矢量噴管作動器應(yīng)急回中特性研究

李鵬偉，胡錦運(yùn)，白文文

航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077

推力矢量控制技術(shù)是指推進(jìn)系統(tǒng)除為飛機(jī)提供前向推力外，也能同時或單獨(dú)在飛機(jī)俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)和反推力方向提供發(fā)動機(jī)內(nèi)部推力，用于全部或部分取代飛機(jī)舵面或其他裝置產(chǎn)生的外部氣動力來進(jìn)行飛行控制[1-3]。矢量控制技術(shù)的發(fā)展對提高戰(zhàn)斗機(jī)性能的作用是顯而易見的，但實(shí)際應(yīng)用中不能始終保證噴管矢量控制在安全狀態(tài)下工作。如發(fā)動機(jī)工作期間，伺服元件的電液伺服閥出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致數(shù)字控制的矢量噴管液壓機(jī)械裝置失效，噴管控制系統(tǒng)一旦失效，矢量噴管的無序氣動性將對飛機(jī)的飛行安全造成嚴(yán)重威脅，矢量噴管控制需降級到應(yīng)急回中控制狀態(tài)[4-6]。矢量噴管作動器接收控制器的控制指令，根據(jù)指令分配油液，實(shí)現(xiàn)對矢量噴管擴(kuò)張段的控制。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，此時控制器將切斷控制指令，切換至故障工作狀態(tài)，無論矢量噴管作動筒此時處于何種位置，在高壓油的作用下作動筒回到回中位置，并帶動矢量噴管系統(tǒng)回到非矢量狀態(tài)，保證飛機(jī)飛行安全。

矢量噴管作動器是實(shí)現(xiàn)推力矢量控制技術(shù)的重要部件，一般安裝于發(fā)動機(jī)的加力筒體外壁機(jī)匣處，此處的環(huán)境溫度較高，一般在250℃以上。而矢量噴管作動器的電磁閥、伺服閥、傳感器正常工作時的溫度范圍一般為-50～130℃，此時核心電子元件將無法正常工作，因此矢量噴管控制裝置除了設(shè)置用于故障應(yīng)急回中的回中孔外，還需設(shè)置用于冷卻電子元器件的冷卻孔。

為了同時實(shí)現(xiàn)故障回中應(yīng)急功能和自動冷卻功能，本文設(shè)計并分析了一種帶冷卻結(jié)構(gòu)且具有應(yīng)急回中功能的矢量噴管作動器，利用AMESim 軟件搭建矢量噴管作動器的液壓系統(tǒng)模型，分析了冷卻孔和回油油路對回中特性的影響，可為產(chǎn)品回中的設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)試提供一定指導(dǎo)。

1 矢量噴管作動器原理

1.1 傳感器冷卻結(jié)構(gòu)原理

矢量噴管作動器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要包括筒體、位移傳感器、冷卻襯套、活塞桿，其中活塞端部有冷卻小孔，冷卻襯套位于活塞桿與位移傳感器之間。

圖1 作動器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Actuator structure diagram

如圖1所示，假定作動器右腔通高壓，左腔通低壓，在兩腔壓差作用下，來自發(fā)動機(jī)油泵的部分高壓腔工作介質(zhì)從活塞上的小孔將依次流過活塞與冷卻襯套之間的間隙和冷卻襯套與位移傳感器間隙，最后進(jìn)入低壓腔并隨低壓腔工作介質(zhì)流回發(fā)動機(jī)回油箱。在此流動過程中，來自發(fā)動機(jī)油泵的工作介質(zhì)與沿路的零部件形成熱傳導(dǎo)，進(jìn)而帶走傳感器及其周邊的部分熱量，引起其溫度降低，完成位移傳感器冷卻。

1.2 應(yīng)急回中原理

應(yīng)急回中液壓作動器是在作動器的筒體中間某個位置加工幾個規(guī)則分布的小孔，并通過設(shè)置的油路與回油口相通，作動器兩腔通過固定單向閥和節(jié)流孔分別與系統(tǒng)壓力ps相通，進(jìn)入左腔的高壓油通過回中小孔部分流回油箱[7-9]。

