某型通航飛機液壓系統故障診斷仿真研究

豐世林

(中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307)

0 引言

針對一架飛機而言，液壓系統正常工作對保障飛機的安全運行起著至關重要的作用。在通航飛機中，由于飛機體型較小，液壓系統只應用于起落架收放系統、襟翼收放系統和剎車系統。本文針對某型通航飛機液壓系統展開研究，在該機型中，液壓系統僅僅用于起落架的收放[1-2]。

從公開的資料看，在國外，波音和空客公司都提供了各自飛機液壓系統的相關資料，包括液壓系統工作過程，狀態參數的變化情況等；在國內，西北工業大學馬存寶教授等對大型飛機液壓系統進行了建模和故障診斷研究；空軍工程大學張忠、周瑞祥等對用于起落架收放的液壓系統進行了熱力學分析；南京航空航天大學李闖、張明等從設計角度對飛機起落架收放液壓系統進行了分析和驗證[3-8]。

綜上所述，本文對通航飛機用于起落架收放的液壓系統從維護角度進行了故障診斷仿真研究，分析了系統氣塞和系統泄漏對起落架收放的影響，具有一定的應用價值，為該機型液壓系統機務維護提供技術支持。

1 液壓系統工作原理

1.1 起落架收起

當飛機起飛離地達到安全高度，就要收起起落架。起落架收放液壓系統原理圖如圖1所示，駕駛艙中起落架收放手柄被打到收上位，通過機械鋼索將信號送到起落架收放選擇活門，選擇左位工作，高壓油從右側進入三個起落架收放作動筒下腔，上腔回油，推動作動筒活塞桿縮回，使起落架收上。起落架收上后，收上管路液壓油路被切斷，壓力油被封閉在管路內，使起落架保持在收上位。即使起落架重量小，也可靠液鎖將起落架固定在收上位。

1.2 起落架放下

當飛機準備著陸之前，在空中就要放起落架。駕駛艙中起落架收放手柄被打到放下位，通過機械鋼索將信號送到起落架收放選擇活門，選擇右位工作，高壓油從左側進入三個起落架收放作動筒上腔，下腔回油，推動作動筒活塞桿伸出，使起落架放下。

圖1 起落架收放液壓系統原理圖

2 液壓系統仿真建模

2.1 相關參數

根據該機型維護手冊和實際尺寸，得到該機型液壓系統相關參數如表1所示[2]。

表1 液壓系統相關參數

根據表1的相關參數，電動機功率為：

W=UI=21 V·15 A=360 W=0.36 kW

(1)

式中，W為驅動齒輪泵的電動機功率；U為驅動齒輪泵的電動機電壓；I為驅動齒輪泵的電動機電流。齒輪泵功率為：

W=PQ/(60·η)

(2)

式中，P為齒輪泵額定壓力；Q為齒輪泵額定流量。

可求出齒輪泵額定流量：

(3)

式中，η為齒輪泵效率。

根據表1的相關參數，可以計算出收起落架時和放下起落架時相關的運動參數。

2.1.1 收起落架時

活塞桿運動速度：

(4)

活塞桿運動時間：

(5)

活塞桿能推動的負載：

(6)

式中，kgf表示公斤力，20 kgf表示起落架重量是20 kg，要使起落架進行收放，活塞桿必須至少承受20 kgf負載。

2.1.2 放下起落架時

活塞桿運動速度：

(7)

活塞桿運動時間：

(8)

活塞桿能推動的負載：

(9)

2.2 AMESim仿真

LMS Imagine.Lab AMESim是多學科領域的復雜系統建模仿真平臺。本文根據AMESim軟件建立起落架收放液壓系統仿真模型如圖2所示[9]。

圖2 起落架收放液壓系統仿真模型

根據圖2建立的模型，首先得到理想情況下的仿真結果，仿真結果以主起落架活塞桿運動位移為對象?？紤]在收上—收上保持液鎖—放下一個工作循環內活塞桿的位移量。根據該機型維護手冊可知理想收上或放下時間為6 s，故障時不超過12 s，以每個階段設置15 s來進行仿真，方便后面分析故障狀態。根據仿真結果得到理想情況下活塞桿位移線圖如圖3所示。

圖3 理想情況下活塞桿位移線圖

從圖3可以看出，仿真的結果與實際計算結果相符，說明仿真模型正確，可以將該模型應用于故障診斷。

3 液壓系統故障診斷

根據實際維護經驗，該機型液壓系統常見故障類型包括系統氣塞和系統泄漏。本文首先分別分析系統氣塞和系統泄漏單一故障影響，再分析系統氣塞和系統泄漏的綜合影響。

3.1 系統氣塞仿真

液體與氣體共存時通常會出現兩種情況，一是氣體完全溶解，此時對液體的可壓縮性沒有影響；二是存在自由運動的空氣，這時就產生氣塞，此時流體的剛度將降低，液體受壓，體積縮小很大。

產生氣塞現象時，主要從液體密度和壓力的關系來分析，密度是壓力的函數，并與液體的彈性模量有關。

(10)

式中，Bf為油液的彈性模量；ρf為油液的密度；Patm為大氣壓力；T為溫度。

當液體的彈性模量為恒定值時，密度與壓力呈指數關系變化。

(11)

在AMESim軟件中可以進行批處理，設置流體特性圖標的空氣含量參數為全局變量，并以該參數設置成批處理參數?？諝夂吭O置成0、6%、12%、18%、24%、30%共6種情況，不同空氣含量參數活塞桿位移線圖如圖4所示。

