羅 江,賀國(guó)洋
(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)
直升機(jī)著艦裝置是供直升機(jī)快速安全著陸并系留在飛行甲板上的裝置,主要有兩種形式:拉降式和魚叉格柵式。
拉降式著艦裝置:適用于艦艇橫搖±28°~31°、縱搖±5°~8°,甲板升沉1.5~6m/s的情況下,將直升機(jī)拉降著艦并快速系留。直升機(jī)準(zhǔn)備著艦時(shí),機(jī)上放出主探管,從中用引索將艦上的拉降索引入直升機(jī)內(nèi)并卡定后,艦上拉降絞車收緊拉降索拉直升機(jī)下落;著艦時(shí),機(jī)上主探管插入夾緊機(jī)構(gòu),把直升機(jī)系留在甲板上。為防止飛機(jī)在運(yùn)動(dòng)的甲板上側(cè)向滾動(dòng),飛行員放出尾探管,卡在甲板的格柵中,把機(jī)尾固定。魚叉格柵式著艦裝置:適用于艦艇橫搖±8°、縱搖±2°的情況,由設(shè)在直升機(jī)底部的魚叉鎖緊機(jī)構(gòu)和艦艇飛行甲板上的一個(gè)直徑約2.5m的格柵構(gòu)成,直升機(jī)通過(guò)魚叉裝置著艦并快速系留。直升機(jī)在著艦前放下魚叉鎖緊機(jī)構(gòu),著艦時(shí)魚叉鎖緊機(jī)構(gòu)插入艦上格柵內(nèi),鎖銷立即鎖定,把直升機(jī)系留在甲板上。由于魚叉格柵式具有重量輕、體積小、安裝方便和易于維護(hù)等特點(diǎn),目前小型直升機(jī)在艦船上的著艦裝置普遍采用魚叉格柵式。本文主要針對(duì)直升機(jī)魚叉液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究。
隨著仿真理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,仿真技術(shù)已在工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與科學(xué)研究中得到了廣泛的運(yùn)用,它使新產(chǎn)品在最短時(shí)間內(nèi)以最低成本投入市場(chǎng),縮短了研究周期,降低了科研成本與風(fēng)險(xiǎn),提高了科學(xué)研究水平,加速了科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的進(jìn)程。若是能將仿真技術(shù)運(yùn)用在直升機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,確定設(shè)計(jì)參數(shù)最佳匹配,并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),將會(huì)提升設(shè)計(jì)水平,縮短研制周期。目前具有代表性的液壓系統(tǒng)仿真平臺(tái)軟件有:英國(guó)的Bathfp、瑞典的Hopsan、德國(guó)的DSH+、美國(guó)波音的Easy5和法國(guó)的AMESim,其中法國(guó)Imagine公司在總結(jié)之前實(shí)施于航空航天工業(yè)和傳統(tǒng)液壓行業(yè)領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)建模和設(shè)計(jì)仿真的寶貴經(jīng)驗(yàn)后,所提出的液壓系統(tǒng)仿真平臺(tái)AMESim,已成為流體、機(jī)械、熱分析、電磁及控制等復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真的優(yōu)選平臺(tái)。與其它仿真軟件相比,AMESim有更好的仿真環(huán)境和二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)[1,2]。
本文首先介紹了直升機(jī)魚叉液壓系統(tǒng)的組成和工作原理,然后基于原理圖利用AMESim平臺(tái)建立了某型機(jī)魚叉液壓系統(tǒng)模型[3,4],并運(yùn)用該模型對(duì)魚叉液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。
