孫為民，劉曉志，陳 翔

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

一種雙腔緩沖器的建模及其性能表現(xiàn)

孫為民，劉曉志，陳 翔

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

直升機(jī)為了滿足墜毀時乘員生存率要求，主起落架大多采用雙腔緩沖器。該文闡述了一種具有自適應(yīng)控制閥的雙腔緩沖器的數(shù)學(xué)模型。在ADAMS平臺下編寫了該緩沖器載荷計(jì)算的子程序，并將子程序嵌入到ADAMS里的計(jì)算主程序。仿真分析了在不同著陸速度下該緩沖器的性能表現(xiàn)，結(jié)果證明該緩沖器里的自適應(yīng)控制閥能夠較好地達(dá)到卸荷的作用，對起落架抗墜毀設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的意義。

起落架；雙腔緩沖器；自適應(yīng)控制閥

0 引言

直升機(jī)在著陸過程中與地面撞擊，產(chǎn)生大量的能量，起落架吸收這些撞擊能量，因此起落架的布局、構(gòu)型和緩沖性能對直升機(jī)的著陸非常重要。如何精確地模擬計(jì)算直升機(jī)著陸過程一直是直升機(jī)起落架設(shè)計(jì)和分析的重要課題。

直升機(jī)起落架在結(jié)構(gòu)形式上多采用支柱式和搖臂式。它是由多個構(gòu)件通過多種類型運(yùn)動副連接而成的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。著陸能量主要是靠緩沖器來緩沖和吸收，因此，緩沖器是起落架的一個重要部件。對具有抗墜毀要求的直升機(jī)起落架，其緩沖器的模型較為復(fù)雜。一方面這種緩沖器要滿足較小著陸速度時的吸收功量和過載控制要求；另一方面要滿足達(dá)到諸如85%生存率要求的10.2m/s著陸速度的吸收功量和過載控制要求；同時還要滿足地面振動等要求。

本文所述的緩沖器是一種基于彈簧的自適應(yīng)控制閥的雙腔緩沖器[1]，這種緩沖器能夠隨壓力變化自動調(diào)節(jié)油孔開啟的面積。

1 起落架模型

起落架模型的動力學(xué)方程可統(tǒng)一表示為：

(1)

式中，q是狀態(tài)向量，X是初始條件向量，F(xiàn)是緩沖器載荷，t是時間。其中F可統(tǒng)一表示為：

(2)

式中，F(xiàn)L為結(jié)構(gòu)限制力，F(xiàn)a為氣腔壓縮產(chǎn)生的力即氣體彈簧力，F(xiàn)h為油液阻尼力，F(xiàn)f為摩擦力。

F是關(guān)于緩沖器壓縮行程stroke和壓縮速度stroke_rate的復(fù)雜函數(shù)?？杀硎緸椋?/p>

(3)

本文所述的基于彈簧自適應(yīng)控制閥的雙腔緩沖器安裝在搖臂式起落架，這種搖臂式起落架的著陸性能詳細(xì)計(jì)算方法可查閱相關(guān)手冊[2]，本文著重闡述種緩沖器的數(shù)學(xué)建模及其性能表現(xiàn)。

2 一種雙腔緩沖器的模型

一種雙腔緩沖器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有高、低壓兩個氣腔，還有上、下兩個閥。這種閥有側(cè)油孔和中心油孔，中心油孔能夠因?yàn)樽枘釅翰疃詣诱{(diào)節(jié)油針的行程，進(jìn)而調(diào)節(jié)中心油孔面積的大小。我們稱這種閥為自適應(yīng)控制節(jié)流閥。