當(dāng)活塞位于回中孔左端時，如圖2所示。回中時，高壓油進(jìn)入作動器兩腔，由于左腔的作用面積大于右腔的作用面積且右腔有回中小孔的回流，因此活塞向右腔一側(cè)移動；當(dāng)活塞過了回中孔位置時，左腔由于回中小孔的回流，左腔的壓力小于右腔的壓力，最終在回中孔處形成液壓力和流量的動態(tài)平衡，此時活塞停到回中位置。

圖2 活塞在回中孔左端Fig.2 The piston is at the left of the centering hole

當(dāng)活塞位于回中孔右端時，如圖3所示，由于回中小孔流量的流出使得左腔的壓力小于右腔，活塞向左腔一側(cè)移動。當(dāng)活塞到達(dá)中位時，左腔由于回中小孔的回流，左腔的壓力小于右腔的壓力，最終在回中孔處形成液壓力和流量的動態(tài)平衡，此時活塞停到回中位置。通過調(diào)節(jié)回中小孔與活塞間的開口度來調(diào)節(jié)活塞兩腔平衡后的位置。同時，在此過程中依靠作動器筒體內(nèi)部活塞兩側(cè)的工作介質(zhì)壓差，通過活塞桿上的冷卻孔形成冷卻油路。

圖3 活塞在回中孔右端Fig.3 The piston is at the right of the centering hole

2 矢量噴管作動器回中數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述應(yīng)急回中原理，基于流體力學(xué)平衡方程所建立的回中裝置非線性數(shù)學(xué)模型（見圖4、圖5）有以下幾種情況。

圖4 伸出運(yùn)動回中模型Fig.4 Extending the movement back to the center model

圖5 收進(jìn)運(yùn)動回中模型Fig.5 Retracting movement back to the center model

（1） 當(dāng)活塞位于回中孔左端時

作用在活塞左、右端面的作用力相等

無桿腔進(jìn)油流量和出油流量相等

有桿腔進(jìn)油流量和出油流量相等

經(jīng)過各節(jié)流小孔的流量

式中，A1為作動筒無桿腔面積；A2為作動筒有桿腔面積；ps為系統(tǒng)供油壓力；pr為系統(tǒng)回油壓力；Cd為流量系數(shù)；ρ為燃油密度；以上均為已知量。f1為無桿腔節(jié)流小孔面積；f2為有桿腔節(jié)流小孔面積；f3為回中小孔面積；f4為活塞頭冷卻小孔面積；V為活塞桿運(yùn)動速度；Q1為流進(jìn)作動筒無桿腔流量；Q2為流進(jìn)作動筒有桿腔流量；Q3為流出作動筒回中小孔流量；Q4為流過活塞頭冷卻小孔流量；p1為作動筒無桿腔壓力；p2為作動筒有桿腔壓力；以上均為未知量。

（2）當(dāng)活塞位于回中孔右端時

作用在活塞左、右端面的作用力相等

無桿腔進(jìn)油流量和出油流量相等

有桿腔進(jìn)油流量和出油流量相等

經(jīng)過各節(jié)流小孔的流量

3 AMESim仿真模型建立

根據(jù)上述矢量噴管作動器回中原理圖，并對與回中狀態(tài)無關(guān)的元器件進(jìn)行簡化處理，利用AMESim[10-12]軟件中的液壓庫、液壓元件庫、機(jī)械庫、信號庫等搭建液壓系統(tǒng)仿真模型。

利用AMESim 軟件建立液壓系統(tǒng)模型后，設(shè)置具體參數(shù)見表1。

表1 基本參數(shù)設(shè)置Table 1 Basic parameter settings

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 冷卻孔對回中速度的影響

為研究活塞向伸出、收進(jìn)方向運(yùn)動時，冷卻孔的大小對回中速度的影響，活塞冷卻孔直徑d分別設(shè)置為0.4mm、0.7mm、1.2mm、2.5mm 進(jìn)行仿真測試（見表2），其余參數(shù)均參照表1，仿真模型如圖6 所示，通過仿真可得到當(dāng)活塞向伸出、收進(jìn)方向運(yùn)動時的回中速度和回中位移仿真曲線，如圖7～圖10所示。

