張 忠，周瑞祥，王卓健，賈文銅

(空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，西安 710038)

起落架收放系統(tǒng)模塊化建模及熱力學(xué)仿真

張 忠，周瑞祥，王卓健，賈文銅

(空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，西安 710038)

起落架系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)是起落架系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，收放過(guò)程中油液等溫度的變化會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生一定的影響。為了解其熱力學(xué)特性，文章建立了組成起落架收放系統(tǒng)的液壓元件的熱力學(xué)模型，在AMESim軟件平臺(tái)上搭建了起落架收放系統(tǒng)的熱力學(xué)仿真模型，進(jìn)行了仿真試驗(yàn)研究，仿真結(jié)果表明，所建模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、流量、溫度等多參數(shù)的聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果能夠較好地反映起落架收放系統(tǒng)的熱力學(xué)特性。

起落架;液壓系統(tǒng);熱力學(xué)模型

0 引言

起落架收放系統(tǒng)是飛機(jī)液壓系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，系統(tǒng)的可靠性水平高低將直接影響飛機(jī)的起飛、著陸性能及飛行安全。隨著飛機(jī)液壓系統(tǒng)向高壓化、大功率方向的發(fā)展，增加了系統(tǒng)的無(wú)用功率，提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度。油液溫度的升高對(duì)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生諸多不利的影響。

采用仿真技術(shù)對(duì)起落架收放系統(tǒng)的熱力學(xué)特性進(jìn)行仿真研究［1］，對(duì)保證起落架收放系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性等具有非常重要的意義。AMESim軟件利用最先進(jìn)的容積建模法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓元件、系統(tǒng)以及環(huán)境的模塊化建模，本文利用AMESim仿真軟件對(duì)飛機(jī)起落架收放系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)建模及仿真研究，取得了較好的效果。

1 起落架收放系統(tǒng)熱力學(xué)模型的建立

1.1 液壓導(dǎo)管

液壓管路中主要考慮內(nèi)部油液、管路殼體和管外環(huán)境之間的傳熱，采用容積建模法建立管路的熱力學(xué)模型［2-6］，容積建模法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、流量、溫度的耦合計(jì)算，取管路中油液的控制體模型如圖1所示。

圖1 油液控制體模型

其能量方程可表示為:

通過(guò)計(jì)算得到管路出口溫度，可表示為:

式中:mc為管路的殼體質(zhì)量，和分別為管路向環(huán)境的對(duì)流散熱和輻射散熱。

1.2 液壓動(dòng)作筒

根據(jù)對(duì)動(dòng)作筒的傳熱分析和容積建模法的原理，將動(dòng)作筒劃分為左腔、右腔和殼體三個(gè)控制體，傳熱也是在左右腔油液同殼體以及外界環(huán)境之間進(jìn)行的［2-6］。式中:T2為管路出口溫度，m為管內(nèi)油液質(zhì)量，cp為流體的定壓比熱。

同樣的方法可得到管路殼體溫度，可表示為:

1.3 液壓電磁閥

根據(jù)對(duì)閥的傳熱分析和容積建模法的原理，將閥劃分為進(jìn)油、回油和殼體三個(gè)控制體。進(jìn)油控制體的溫度可表示為［2-6］:

2 起落架收放系統(tǒng)熱力學(xué)仿真模型的建立

2.1 工作原理

考慮前起落架由正常液壓系統(tǒng)供壓，由電磁閥控制通往起落架和艙門(mén)動(dòng)作筒的油路的通斷，從而控制起落架和起落架艙門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉，起落架收放部分由1個(gè)作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)，起落架艙門(mén)由1個(gè)作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)。收前起落架時(shí)，先打開(kāi)艙門(mén)，再收前起落架;放前起落架時(shí)，先打開(kāi)艙門(mén)，再放前起落架［8-10］。