著陸時，緩沖器壓縮，油液通過側(cè)油孔，由于阻尼產(chǎn)生上阻尼壓差DP1，同時壓縮氣體產(chǎn)生新的氣腔壓力air_p1，并有摩擦力Ff，三者構(gòu)成緩沖器載荷F。開始時只有低壓腔單腔運(yùn)動，DP1，air_p1，F(xiàn)f，F(xiàn)的計(jì)算公式如公式(4)-(7)所示。當(dāng)緩沖器繼續(xù)壓縮，緩沖器油壓不斷增大，當(dāng)大于高壓腔的初始?xì)鈮毫r，高壓氣腔被壓動，產(chǎn)生下阻尼壓差DP2、高壓腔新的氣腔壓力air_p2以及摩擦力Ff。在這個過程中，根據(jù)油壓的相等來動態(tài)分配油液的流向和流量，即緩沖器的行程stroke分成低、高壓腔的行程dis1和dis2，緩沖器的壓縮速度stroke_rate分成低、高壓腔的壓縮速度vel1和vel2，計(jì)算公式如 式(8)-(15)所示。如果因側(cè)油孔而產(chǎn)生的阻尼壓差過大，油液會沖開中心油孔的調(diào)節(jié)油針，增大中心油孔的面積，因此迭代計(jì)算過程中需要不斷修正上、下閥的中心油孔的開啟面積。以上閥為例，此時阻尼壓差的公式修正為公式(16)，中心油孔的開啟面積根據(jù)阻尼壓差作用在調(diào)節(jié)油針上產(chǎn)生的力與彈簧力動態(tài)相等而得到。上閥調(diào)節(jié)油針移動的距離為X11，調(diào)節(jié)油針的動力平衡方程如公式(17)。中心油孔開啟面積是一個關(guān)于調(diào)節(jié)油針移動距離的函數(shù)X11，另外它還跟中心油孔半徑R1、油針錐度α1等結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，模型如圖2所示，推導(dǎo)出的公式如式(18)所示。中心油孔開啟面積總是小于中心油孔初始面積，因此油針移動距離最大不超過一個值。

圖1 緩沖器示意圖 圖2 節(jié)流閥開啟模型

低壓腔單腔運(yùn)動時：

(4)

(5)

(6)

(7)

高、低壓腔雙腔共同運(yùn)動時：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

方程中：rou―油液密度；fricf_coef―緩沖器摩擦系數(shù)；s_piston―壓油面積；air_p10、air_p20―低、高壓腔初始壓力；air_p1、air_p2―低、高壓腔壓力；air_v10、air_v20―低、高壓腔初始體積；air_s1、air_s2―低、高壓腔橫截面積；dis1、dis2―低、高壓腔行程；vel1、vel2―低、高壓腔壓縮速度；g1、g2―低、高壓氣腔多變指數(shù)；Fk1、Fk2―上、下閥的彈簧預(yù)緊力；k1、k2―上、下閥的彈簧剛度；oil_orif1、oil_orif2―上、下閥的側(cè)油孔面積；oil_s1、oil_s2―上、下閥的中心油孔開啟面積；oil_s10、oil_s20―上、下閥的中心油孔初始面積；X11、X22―上、下閥的油針移動距離；oil_coef1、oil_coef2―上、下閥油液阻力系數(shù)。

根據(jù)上述的緩沖器計(jì)算模型，通過FORTRAN語言編制緩沖器載荷計(jì)算子程序，傳遞的變量為緩沖器的壓縮行程和速度，得到的是緩沖器載荷。再通過ADAMS的命令cr-solverprivate生成動態(tài)鏈接庫文件aircraft_solver.dll。仿真運(yùn)行時，自動調(diào)用該子程序完成緩沖器載荷計(jì)算。緩沖器子程序編制時注意其步長與ADAMS求解器的仿真步長相協(xié)調(diào)。ADAMS平臺下的起落架模型圖如圖3所示。

3 不同著陸速度時的緩沖器性能表現(xiàn)

分析在不同著陸速度時的緩沖器性能以及上、下閥的功效。在墜毀著陸時，緩沖器行程達(dá)到一定行程H時，機(jī)身結(jié)構(gòu)觸地，剩余的能量靠機(jī)身結(jié)構(gòu)的變形吸收。本文不述及機(jī)身結(jié)構(gòu)變形等相關(guān)內(nèi)容，因此在分析中，當(dāng)緩沖器行程達(dá)到H時，設(shè)置程序分析停止。選取2.5m/s、4m/s、6m/s、8m/s、10m/s的著陸速度，分析緩沖器性能表現(xiàn)。緩沖器的功量圖如圖4所示。從圖中可以看出，在以2.5m/s著陸時，緩沖器基本是低壓腔在工作，而從4m/s到10m/s，緩沖器載荷都超過了靜壓曲線的拐點(diǎn)，可以判斷此時高、低壓腔都參與了工作。

圖3 ADAMS平臺下的起落架模型圖

圖4 2.5、4、6、8、10m/s下緩沖器的功量圖

以8m/s著陸速度分析。高、低壓腔行程及緩沖器行程時域曲線如圖5所示。高、低壓腔壓縮速度及緩沖器壓縮速度時域曲線如圖6所示。從圖中可以看出緩沖器的工作過程，首先是低壓腔工作，當(dāng)緩沖器載荷較大時油液沖開高壓腔，高、低壓腔共同工作。上、下閥中的油針行程如圖7所示。從圖中可以看出上閥中的油針容易開啟，而下閥中的油針略有打開。

