李巍

摘要：現(xiàn)代飛行器中幾乎全部的節(jié)能與釋放能量系統(tǒng)都是由液壓驅(qū)動的，對飛行器中液壓控制系統(tǒng)的需求也愈來愈高。在飛機液壓控制系統(tǒng)的設計中，傳統(tǒng)的工程設計方式首先通過設計者的專業(yè)知識和經(jīng)驗，并考慮了結(jié)構(gòu)參數(shù)及其對系統(tǒng)動作特征產(chǎn)生的影響。但隨著電腦仿真技術(shù)的進展，數(shù)值模擬已經(jīng)能夠在工程控制系統(tǒng)方案設計中直接模擬實際控制系統(tǒng)的動作特征。數(shù)字計算機模擬技術(shù)已廣泛應用于飛機液壓系統(tǒng)的設計、開發(fā)和改進中。

Abstract： Almost all energy-saving and energy-releasing systems in modern aircraft are driven by hydraulic pressure， and the demand for hydraulic control systems in aircraft is also increasing. In the design of the aircraft hydraulic control system， the traditional engineering design method firstly adopts the designer's professional knowledge and experience， and considers the structural parameters and their influence on the action characteristics of the system. However， with the development of computer simulation technology， numerical simulation has been able to directly simulate the action characteristics of the actual control system in the design of the engineering control system. Digital computer simulation technology has been widely used in the design， development and improvement of aircraft hydraulic systems.

關(guān)鍵詞：飛機液壓系統(tǒng);仿真技術(shù);建模;飛機起落架;現(xiàn)狀分析

Key words： aircraft hydraulic system;simulation technology;modeling;aircraft landing gear;status analysis

中圖分類號：V262.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0233-03

0 ?引言

由于需要改裝飛機，原空調(diào)系統(tǒng)由油壓系統(tǒng)驅(qū)動。液壓系統(tǒng)是飛機的主要控制系統(tǒng)，具有高度的安全性和機動性。更換液壓系統(tǒng)不會影響原有液壓系統(tǒng)的性能。更換系統(tǒng)：飛機的油壓泵和空調(diào)泵安裝在左右發(fā)動機的輔助傳動機構(gòu)上，這就是為什么旁通管從兩個主油壓泵的輸出中抽出，空調(diào)系統(tǒng)通過將控制閥連接到發(fā)動機機油壓力來驅(qū)動。因為飛機在飛行和著陸過程中通常是高效的液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)對飛機的操縱性和安全性有重大影響。在更換液壓系統(tǒng)之前，有必要確定仿真是否影響液壓系統(tǒng)的操作和安全。由于液壓系統(tǒng)的輸出性能不同，用于計算液壓系統(tǒng)的最大輸出狀態(tài)。如果液壓系統(tǒng)現(xiàn)在可以正常工作，則認為校正成功。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字計算機模擬已成為一種重要手段，計算機仿真必須具備兩個主要條件。首先，仿真模型創(chuàng)建并仿真數(shù)學模型，以準確描述液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能。目前，隨著流體力學的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論、算法理論和可靠性理論，特別是計算機技術(shù)，液壓仿真技術(shù)也在迅速發(fā)展并日趨成熟，目前國外共有全自動、hopneo、 EASY5、 ADAMS/Hydrolography、 Matlab/Simulink、

simulzd、dsplus、20sim、AMESim等。AMESim軟件是一款基于Bon Chart的液壓/機械系統(tǒng)建模、仿真和動態(tài)分析軟件，由imaging 1995發(fā)布。該軟件包括imaging technology，這是一種強大的投影工具，系統(tǒng)分析與工程應用。

1 ?AMESim的飛機液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)