表2 不同冷卻孔回中速度和位移（伸出運(yùn)動）Table 2 The speed and displacement of different cooling holes in the extension movement

圖6 回中仿真模型Fig.6 Back-to-center simulation model

圖7 不同冷卻孔回中速度（伸出運(yùn)動）Fig.7 Different cooling hole return speed (extending movement)

圖8 不同冷卻孔回中位移（伸出運(yùn)動）Fig.8 Different cooling holereturn displacement(extending movement)

圖9 不同冷卻孔回中速度（收進(jìn)運(yùn)動）Fig.9 Different cooling hole return speed (retracting movement)

圖10 不同冷卻孔回中位移（收進(jìn)運(yùn)動）Fig.10 Different cooling hole return displacement(retracting movement)

當(dāng)活塞向伸出方向運(yùn)動時，在最左端時為初始位置，當(dāng)活塞向收進(jìn)方向運(yùn)動時，在最右端時為初始位置，規(guī)定往右側(cè)運(yùn)動為正。

分析該結(jié)果可知，伸出回中速度與冷卻油路的孔徑大小有關(guān)，在其余設(shè)計參數(shù)不變的情況下，伸出回中速度隨著冷卻油路孔徑的增大而增大。但矢量噴管作動器的伸出回中速度并非越快越好，適當(dāng)?shù)幕刂兴俣饶艽_保矢量噴管快速切換到安全狀態(tài)，但速度過快會使矢量噴管的瞬間作用力變大，影響矢量噴管強(qiáng)度。

從活塞向伸出方向運(yùn)動不同冷卻孔下活塞位移曲線可看出，并非冷卻孔越大越好，當(dāng)冷卻孔增大到一定程度，產(chǎn)品無法到達(dá)回中位置。

當(dāng)冷卻油路的孔徑增加到一定程度時，活塞向伸出方向運(yùn)動到右極限位置，即活塞無法回到回中位置，此時查看作動筒左右兩腔的壓力曲線，如圖11 所示，作動筒無桿腔壓力為6.82MPa，作動筒有桿腔壓力為7.90MPa，此時，兩腔的壓差為1.08MPa。查看作動筒左右兩腔的作用力曲線，如圖12所示，作動筒無桿腔產(chǎn)生的作用力大于有桿腔的作用力，因此活塞無法回到回中位置，而是一直運(yùn)動到右極限位置。

圖11 兩腔壓力曲線Fig.11 Two-chamber pressure curve

圖12 兩腔作用力曲線Fig.12 Two-cavity force curve

在工程應(yīng)用中，上述結(jié)果除了指導(dǎo)設(shè)計冷卻孔不應(yīng)過大外，對于因作動器左右兩腔的密封設(shè)計不當(dāng)或者因長時間工作引起的磨損造成兩腔之間的內(nèi)漏過大同樣可以等效替代為冷卻孔過大問題，對于工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

分析該結(jié)果可知，其余設(shè)計參數(shù)不變的情況下，回中速度隨著冷卻油路孔徑的增大而減小。

從活塞向收進(jìn)方向運(yùn)動時，不同冷卻孔下活塞位移曲線和表3 可以看出，當(dāng)冷卻油路的孔徑增加到一定程度時回中速度減小到0，即活塞桿無法帶動負(fù)載運(yùn)動。此時查看作動筒左右兩腔的壓力曲線，如圖13 所示，作動筒無桿腔壓力為6.82MPa，作動筒有桿腔壓力為7.90MPa，此時兩腔的壓差為1.08MPa。查看作動筒左右兩腔的作用力曲線，如圖14所示，作動筒有桿腔產(chǎn)生的作用力小于無桿腔的作用力，因此活塞無法向左運(yùn)動到回中位置。