魚叉液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示,包括:1個(gè)單向閥、3個(gè)電磁閥(2個(gè)二位三通電磁閥、1個(gè)二位二通電磁閥)、2個(gè)快卸自封接頭、1個(gè)減壓閥、1個(gè)魚叉蓄壓器和一個(gè)魚叉裝置。其中,電磁閥1:收放電磁閥,控制魚叉收放;電磁閥2:卸載電磁閥,用作魚叉液壓旁通和卸荷;電磁閥3:開(kāi)鎖電磁閥,用于魚叉裝置鎖鉤開(kāi)鎖;魚叉裝置:魚叉液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),主要由魚叉收放作動(dòng)筒、掛鉤和鎖鉤作動(dòng)筒組成,魚叉收放作動(dòng)筒根據(jù)使用要求采用直線式往復(fù)運(yùn)動(dòng)作動(dòng)筒,通過(guò)進(jìn)入作動(dòng)筒上下腔的壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn)作動(dòng)筒的收放,鎖鉤作動(dòng)筒是魚叉裝置鎖閉機(jī)械,采用單向作用式作動(dòng)筒,即插銷靠彈簧力,拔銷靠液壓力作用。
直升機(jī)著艦后,駕駛員按壓總距桿上的魚叉收放按鈕,魚叉裝置由輔助系統(tǒng)供壓,輔助系統(tǒng)壓力油進(jìn)入魚叉裝置下腔,隨著收放電磁閥和卸載電磁閥同時(shí)工作,壓力油進(jìn)入魚叉裝置上腔,并使魚叉收放作動(dòng)筒上下腔壓強(qiáng)相等,由于作動(dòng)筒上下腔面積差的原因,魚叉上下腔形成壓力差,魚叉迅速放下,整個(gè)放下時(shí)間控制在0.6~1.5s范圍內(nèi),魚叉頭部導(dǎo)向件自動(dòng)滑入格柵孔內(nèi),掛鉤的凸出部分撞擊格柵肋,使得鎖鉤克服對(duì)中彈簧的彈簧力繞軸向點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)鎖鉤作動(dòng)筒的插銷插入兩個(gè)掛鉤之間,將掛鉤鎖??;正常收魚叉時(shí),卸載電磁閥工作,使魚叉壓力瞬間降低,以減低開(kāi)鎖摩擦力,0.15s后開(kāi)鎖電磁閥工作,使得輔助系統(tǒng)壓力油經(jīng)開(kāi)鎖電磁閥到鎖鉤作動(dòng)筒下腔,鎖鉤作動(dòng)筒在下腔壓力油作用下,將鎖銷拔出,此時(shí)鎖鉤在對(duì)中彈簧力作用下開(kāi)鎖,開(kāi)鎖時(shí)間不大于0.5s。在收放作動(dòng)筒上腔和開(kāi)鎖作動(dòng)筒上腔間安裝有單向閥,目的是為了將開(kāi)鎖作動(dòng)筒上腔壓力卸掉。開(kāi)鎖后,切斷卸載電磁閥,收放作動(dòng)筒在上下腔壓力差作用下迅速收起魚叉,整個(gè)收上時(shí)間控制在1.5~2.5s范圍內(nèi)。
圖1 魚叉系統(tǒng)原理圖
針對(duì)魚叉系統(tǒng)原理圖建立如圖2所示的魚叉系統(tǒng)仿真模型。通過(guò)AMESim的信號(hào)控制庫(kù)、液壓庫(kù)、液壓元件庫(kù)和機(jī)械庫(kù)建立魚叉液壓系統(tǒng)模型,通過(guò)平面機(jī)械庫(kù)建立魚叉裝置的模型[5]。
AMESim液壓元件設(shè)計(jì)模塊中包含多種液壓元件[5],可以方便地依據(jù)實(shí)際情況建立所需的液壓系統(tǒng)模型。依據(jù)魚叉液壓系統(tǒng)實(shí)際工作要求,對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
1)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min,系統(tǒng)中電動(dòng)泵的排量q=3cc/r,則系統(tǒng)工作流量為3L/min。
2)減壓閥原理圖如圖3所示。
圖2 魚叉系統(tǒng)仿真模型
圖3 減壓閥原理圖
Fjet=2·Cq·π·Ds·xv·|Pin-Pout|·cos(αjet)
(2)
由上述(1)、(2)兩式可得:
xv=
(3)
其中,Kequiv為彈簧剛度,xv為閥芯位移,F(xiàn)jet為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力,A為作用面積,Pcrack為開(kāi)啟壓力,Ds為閥芯等效直徑,αjet為閥口流體射流角度,在閥小開(kāi)口情況下,對(duì)于具有尖孔而且不考慮閥芯和閥套之間的間隙,θ一般取69°。要使減壓閥定值輸出11MPa,減壓閥參數(shù)設(shè)置:開(kāi)啟壓力為11MPa,彈簧剛度為50N/mm,閥芯等效直徑為8mm,閥芯最大位移為2mm。