經(jīng)過幾十年的研發(fā)，液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)積累了許多寶貴的經(jīng)驗，始于1950年代。此時，漢普（1953）和南丁格爾（1957）分別對液壓系統(tǒng)進行了動態(tài)性能分析。此時，采用經(jīng)典控制理論中的傳遞函數(shù)方法，在一定范圍內(nèi)具有獨特的優(yōu)點。不僅能夠反映時域分析的系統(tǒng)特征，并且還可以在一定頻率區(qū)間中，功能參數(shù)也直接和系統(tǒng)特性相關(guān)。另外，在系統(tǒng)過去多年的發(fā)展中形成的系統(tǒng)規(guī)范也十分完備，是成熟、簡單、適用廣泛的系統(tǒng)方案，并一直被人們普遍采用。但是，由于這些方案僅限于線性系統(tǒng)，因此需要線性化非線性的控制系統(tǒng)。今天，該方法主要應用在單輸入、單出口和零初始條件。由于液壓壓力系統(tǒng)的很多非線條元件，限制了利用轉(zhuǎn)移函數(shù)方法分析的動態(tài)特征。在一九七零年代初期，世界各國都進行了液壓控制系統(tǒng)和元件的電腦數(shù)字模擬研制。一九七三年，美國俄克拉荷馬學院成功研制了和液壓及壓力技術(shù)領(lǐng)域直接有關(guān)的模擬軟件系統(tǒng)hydsim程序，它能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)特性的數(shù)字模擬運算，數(shù)據(jù)輸入更加復雜。一九七零年代后期，人們通過研究液壓流體力學，控制理論，優(yōu)化設計，仿真，計算機技術(shù)，以及其他領(lǐng)域，尤其是計算機技術(shù)的實際應用，已經(jīng)能夠利用理論或?qū)嵺`方法構(gòu)建液壓控制系統(tǒng)的高解析數(shù)學模型。并通過計算機仿真，優(yōu)化設計有關(guān)數(shù)值，從而預測控制系統(tǒng)特性，為液壓控制系統(tǒng)工程設計提供了有力的工具。從一九七零年代后期至今，西歐和美國相繼開發(fā)了許多具有高精度、高速和簡便功能的各種液壓系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性的通用模擬軟件。

1.2 AMEsim液壓系統(tǒng)建模

液壓控制系統(tǒng)的組成部分主要由四大部分構(gòu)成：電源、執(zhí)行機、控制調(diào)整設備以及輔助設備，在電源設備當中，液壓泵是最常用的動力裝置。執(zhí)行機構(gòu)和裝置的液壓缸，使液壓發(fā)動機所控制的液壓能量轉(zhuǎn)化為機械能。換向閥和其他壓力/流量控制/方向調(diào)節(jié)/油缸、濾清器、油管，以及輔助導熱體。在日常使用的液壓控制系統(tǒng)的建模過程則主要分為以下四個過程，在AMSIM應用庫中，對液壓控制系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)的仿真建模主要基于液壓管壓力庫，液壓元件庫和信號庫。液壓壓力控制是指控制整個或部分液壓系統(tǒng)壓力的回路。本實用新型由液壓壓力控制回路、放電回路、平衡回路、壓力平衡回路和減壓回路組成，壓力控制回路是壓力管路中最重要的回路，因此，在壓力控制回路中先導閥的配置調(diào)整為時鐘先導閥的配置，主采集原理主要由先導閥和主閥組成，遠程控制口K位于主閥的左腔室。主進料和先導閥上的系統(tǒng)壓力。如果先導閥未打開，腔室中的液體不會流動，并影響主進料的上下壓力平衡。主進料由主彈簧按壓，關(guān)閉閥門連接。當系統(tǒng)壓力升高且先導閥打開時，線圈上端的壓力高于下端的壓力。主閥根據(jù)壓差向下移動并打開，溢流壓力可通過調(diào)節(jié)先導閥的彈簧壓力調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)。在分析控制滴管閥的結(jié)構(gòu)和工作原理后，美國軟件建模的具體步驟如下：要構(gòu)建液壓壓力開關(guān)，包括液壓缸液壓和負載，選擇液壓存儲模塊。在草圖模式結(jié)束時，在子模型模式中，單擊工具欄中的子模型模式，進入子模型模式。該模型主要用于為每個組件選擇合適的數(shù)學假設。在這一步中，檢查模型嵌入方案的合理性。通常，系統(tǒng)的標準子模式具有強大的數(shù)學建模程序和特殊功能要求。模式參數(shù)：模式參數(shù)主要用于定義特定的參數(shù)，在此模式下設置的參數(shù)數(shù)據(jù)必須與內(nèi)置液壓系統(tǒng)的實際參數(shù)相對應。在此模式下，液壓系統(tǒng)需要特定的理論基礎(chǔ)。但是，液壓媒體的參數(shù)設置不包含任何文檔。首先選擇介質(zhì)油壓參數(shù)模式圖標，然后選擇介質(zhì)屬性和輔助模式。最后，根據(jù)所用流體的特征值設置參數(shù)，完成調(diào)整后的機油壓力介質(zhì)。給出了含95%水和納米材料的水產(chǎn)品的參數(shù)。關(guān)鍵是模擬結(jié)果。其合理性決定了模擬的可靠性。在“操作參數(shù)”對話框中，可以指定開始時間、結(jié)束時間、通信間隔，設定仿真的最大運行時間和誤差限制，對仿真結(jié)果進行仿真和分析。