圖13 兩腔壓力曲線Fig.13 Two-chamber pressure curve

圖14 兩腔作用力曲線Fig.14 Two-cavity force curve

表3 不同冷卻孔回中速度和位移（收進(jìn)運(yùn)動）Table 3 Different cooling hole return speed and displacement （retracting movement）

4.2 回油油路對回中速度的影響

為研究回油油路對回中速度的影響，設(shè)定無桿腔節(jié)流小孔直徑、有桿腔節(jié)流小孔直徑、回中小孔直徑為定值；活塞冷卻孔直徑d設(shè)置為0.7mm 進(jìn)行仿真測試，同時第一組建模與4.1節(jié)建模相同，第二組建模時在回中孔與系統(tǒng)回油之間添加三個有長度的管路和與管路垂直的孔元件，如圖15 所示，第三組建模時在回中孔與系統(tǒng)回油之間添加6 個有長度的管路和與管路垂直的孔元件，如圖16 所示，用來表示管路的長度和復(fù)雜度。

圖15 增加三段油路仿真模型Fig.15 Adding three sections of oil circuit simulation model

圖16 增加六段油路仿真模型Fig.16 Adding six sections of oil circuit simulation model

從圖17和圖18的仿真結(jié)果分析可知，回中孔到系統(tǒng)回油之間的管路長度和復(fù)雜度對回中速度有顯著影響，具體表現(xiàn)為管路越復(fù)雜越長，回中速度越低。這是因?yàn)槭噶繃姽茏鲃悠鞯幕刂性硎峭ㄟ^回中孔的泄壓作用實(shí)現(xiàn)的，管路復(fù)雜后，管路中介質(zhì)的沿程損失和局部損失增加，回中孔到系統(tǒng)回油之間的流阻變大，回中孔的泄壓能力降低，引起回中速度的降低。該結(jié)果對于工程實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義。在設(shè)置回中孔到系統(tǒng)回油之間的連接油路時，應(yīng)盡可能地減小油路長度，減少連接油路反復(fù)的改變油路走向，盡可能避免與其他工作油路共用一條油路，以減小介質(zhì)的沿程損失和局部損失，確保矢量噴管作動器速度滿足設(shè)計值。

圖17 回油油路對回中速度的影響（伸出運(yùn)動）Fig.17 The influence of the oil return circuit in the extension movement on the return speed

圖18 回油油路對回中速度的影響（收進(jìn)運(yùn)動）Fig.18 Influence of retracting movement oil return circuit on return speed

5 結(jié)論

通過理論計算得到了矢量噴管作動器兩個方向的回中特性的數(shù)學(xué)模型，并建立了矢量噴管作動器兩個方向的回中AMESim模型。通過研究可以得到以下結(jié)論：

（1） 通過仿真分析，得出了冷卻孔與回中速度之間的關(guān)系：伸出運(yùn)動回中速度隨著冷卻孔徑的增大而增大，但并非冷卻孔越大越好，當(dāng)冷卻孔增大到一定程度時，產(chǎn)品無法到達(dá)回中位置；收進(jìn)運(yùn)動回中速度隨著冷卻孔徑的增大而減小，當(dāng)冷卻油路的孔徑增加到一定程度時，回中速度減小到0，即活塞桿無法帶動負(fù)載運(yùn)動。上述結(jié)論除了指導(dǎo)冷卻孔的設(shè)計外，對于兩腔之間的內(nèi)漏過大同樣可以等效替代為冷卻孔過大問題，對于工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

（2）通過仿真分析，得出了回中孔到系統(tǒng)回油之間的管路長度和復(fù)雜度對回中速度的影響，具體表現(xiàn)為管路越復(fù)雜越長，回中速度越低。本文給出了實(shí)際工程設(shè)計中管路設(shè)計的指導(dǎo)意見，為矢量噴管作動器的回中結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考，具有工程意義和價值。