圖4 不同空氣含量參數活塞桿位移線圖

根據圖4可以看出，氣塞對收起落架影響比較大，空氣含量越大，起落架收上到位所需時間就越長。正常情況下收上到位需要6 s，當空氣含量達到30%時，收上到位需要12.05 s，超過了維護手冊規定的12 s的警戒值。

放下管路的氣塞對放下過程影響不明顯，這是由于起落架支柱上的助力彈簧有幫助起落架放下到位上鎖的輔助力量。

根據公式10和公式11，液壓油中有空氣，彈性模量降低，從而導致密度與壓力都降低[9]，導致活塞桿運動到位的時間延長。因此，仿真結果符合理論推導。

3.2 系統泄漏仿真

泄漏現象非常復雜，為了簡化仿真過程，采用一個節流孔和齒輪泵并聯。通過設置節流孔直徑的大小來仿真系統泄漏的嚴重程度。

采用小孔節流原理，利用伯努利方程推導。在AMESim中用修正的伯努利方程來計算流量[9-10]。

根據質量守恒定律，得到：

ρArvr=ρAvcvvc

(12)

式中，Ar為節流孔的面積；vr為節流孔處的流速；Avc為縮流斷面的面積；vvc為縮流斷面處的流速；ρ為液體的密度。

根據伯努利方程，得到：

(13)

式中，Q為通過薄壁口的流量；Aup為孔口上游通道斷面的面積；Pup為孔口上游通道斷面處的壓力；Pvc為縮流斷面處的壓力。

根據上面兩個公式可以推導出：

(14)

式中，Pd為通過薄壁口的流量；Cd、Cq為流量系數。

不同節流孔縫隙下活塞桿位移線圖如圖5所示。

從圖5可以看出，液壓系統泄漏對起落架收、放影響都比較大。節流孔縫隙越大，導致起落架收放時間越長。當節流孔直徑達到1.5 mm時，不論是收上還是放下，時間都超過手冊規定的12 s的警戒值。

根據式12～式14，系統泄漏量越大，導致系統可用油量越低，活塞桿運動到位所需時間延長，仿真結果符合理論推導。

圖5 不同節流孔縫隙下活塞桿位移線圖

3.3 氣塞+泄漏仿真

在實際工作過程中，一般會同時出現氣塞和泄漏現象，本文分別以節流孔縫隙為0.1 mm、0.5 mm、1 mm三種情況分別和氣塞一起仿真。

3.3.1 節流孔縫隙為0.1 mm

設置節流孔縫隙為0.1 mm，氣塞空氣含量分別為0、6%、12%、18%、24%、30%，不同空氣含量參數活塞桿位移線圖如圖6。

根據圖6可以看出，節流孔縫隙為0.1 mm時，如果沒有氣塞，收上到位需要6.15 s，當空氣含量為30%時，收上到位需要12.05 s，超過手冊規定的12 s的警戒值。

圖6 節流縫隙為0.1 mm不同空氣含量參數活塞桿位移線圖

3.3.2 節流孔縫隙為0.5 mm

設置節流孔縫隙為0.5 mm，氣塞空氣含量分別為0、6%、12%、18%、24%、30%，不同空氣含量參數活塞桿位移線圖如圖7所示。

根據圖7可以看出，節流孔縫隙為0.5 mm時，如果沒有氣塞，收上到位需要6.55 s，當空氣含量為30%時，收上到位需要12.6 s，超過手冊規定的12 s的警戒值。

圖7 節流縫隙為0.5 mm不同空氣含量參數活塞桿位移線圖

3.3.3 節流孔縫隙為1 mm

設置節流孔縫隙為1 mm，氣塞空氣含量分別為0、6%、12%、18%、24%、30%，不同空氣含量參數活塞桿位移線圖如圖8所示。

根據圖8可以看出，節流孔縫隙為1 mm時，如果沒有氣塞，即空氣含量為0，收上到位需要8.2 s，當空氣含量為30%時，收上到位需要14.3 s，大大超過手冊規定的12 s的警戒值。

圖8 節流縫隙為1 mm不同空氣含量參數活塞桿位移線圖

4 結語

根據仿真結果可知：

(1)只有氣塞故障時：空氣含量越大，起落架收上到位所需時間就越長。正常情況下收上到位需要6 s，當空氣含量達到30%時，收上到位需要12.05 s，超過了維護手冊規定的12 s的警戒值。

(2)只有泄漏故障時：節流孔縫隙越大，導致起落架收放時間越長。當節流孔直徑達到1.5 mm時，不論是收上還是放下，時間都超過手冊規定的12 s的警戒值。

(3)氣塞和泄漏同時故障時：節流孔縫隙為0.1 mm時，如果沒有氣塞，收上到位需要6.15 s，當空氣含量為30%時，收上到位需要12.05 s，超過手冊規定的12 s的警戒值。節流孔縫隙為0.5 mm時，如果沒有氣塞，收上到位需要6.55 s，當空氣含量為30%時，收上到位需要12.6 s，超過手冊規定的12 s的警戒值。節流孔縫隙為1 mm時，如果沒有氣塞，即空氣含量為0，收上到位需要8.2 s，當空氣含量為30%時，收上到位需要14.3 s，大大超過手冊規定的12 s的警戒值。

根據該機型長期對收放系統的使用及故障數據的記錄，本文的仿真結果和該機型實際的運行故障數據基本吻合，所以本文的液壓系統仿真與故障診斷研究是可信的。本文的分析為該型飛機的液壓系統維護起到一定的參考作用，為該機型機務維修提供技術支持。

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