1.3 該軟件具有的特點

①圖形物理建模可以讓用戶從數(shù)學建模中解放自己，并聚焦于物理系統(tǒng)本身的設計。②智能求解器可以根據(jù)用戶構(gòu)建的模型的數(shù)學特性自動選擇17種算法中的最佳集成算法，并動態(tài)切換集成算法，積分步驟可以在不同的模擬時間根據(jù)系統(tǒng)特性來調(diào)整?？s短模擬時間，提高模擬精度。③仿真范圍廣，機械、液壓、空氣、熱學、電磁場上實現(xiàn)多個領(lǐng)域的建模和模擬，可以物理上直接連接不同領(lǐng)域的模塊。④基本元素概念確保用戶可以以較少為單位盡可能地構(gòu)建多個系統(tǒng)。⑤AmeSet向用戶提供標準化、標準化、圖形化的二次開發(fā)平臺。⑥保留數(shù)理方程水平，框圖水平，基本元素水平的建模方法，并且根據(jù)每個特征和專業(yè)知識，不同的用戶可以綜合選擇獨特的建模方法和多種方法。⑦線性化分析工具（系統(tǒng)特征值解、板線圖、尼科爾線圖、尼克斯特線圖、根軌跡分析等）提供模態(tài)分析工具、快速傅立葉變換FFT、順序分析、光譜圖等。并且，用戶分析他們自己的系統(tǒng)，促進優(yōu)化的模型簡化工具。⑧動態(tài)模擬，穩(wěn)態(tài)模擬，不連續(xù)模擬，批量模擬的多模擬操作模式。⑨控制軟件接口，多維軟件接口，3dvirtual lab motion，3dvirtual，編程語言接口，實時仿真接口，提供豐富的接口，例如優(yōu)化工具界面。

2 ?AMESim的飛機液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)的應用研究

2.1 飛機液壓系統(tǒng)的構(gòu)成

飛機液壓系統(tǒng)由兩個系統(tǒng)組成，這種類型的飛機液壓系統(tǒng)包括兩個獨立的系統(tǒng)：主要液壓系統(tǒng)和制動液壓系統(tǒng)。主要的液壓系統(tǒng)通常用于撤回著陸裝置，使之后退。并打開包廂門，關(guān)閉，控制前擋風刷，控制前擋風刷制動液壓系統(tǒng)，用于控制制動器（包括通常的制動和緊急制動）;當主要的液壓系統(tǒng)不能正常供應壓力時，它還可以用來撤消、后退潛水艇框架，緊急時關(guān)閉包廂門。飛機油壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)可以分為地面起飛、飛行和著陸等幾個階段。在接地鐵環(huán)階段，液壓系統(tǒng)主要用于工作縱向前輪旋轉(zhuǎn)和制動系統(tǒng)。在空中飛行階段，液壓系統(tǒng)主要用于操作發(fā)射前玻璃刷和切換艙門。起降時，主要使用將著陸齒輪輕壓后后退的液壓系統(tǒng)。由于牽引著陸裝置后退所需的巨大動力，容易導致液壓系統(tǒng)的輸出不足，能夠使飛行中的著陸齒輪后退并后退，影響飛機的安全性能。在這項研究中，以開工階段為調(diào)查對象，研究了修正液壓系統(tǒng)的操縱性和可靠性。

2.2 前起落架收放系統(tǒng)的工作原理

飛機著陸后，使著陸裝置下降的工作如下。高壓液壓首先進入解鎖界面，推上活塞打開著陸齒輪的鎖鉤。鎖解除后，活塞打開液壓電路，高壓通過解鎖使活塞下降前方的運轉(zhuǎn)齒輪。同時，啟動齒輪致動器鎖通過螺線管閥返回到油箱。上下移動時，在液壓、自重、空氣壓力的聯(lián)合作用下，當執(zhí)行機活塞磨損或移動至最后時，易與外筒產(chǎn)生撞擊。所以，在致動器的出口設有單向節(jié)氣門閥，當油由致動器排出時形成較大的液壓阻力，因而減小齒輪的下降速率和沖擊。

現(xiàn)場起落架的運輸順槽超前支架結(jié)構(gòu)特點：

①運輸順槽超前液壓支架采用為左右兩架一組、兩組一套結(jié)構(gòu)型式，各組支架結(jié)構(gòu)形式相同;