圖5 8m/s下低、高壓腔行程時域變化曲線

圖6 8m/s下低、高壓腔壓縮速度時域變化曲線

分析以6、8、10m/s著陸速度著陸時的上、下閥油針的工作情況。上、下閥的油針行程時域曲線如圖7①、②、③所示?？梢钥闯鲆?m/s、8m/s、10m/s的著陸速度著陸時，上閥的油針都有打開，增大了阻尼油孔，起到卸荷的作用；而下閥的油針在8m/s的情況時略有打開，在10m/s時有一定的全打開時間。下閥是安裝在高壓腔，高壓腔只有在較大著陸速度時候才開始工作。

進(jìn)一步分析上、下閥中油針的作用。取消下閥的中心油孔，在6m/s、8m/s、10m/s著陸速度情況下，下閥中有無中心油孔的緩沖器功量圖對比如圖8所示(虛線為無中心油孔的情況)?？梢钥闯鲈谝?0m/s墜毀著陸時，高壓腔的油孔組有一定的卸荷作用，將峰值從2.24×105N降為1.92×105N，而在8m/s以下基本沒有卸荷作用。同時取消上、下閥的中心油孔，閥中有無中心油孔的緩沖器功量圖對比如圖9所示(虛線為無中心油孔的情況)。從圖中可以看出，在10m/s時，中心油孔可將峰值從2.78×105N降為1.92×105N，卸荷作用較強(qiáng)。從圖8、9可以看出，上、下閥都起到卸荷作用，但處于低壓腔的上閥起的作用更大。

圖7 6、8、10m/s時上下油針的行程時域變化曲線

圖8 下油孔組無中心油孔

4 結(jié)論

本文闡述了一種安裝有自適應(yīng)控制閥的雙腔緩沖器建模，分析了在不同著陸速度下的該緩沖器的性能表現(xiàn)，可以得到以下結(jié)論：

1)通過本例分析發(fā)現(xiàn)，這種基于彈簧的自適應(yīng)控制閥具有良好的適應(yīng)性，在較小著陸速度時，閥的中心油孔不打開，而在較大著陸速度如墜毀時，閥門的中心油孔打開，隨著陸速度而調(diào)整油孔的面積，較好地達(dá)到了卸荷作用。

圖9 上、下油孔組同時無中心油孔

2)在本例中，高、低壓腔的閥表現(xiàn)也不完全一樣，低壓腔的閥起的作用更大。在具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)具體分析閥的實(shí)際效用。

3)由于起落架抗墜毀試驗(yàn)花費(fèi)較高，且都是一次性的，難以安排多個試驗(yàn)件進(jìn)行不同設(shè)計(jì)參數(shù)的墜毀試驗(yàn)。同時，控制閥是安裝在緩沖器內(nèi)，閥的開啟難以測量。在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)充分計(jì)算各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)對結(jié)果的影響，以保證抗墜毀試驗(yàn)的成功。

[1] 牟讓科，齊丕騫，吳啟榮，等.一種自適應(yīng)雙腔緩沖器動力特性研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)第，2001，18(9).

[2] 航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)委員會，編.飛機(jī)起落架強(qiáng)度設(shè)計(jì)指南[M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社.1989.

Modeling of a Dual Chamber Absorber and Performance of the Absorber

SUN Weimin, LIU Xiaozhi, CHEN Xiang

(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001, China)

To meet the survival rate requirement while landing harshly, the main landing gear of helicopter uses a dual chamber absorber. The mathematical model of a dual chamber with adjustable valves has been built. The subroutine of the absorber force has been programmed under ADAMS, and the subroutine has also been embedded to the main program of ADAMS. The performance of the absorber has also been analyzed under different landing rates. The result proves that the absorber with adjustable valves has excellent unload ability, and the adjustable valve has an important meaning to the crashworthiness design of the landing gear.

landing gear; dual chamber absorber；adjustable valve

2016-03-07 作者簡介：孫為民(1979-)，男，江西都昌人，工學(xué)碩士，高級工程師，主要從事直升機(jī)著陸裝置的設(shè)計(jì)和性能分析。

1673-1220(2016)02-022-04

V226+.2； TH137.52

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