雙缸加載結構在飛機舵機電液負載模擬器中的應用

曹政

（中國民航大學航空工程學院，天津 300300）

1 概述

飛機通過舵機調整舵面的偏擺運動來控制飛行姿態。在飛行期間，舵面會受到氣動力的影響。飛機的正常飛行需要依靠飛行控制系統提供正確有效的控制信號來驅動舵面實現偏擺運動。因此，舵機是飛行控制系統的重要組成部分。為了測試在各種飛行狀態下飛機舵機的性能指標，在實驗室條件下需要利用飛機舵機負載模擬器來模擬舵機在各種狀態下所受到的不同的力載荷，從而分析舵機在各種力載荷作用下的運動情況。

飛機舵機電液負載模擬器是典型的被動式力伺服系統，其中，舵機的主動運動會產生多余力。如何最大程度地抑制多余力，實現對舵機在實際工作中所受載荷的真實模擬，已經成為飛機舵機電液負載模擬器研究領域亟待解決的問題。

2 雙液壓缸同步加載結構設計

2.1 飛機舵機電液負載模擬器的結構組成

飛機舵機電液負載模擬器由加載系統和舵機系統兩部分組成。其中，加載系統由液壓缸、電液伺服閥、油源、力傳感器所組成，舵機系統由位移傳感器、舵機所組成。加載系統與舵機系統之間由緩沖彈簧相聯接。

2.2 雙液壓缸同步加載系統工作原理

雙液壓缸同步加載的原理是將兩個閥控液壓缸并聯，然后通過控制方法實現兩個液壓缸的同步運動，對同一個加載對象（舵機）進行加載，其原理圖如圖1所示。

飛機舵機電液負載模擬器是一個大載荷的加載系統，采用雙液壓缸同步加載方式時，隨著加載力增大，液壓缸1與液壓缸2所承受的負載會逐漸增大，容易導致液壓缸不同步的問題。為了盡量克服此問題，設計時在加載系統中采用完全相同的兩套閥控液壓缸。

2.3 數學模型建立

2.3.1 液壓缸數學模型

選取單液壓缸作為研究對象，液壓缸的力平衡方程為：

式（1）中：p1、p2、p1f、p2f分別為為液壓缸1，2無桿腔與有桿腔壓力，Pa；s1、s2、s1f、s2f分別為液壓缸1，2無桿腔與有桿腔有效面積，m2；F為加載系統受到的負載力，N；f為加載系統受到的摩擦阻力，N。

2.3.2 并聯先導伺服閥數學模型

2.3.2.1 直動式流量伺服閥數學模型

直動式流量伺服閥的線性化流量方程為：

式（2）中：qL1為直動式流量伺服閥的負載流量，m3/s；Kq1為直動式流量伺服閥的流量增益，m3/s；Kc1為直動式流量伺服閥的流量-壓力系數，m3/s/Pa。

2.3.2.2 先導式二級電液伺服閥數學模型

忽略先導式二級電液伺服閥外泄漏流量，可得其流量的連續性方程：

式（3）中：qL2為伺服閥的負載流量，m3/s；Vt為伺服閥主級閥芯端總容量，m3。

2.4 仿真實驗與結果分析

分析了加載系統的數學模型之后，在AMESim中建立如圖2所示的可視化模型。

為了驗證雙閥控液壓缸同步控制的有效性，在系統中輸入頻率為4 Hz，幅值為2的正弦信號。理論上采用雙液壓缸同步加載系統中每一個液壓缸的輸出應該為使用單液壓缸加載時的一半。系統的仿真結果如圖3和圖4所示。

圖2 雙液壓缸同步加載系統模型

圖3 輸出力對比

分析圖3和圖4可知，由于在剛啟動時，液壓缸相對于伺服閥有一定的信號滯后，造成了液壓缸1與液壓缸2在剛啟動階段出現瞬時的不同步問題。但是從圖中可以看到兩個液壓缸活塞的位移基本保持同步，能夠保證加載精度，符合系統的加載要求。

圖4 液壓缸活塞位移對比

參考文獻：

［1］李運華，盛志清.電液加載系統的多余力抑制方法［J］.液壓與氣動，2015（08）：1-9.

［2］王輝.閥控雙缸同步控制方法研究［D］.濟南：山東大學，2008.

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