液壓收放回路的控制方案如圖2所示。

圖2 液壓收放系統(tǒng)方塊圖

2.2 仿真模型建立

(1)液壓導(dǎo)管仿真模型建立

通過(guò)以上對(duì)管路的熱力學(xué)模型的建立，利用AMESim的熱液壓庫(kù)中的換熱模塊和熱庫(kù)中的換熱模塊、能量模塊以及信號(hào)庫(kù)中的模塊建立管路的熱力學(xué)仿真模型［7，11］如圖 3 所示。

圖3 不考慮粘性的液壓管路熱力學(xué)仿真模型

(2)動(dòng)作筒仿真模型建立

通過(guò)以上對(duì)動(dòng)作筒的熱力學(xué)模型的建立，利用AMESim的熱液壓設(shè)計(jì)庫(kù)中的模塊、熱庫(kù)中的質(zhì)量模塊、換熱模塊、能量模塊、機(jī)械庫(kù)中的模塊以及信號(hào)庫(kù)中的模塊建立動(dòng)作筒的熱力學(xué)仿真模型如圖4所示。

圖4 單輸出桿動(dòng)作筒熱力學(xué)仿真模型

(3)電磁閥仿真模型建立

通過(guò)以上對(duì)電磁閥的熱力學(xué)模型的建立，利用AMESim的熱液壓庫(kù)中的伺服閥模塊、熱庫(kù)中的質(zhì)量塊、換熱模塊以及信號(hào)庫(kù)中的模塊建立電磁閥的熱力學(xué)仿真模型如圖5所示。

(4)起落架收放系統(tǒng)仿真模型建立

前起落架子系統(tǒng)屬收放液壓系統(tǒng)。主要由液壓閥、管路、節(jié)流閥、位移傳感器和單桿液壓動(dòng)作筒等組成。

依據(jù)起落架子系統(tǒng)的工作原理，采用前面所建立的管路模塊、動(dòng)作筒模塊及電磁閥模塊以及AMESim軟件自帶的一些模塊建立前起落架子系統(tǒng)熱力學(xué)仿真模型并進(jìn)行封裝，如圖6所示，仿真模型中以信號(hào)的形式控制電磁閥的通斷以及實(shí)現(xiàn)起落架和艙門(mén)的順序動(dòng)作。

圖5 基于AMESim的中立關(guān)閉液壓閥熱力學(xué)仿真模型

圖6 基于AMESim的前起落架收放系統(tǒng)熱力學(xué)仿真模型

3 算例仿真及分析

模型的主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 起落架主要計(jì)算參數(shù)

對(duì)以上所建液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果如下圖所示。

圖7中給出了收上起落架和放下起落架的信號(hào)，信號(hào)取值為1～－1，圖8中的1，2曲線(xiàn)分別代表起落架和艙門(mén)動(dòng)作筒的位移，可以看出，收起落架時(shí)，先收起落架，待起落架完全收上時(shí)再收艙門(mén)，放起落架時(shí)正好相反。說(shuō)明模型實(shí)現(xiàn)了順序收放起落架和艙門(mén)的功能。

圖7 輸入信號(hào)

圖8 起落架和艙門(mén)動(dòng)作筒的位移(m)仿真曲線(xiàn)

圖9 起落架和艙門(mén)動(dòng)作筒的壓力(bar)仿真曲線(xiàn)

圖9中的1，2曲線(xiàn)分別代表起落架和艙門(mén)動(dòng)作筒的壓力變化，圖10和圖11中的1，2曲線(xiàn)分別代表起落架和艙門(mén)動(dòng)作筒的流量變化，可以看出壓力和流量的變化與圖8中動(dòng)作筒的位移是相對(duì)應(yīng)的。

