吳 雙 是賢珠 /

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海201210)

0 引言

民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)是支持飛機(jī)安全飛行、引導(dǎo)和進(jìn)近的重要動力系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的設(shè)計先進(jìn)性是飛機(jī)先進(jìn)程度的一個重要標(biāo)志，也極大地影響到飛機(jī)的安全性、經(jīng)濟(jì)性。飛機(jī)液壓系統(tǒng)主要為起落架收放、前輪轉(zhuǎn)彎、機(jī)輪剎車、主飛控系統(tǒng)和襟縫翼等用戶的作動提供液壓能源。

飛機(jī)液壓系統(tǒng)的一個重要設(shè)計指標(biāo)是滿足全飛行剖面下負(fù)載流量需求，而流量需求要結(jié)合液壓用戶的工況，分析液壓用戶各個動作所需流量，以及液壓元件泄漏所產(chǎn)生的需求。傳統(tǒng)設(shè)計通常采用人工計算的方式分析液壓系統(tǒng)負(fù)載需求，效率低且易出錯。隨著數(shù)子化設(shè)計與驗(yàn)證技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)虛擬仿真已成為產(chǎn)品設(shè)計與確認(rèn)的一種重要技術(shù)手段。通過虛擬仿真方式可以快速實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)性能的預(yù)測和分析，有效提高其在進(jìn)入地面試驗(yàn)測試驗(yàn)證階段前的設(shè)計成熟度。

1 飛機(jī)液壓系統(tǒng)簡述

飛機(jī)液壓系統(tǒng)從功能上可劃分為液壓能源子系統(tǒng)和液壓負(fù)載子系統(tǒng)。液壓能源子系統(tǒng)是液壓系統(tǒng)的核心，通過液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流體的壓力能，并通過流體介質(zhì)傳送到各個功能子系統(tǒng)；液壓負(fù)載子系統(tǒng)則包括作動筒、液壓馬達(dá)和助力器等，將油液的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

1.1 液壓能源子系統(tǒng)

通常，液壓能源子系統(tǒng)采用多余度設(shè)計，包括三套相互獨(dú)立、相互備用的液壓能源系統(tǒng)，為全機(jī)液壓用戶提供液壓傳動能量，圖1為空客A320飛機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖。

圖1 A320飛機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

1.2 液壓負(fù)載子系統(tǒng)

由于液壓負(fù)載子系統(tǒng)組成復(fù)雜，本文僅考慮主飛控系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)和機(jī)輪剎車控制系統(tǒng)。

1) 主飛控系統(tǒng)

主飛控系統(tǒng)包括升降舵、副翼、方向舵、多功能擾流板、地面擾流板等依靠液壓系統(tǒng)提供動力，用于實(shí)現(xiàn)飛機(jī)俯仰、偏航及滾轉(zhuǎn)操縱。

2) 起落架收放系統(tǒng)

飛機(jī)起落架收放系統(tǒng)用于飛機(jī)起飛離地后及飛機(jī)著陸前，依靠液壓能源將起落架及起落架艙門收起(放下)并上鎖。

3) 前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)

在飛機(jī)地面滑行時，前輪轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)依靠液壓能源驅(qū)動轉(zhuǎn)彎裝置，使飛機(jī)轉(zhuǎn)彎和在飛機(jī)起飛及著陸滑跑時小角度修正航向。

4) 機(jī)輪剎車系統(tǒng)

機(jī)輪剎車系統(tǒng)的功能是在飛機(jī)著陸接地后，利用液壓壓力，使飛機(jī)安全平穩(wěn)進(jìn)行機(jī)輪剎車。

2 建模過程

虛擬仿真首先依賴于建立可靠的模型，本文依照飛機(jī)液壓系統(tǒng)實(shí)際架構(gòu)分別構(gòu)建了液壓能源子系統(tǒng)和液壓負(fù)載子系統(tǒng)的模型，并用于飛機(jī)液壓系統(tǒng)負(fù)載流量需求分析。

2.1 開發(fā)流程

本文遵循基于模型的系統(tǒng)設(shè)計方法，按照組件、子系統(tǒng)到系統(tǒng)的開發(fā)和集成流程，完成了飛機(jī)液壓系統(tǒng)模型庫的構(gòu)建，如圖2所示。

圖2 模型庫架構(gòu)

基于原理構(gòu)建組件模型，其流程包括理論分析、原型開發(fā)、模型優(yōu)化以及模型測試，準(zhǔn)確把握模型結(jié)構(gòu)，提高模型建模的準(zhǔn)確性，保證模型的可重用性、可移植性、可維護(hù)性及可拓展性[1-5]。模型開發(fā)過程可分為公式理論分析、模型開發(fā)、模型校驗(yàn)優(yōu)化、模型測試等4個階段。

2.2 子系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

1) 液壓能源系統(tǒng)

通常情況下主泵包括發(fā)動機(jī)驅(qū)動泵(Engine Driven Pump，簡稱EDP)和電動泵(Engine Motor Pump，簡稱EMP)，當(dāng)用戶流量需求增加時，系統(tǒng)自動啟動備用泵或能源轉(zhuǎn)換裝置(Power Transfer Unit，簡稱PTU)。模型封裝后如圖3所示。