②每組支架由鉸接前梁、頂梁、上連桿、底座、前后連桿、立柱、推移千斤頂?shù)冉M成，上連桿、前后連桿和底座之間構(gòu)成一個四連桿機構(gòu)，保證了支架的穩(wěn)定性，同側(cè)支架前后底座之間連接推移千斤頂，實現(xiàn)支架邁步式向前移動;

③單組支架結(jié)構(gòu)特點：

1）采用支撐掩護式結(jié)構(gòu)型式;

2）轉(zhuǎn)載機安裝在兩個底座的中間;

3）頂梁為鉸接結(jié)構(gòu)，帶中間梁;

4）頂梁安裝有護頂板，對頂板進行防護并保證行人安全;

5）左右架頂梁之間配置與推移步距相適應的調(diào)架千斤頂，使得支架具有防倒調(diào)直功能;

6）底座前端設計為船頭形式，以防止推移鉆底，并適應底板起伏變化。

使用的結(jié)構(gòu)件鋼板均為厚度系列均選用GB709-88熱軋鋼板尺寸系列中常用優(yōu)選規(guī)格如見表1，支架結(jié)構(gòu)件使用Q690高強度板比例不低于10%，Q550高強板比例不少于70%，Q460高強度板比例為20%。

2.3 液壓系統(tǒng)收放起落架的性能要求

液壓系統(tǒng)正常工作時，液壓泵處于卸載狀態(tài)，液壓系統(tǒng)的壓力維持在15MPa，油通過孔口返回，液壓壓泵自身的潤滑及散熱得以維持。當開關(guān)處于中性位置時，油電路在被切斷的下降位置處，在著陸齒輪下降的退避位置處，著陸齒輪后退。在正常的著陸齒輪釋放過程中，系統(tǒng)要求如下：系統(tǒng)的壓力首先從最大減小到7～8MPa，然后隨著著陸齒輪的釋放而逐漸增加。當壓力達到13MPa時，必須完全配置著陸齒輪。此時，油已經(jīng)進入回收、釋放致動器，系統(tǒng)壓力急速上升至15MPa。通常著陸裝置的下降時間不超過45秒。在著陸裝置正常后退期間，系統(tǒng)要求如下：按下收縮按鈕，系統(tǒng)壓力從最大減小到7～8MPa。由于著陸傳動輪的后退，系統(tǒng)氣壓逐漸增加。當氣壓超過13MPa時，啟動的齒輪后退。此時，油不再進入后退的致動器，系統(tǒng)氣壓迅速增加至15MPa。著陸設備的正常后退時間和系統(tǒng)電壓的改變?nèi)匀辉谝?guī)定范圍之內(nèi)。但是，水力控制系統(tǒng)必須43秒才能修復在預定性能參數(shù)的下限處一直存在的著陸傳動齒輪。由于液壓泵的性能老化泄漏量增加，如果輸出油降低的話，就會造成飛下車機的正常降落時間超時，嚴重危害航空器的操縱特性，成為航空安全的隱患。為保證航空器的可靠性和空中穩(wěn)定性，在正常保養(yǎng)中做好檢測。發(fā)現(xiàn)液壓泵性能下降時，維修或更新液壓泵?；蚩紤]改變液壓泵，提高液壓泵的輸出功率，保證飛機的操作性，減少潛在安全隱患。

2.4 武器艙門液壓系統(tǒng)的方案設計

隨著先進的空中武器和飛機設計要求的出現(xiàn)，現(xiàn)代戰(zhàn)斗機的武器裝備系統(tǒng)逐漸優(yōu)化。因此，當戰(zhàn)斗機在空中戰(zhàn)斗，轟炸機扔下炸彈時，必須打開武器的艙門并放下武器。武器艙門的開閉在流場引起復雜的變化，不同場所的武器艙門的空氣動力學負荷隨流場的變化而變化。武器艙門開閉過程中不均勻的空氣動力學會對武器艙門的正常開閉產(chǎn)生非常惡劣的影響。根據(jù)飛機的構(gòu)造要求，在其任務期間，必須設計一套液壓系統(tǒng)來完成武器艙門的開閉動作。飛機油壓系統(tǒng)由三個獨立的油壓系統(tǒng)組成：左側(cè)一般系統(tǒng)、右側(cè)通用系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)以及手泵電泵系統(tǒng)。左右一般油壓系統(tǒng)都有自己的油箱、油泵和分配配飾。左右的一般油壓系統(tǒng)可以獨立啟動各致動器，工作油返回工作后的各油箱。左右通用系統(tǒng)可在待機時作為緊急運轉(zhuǎn)使用，并通過通信開關(guān)連接。手泵電泵可以用于操作地面的各個部分。在空中作為緊急時的待機系統(tǒng)使用。左邊的一般系統(tǒng)由兩個液壓泵驅(qū)動，工作壓力為15.2±0.49MPa。左側(cè)系統(tǒng)的功能是在操作著陸齒輪、車輪緊急剎車、自動剎車和起飛線靜態(tài)剎車上陸齒輪、緊急控制升壓器和電梯升壓器等時關(guān)閉。右邊一般的系統(tǒng)是由油壓泵供給的，工作壓力為15.2±0.49MPa。右面一般系統(tǒng)的功能是，通常的輪轂、剎車、緊急剎車、發(fā)動機停止，打開前艙的緊急艙口，撤回襟翼和緊急著陸齒輪，撤回降落齒輪艙口等。