圖12中的曲線(xiàn)分別為起落架和艙門(mén)動(dòng)作筒某一腔的溫度變化，可以看出在收放起落架的過(guò)程中，動(dòng)作筒內(nèi)油液的溫度有較大幅度的變化，這是因?yàn)闇囟鹊淖兓c壓力、流量密切相關(guān)，在第8秒左右溫度有較大幅度的躍升，幅度達(dá)到了約16℃，此時(shí)起落架已收上，動(dòng)作筒的壓力雖然有所減小，但是泄漏量突然增加，如圖11所示，從而導(dǎo)致了溫度的迅速上升。

圖10 流向起落架和艙門(mén)的流量(kg/s)仿真曲線(xiàn)

圖11 起落架和艙門(mén)的泄流(kg/s)仿真曲線(xiàn)

圖12 起落架和艙門(mén)動(dòng)作筒溫度(℃)仿真曲線(xiàn)

4 結(jié)論

本文利用傳熱學(xué)對(duì)起落架收放系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)建模，在AMESim軟件平臺(tái)上建立了各個(gè)元件的熱力學(xué)仿真模型，在此基礎(chǔ)上根據(jù)起落架收放系統(tǒng)的原理圖搭建了系統(tǒng)的熱力學(xué)仿真模型;

通過(guò)仿真測(cè)試和結(jié)果分析可以看出，所建起落架系統(tǒng)的熱力學(xué)仿真模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、流量、溫度等多參數(shù)的聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果能夠較好地反映其熱力學(xué)特性;

所建仿真模型使用方便，應(yīng)用也比較廣泛，可以完成對(duì)不同液壓系統(tǒng)的仿真測(cè)試，實(shí)現(xiàn)面向液壓原理圖的可視化建模，可以為液壓系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)提供一定的參考。

［1］吳堅(jiān).高溫高壓液壓系統(tǒng)瞬態(tài)熱分析［D］.北京:北京航空航天大學(xué)，1995.

［2］謝三保.飛機(jī)液壓系統(tǒng)熱力學(xué)模型及數(shù)字仿真［D］.北京:北京航空航天大學(xué)，2004.

［3］曹玉璋.傳熱學(xué)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

［4］陶文銓.傳熱學(xué)［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［5］張靖周，常海萍.傳熱學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［6］周繼珠，劉偉強(qiáng)，王中偉.工程熱力學(xué)［M］.長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社，1999.

［7］付永領(lǐng)，祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模與仿真［M］.北京:北京航空航天大學(xué)，2006.

［8］ Li Cheng-gong，JIAO Zongxia.Calculation Method for Thermal Hydraulic System Simulation［J］.Jourmal of Heat Transfer，2008，8.

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［10］ AMESim 4.2 User Manuals:Thermal-Hydraulic library［K］.IMAGINE S.A，2004.

［11］Slidder JA，Tilley D G，Chapple P J.Thermal-hydraulic performance prediction in fluid power systems［C］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers(IMechE)，London，1996，210(4):231－242.

(編輯 李秀敏)

Landing Gear Retraction System of Modular Modeling and Thermal-hydraulic Simulation

ZHANG Zhong，ZHOU Rui-xiang，WANG Zhuo-jian，JIAWen-tong
(College of Engineering，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China)

The landing gear system in the thermal design is an important part of the the landing gear system design，and the oil temperature change w ill affect its performance.In order to undersand its thermalhydraulic characteristics，this paper established the composition of landing gear system hydraulic components of the thermal-hydraulicmodel.The thermal-hydraulicmodel of landing gear retraction system was established using AMESim soft.Themodels could satisfy requirement of temperature simulation of general hydraulic system.The simulation tests include hydraulic subsystem simulation and representative aircraft hydraulic system simulation.The results show that the established models can be used in variable parameters’simulation and represent the dynam ic temperature characteristic of hydraulic system.

landing gear;hydraulic system;thermal-hydraulic model

TH16;TG65

A

1001－2265(2013)03－0036－03

2012－07－03;

2012－08－28

張忠(1987—)，男，南京人，空軍工程大學(xué)工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)槿藱C(jī)與環(huán)境系統(tǒng)工程，(E－mail)flzhangzhong@163.com。