圖3 液壓能源系統(tǒng)封裝模型

2) 主飛控系統(tǒng)

考慮飛控系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)相關(guān)的用戶部件建模，主要包括飛行控制模塊(Flight Control Module，簡稱FCM)、電子控制裝置(Actuator Control Electronics，簡稱ACE)及動力控制裝置(Power Control Unit，簡稱PCU) 等模型。FCM計算得到有效控制指令發(fā)送給ACE，ACE驅(qū)動PCU將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能實(shí)現(xiàn)舵面運(yùn)動。模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 飛控系統(tǒng)封裝模型

3) 起落架收放系統(tǒng)

考慮起落架收放系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)相關(guān)的用戶部件建模，包括起落架控制單元(Landing Gear Control Unit，簡稱LGCU)、液壓及起落架機(jī)構(gòu)等模型。收放控制單元接受收放手柄信號驅(qū)動收放液壓子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起落架收放及艙門、鎖的開關(guān)。模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 起落架收放系統(tǒng)封裝模型

4) 前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)

考慮前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)相關(guān)的部件建模，包括轉(zhuǎn)彎控制單元(Steering Control Unit，簡稱SCU)、轉(zhuǎn)彎液壓及轉(zhuǎn)彎機(jī)械子系統(tǒng)等模型。轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)接收方向盤和腳蹬輸入的轉(zhuǎn)彎指令，通過液壓力驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向作動筒，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)地面運(yùn)動的控制。模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 前輪轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)封裝模型

5) 機(jī)輪剎車系統(tǒng)

考慮機(jī)輪剎車系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)相關(guān)的部件建模，包括剎車控制單元(Brake Control Unit，簡稱BCU)、剎車液壓及剎車機(jī)械子系統(tǒng)等模型。腳蹬輸出信號給機(jī)輪剎車控制系統(tǒng)，控制剎車控制閥輸出剎車壓力給剎車裝置。模型結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 機(jī)輪剎車系統(tǒng)封裝模型

2.3 系統(tǒng)集成

液壓能源系統(tǒng)模型與主飛控系統(tǒng)、起落架收放系統(tǒng)、前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、機(jī)輪剎車系統(tǒng)模型集成如圖8所示。

圖8 完整的飛機(jī)液壓系統(tǒng)及用戶集成模型

3 仿真分析

3.1 仿真場景

考慮到仿真模型與真實(shí)飛機(jī)飛行任務(wù)的差異，對典型飛行剖面進(jìn)行處理，表1為飛機(jī)液壓系統(tǒng)綜合仿真試驗(yàn)的典型飛行剖面[6]。

表1 典型飛行剖面

3.2 仿真分析

所有典型飛行剖面的仿真時長共280 s，主要分析液壓能源系統(tǒng)的輸出壓力和流量曲線，以及液壓能源綜合控制系統(tǒng)的邏輯控制是否符合設(shè)計功能。

以1#液壓能源系統(tǒng)為例，仿真結(jié)果曲線如圖9～圖10所示。

圖9 1#液壓能源系統(tǒng)壓力曲線

圖10 1#液壓能源系統(tǒng)流量曲線

根據(jù)仿真結(jié)果可知，當(dāng)1#液壓系統(tǒng)的液壓用戶流量需求增大時，系統(tǒng)輸出壓力會下降，當(dāng)綜合控制單元檢測到主泵壓力下降，自動開啟備用泵工作，為液壓用戶提供液壓能，當(dāng)備用泵開啟后系統(tǒng)輸出壓力又回到正常壓力。

仿真結(jié)果總結(jié)如下：

1) 在正常工況時，1#、2#和3#液壓能源系統(tǒng)的液壓泵和PTU均正常工作，為液壓用戶提供液壓能，各個液壓能源系統(tǒng)輸出壓力基本維持在3 000 psi；

2) 當(dāng)液壓用戶流量需求增大時，綜合管理控制單元自動開啟備用泵為液壓用戶提供流量，能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對液壓負(fù)載變化的跟隨性。

3.3 視景展示

結(jié)合FlightGear軟件并定制開發(fā)可視化展示軟件，涵蓋液壓用戶機(jī)構(gòu)動畫顯示、液壓能源系統(tǒng)簡圖頁顯示等信息，以圖形化方式呈現(xiàn)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，如圖11所示[7]。

圖11 仿真結(jié)果圖形展示

4 結(jié)論

本文提出了一種飛機(jī)液壓系統(tǒng)建模與負(fù)載流量需求分析應(yīng)用。遵循基于模型的系統(tǒng)設(shè)計理念，構(gòu)建了一套涵蓋液壓能源子系統(tǒng)及液壓負(fù)載子系統(tǒng)的飛機(jī)液壓系統(tǒng)模型庫，并開展了飛機(jī)液壓系統(tǒng)典型飛行剖面的仿真分析。系統(tǒng)仿真模擬了飛機(jī)液壓系統(tǒng)的動態(tài)工作過程，液壓能源系統(tǒng)可以跟隨液壓用戶流量需求的動態(tài)變化，反映出了飛機(jī)液壓系統(tǒng)與液壓用戶負(fù)載之間的耦合動態(tài)特性。模型滿足液壓系統(tǒng)負(fù)載流量分析需求，可用于對液壓系統(tǒng)的設(shè)計支持。