2.5 未來展望

由于系統(tǒng)外部環(huán)境，管道布局等振動數(shù)據(jù)不足，模擬結(jié)果不能很好地反映系統(tǒng)的脈動壓力。波動壓力是系統(tǒng)瞬時壓力變化的表現(xiàn)。如果能將軟件與應用軟件組合起來，就可以提高系統(tǒng)模擬的精度。從理想氣流中測得的實驗數(shù)據(jù)中獲得系統(tǒng)負荷。但是，在飛機的實際飛行過程中，會產(chǎn)生各種氣候條件。在模擬分析過程中，應充分考慮由于氣流不穩(wěn)定性引起的負載變化。油壓系統(tǒng)的壓力波動和波動應力是系統(tǒng)故障的主要原因之一。目前，準確分析和預測系統(tǒng)中的壓力脈動和脈動應力是困難的，國內(nèi)外這個領(lǐng)域的研究主要通過大量時間的實驗來驗證。因此，通過模擬軟件和理論研究來預測液壓系統(tǒng)的壓力脈動和脈動應力的方法是液壓系統(tǒng)分析的方向之一。

3 ?小結(jié)

①amesim以良好的效果和簡單的方法提供仿真方法。應用amesim圖形建模方法可以避免麻煩的公式推導。仿真結(jié)果令人滿意，與實驗結(jié)果基本一致。

②為了設定模型部件的參數(shù)值，通過使用AMEsim的批處理功能，為了促進系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，可以在不同的設定值下設定模擬結(jié)果。因此，在以飛機的油壓系統(tǒng)為首的各種領(lǐng)域，Amesim模擬技術(shù)被越來越廣泛使用。從上面的AmeSim建模和模擬過程可以得出，軟件的基本步驟很簡單，不過，如果想要進行真正的結(jié)構(gòu)預測，仿真實際的系統(tǒng)也是相當不容易的事。在仿真油壓體系的情形下，不但系統(tǒng)整個結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型，同時對每組分子模型中的結(jié)構(gòu)參數(shù)，也起著決定性的影響。很難合理地設置這些參數(shù)。所以，在模擬鏈路中，設定參數(shù)，分析結(jié)果和校正參數(shù)都是很關(guān)鍵的。

參考文獻：

[1]秦家升，游善蘭.AMESim軟件的特征及其應用[J].工程機械，2019：124.

[2]梁全.液壓系統(tǒng)AMEsim計算機仿真進階教程[M].機械工業(yè)出版社，2016：43-45.

[3]余佑官，龔國芳，胡國良.AMESim仿真技術(shù)及其在液壓系統(tǒng)中的應用[J].液壓氣動與密封，2018（03）：109-114.

[4]劉昕暉， 陳晉市. AMESim仿真技術(shù)在液壓系統(tǒng)設計分析中的應用[J]. 液壓與氣動，2017（11）：251-255.

[5]吳躍斌，謝英俊，徐立，等.1MN級新型減搖鰭液壓系統(tǒng)仿真[J].機床與液壓，2018（4）：61-63.

[6]李謹，鄧衛(wèi)華.AMESim 與 MA TLAB/ Simulink 聯(lián)合仿真技術(shù)及應用[J].情報指揮控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)，2019，26（5）：61-64.

[7]任新宇，郭迎清，姚華廷.基于AME Sim的航空發(fā)動機防喘調(diào)節(jié)器性能仿真研究[J].航空動力學報，2004（04）：572-576.