3)鎖鉤作動(dòng)筒內(nèi)選用的彈簧為HB3-53-3×16×50Ⅱ,查航標(biāo)可得G=78GPa,鋼絲直徑d=3mm,有效圈數(shù)n=9.5,彈簧中徑D=16-3=13mm,彈性系數(shù):
系統(tǒng)模型主要參數(shù)如表1所示。
表1 系統(tǒng)主要參數(shù)
根據(jù)魚叉液壓系統(tǒng)工作原理,對(duì)仿真模型中的電磁閥1輸入設(shè)置如下[5,6]:0~1.25s范圍內(nèi),輸入信號(hào)為40(電磁閥輸入范圍0~40,0對(duì)應(yīng)斷開(kāi),40對(duì)應(yīng)接通);1.25~16s范圍內(nèi),輸入信號(hào)為0。
電磁閥2設(shè)置如下:0~1.25s范圍內(nèi),輸入信號(hào)為40(電磁閥輸入范圍0-40,0對(duì)應(yīng)斷開(kāi),40對(duì)應(yīng)接通);1.25~11.25s范圍內(nèi),輸入信號(hào)為0;11.25~11.75s范圍內(nèi),輸入信號(hào)為40;11.75~11.85s范圍內(nèi),輸入信號(hào)由40線性減至0; 11.85~16s范圍內(nèi),輸入信號(hào)為0。
電磁閥3設(shè)置如下:0~11.4s范圍內(nèi),輸入信號(hào)為0;11.4~11.75s范圍內(nèi),輸入信號(hào)為40;11.75~11.85s范圍內(nèi),輸入信號(hào)由40線性減至0;11.85~16s范圍內(nèi),輸入信號(hào)為0。
仿真時(shí)間為16s,仿真步長(zhǎng)為0.01s。
1)通過(guò)仿真計(jì)算后得出魚叉收放作動(dòng)筒上下腔壓力、鎖鉤作動(dòng)筒上下腔壓力仿真結(jié)果,如圖4和圖5所示。
圖4 收放作動(dòng)筒上下腔壓力
圖5 鎖鉤作動(dòng)筒上下腔壓力
圖4中,在0~1s范圍內(nèi),輔助系統(tǒng)壓力油進(jìn)入魚叉裝置下腔,隨著收放電磁閥和卸載電磁閥同時(shí)工作,壓力油進(jìn)入魚叉裝置上腔,并使魚叉收放作動(dòng)筒上下腔壓強(qiáng)趨于相等,魚叉在壓力差作用下迅速放下; 4.25~7s范圍內(nèi),輔助系統(tǒng)停止供壓,蓄壓器向作動(dòng)筒下腔供壓,作動(dòng)筒上腔回油,魚叉將直升機(jī)拉在格柵上;11.25~11.75s范圍內(nèi),隨著電磁閥2接通,作動(dòng)筒下腔壓力迅速降低,降低開(kāi)鎖摩擦力;11.85~13s范圍內(nèi),隨著電磁閥2斷開(kāi),輔助系統(tǒng)壓力油進(jìn)入魚叉裝置下腔,魚叉裝置在全壓下快速收起。
圖5中,11.4~11.75s范圍內(nèi),隨著電磁閥3接通,鎖鉤作動(dòng)筒下腔壓力迅速升高,鎖鉤作動(dòng)筒在下腔壓力油作用下,將鎖銷拔出。
2)收放作動(dòng)筒活塞位移如圖6所示。放下時(shí)間為1s,收上時(shí)間為1.61s。
3)運(yùn)用AMESim的批處理功能設(shè)置活塞桿半徑為30mm、38mm、42mm時(shí),活塞位移與時(shí)間的變化曲線,如圖7所示。結(jié)果表明,活塞桿直徑越小,放下時(shí)間越短。
圖6 收放作動(dòng)筒活塞位移
圖7 活塞桿直徑對(duì)活塞收放時(shí)間的影響
4)工作溫度主要是影響油液性能,進(jìn)而對(duì)液壓系統(tǒng)的工作產(chǎn)生影響。本節(jié)通過(guò)改變油液溫度這一參數(shù)來(lái)分析工作溫度因素對(duì)液壓系統(tǒng)性能的影響,我們的液壓系統(tǒng)一般使用國(guó)外的MIL-H-83282液壓油或國(guó)產(chǎn)15號(hào)航空液壓油作為工作油液,但在AMESim軟件中沒(méi)有15號(hào)航空液壓油的屬性,考慮到MIL-H-5606液壓油與15號(hào)航空液壓油性能相近,因此本文中利用MIL-H-5606液壓油與MIL-H-83282液壓油進(jìn)行油液因素的影響分析。圖8所示為在-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃工作溫度下收放作動(dòng)筒活塞位移,圖9所示為采用MIL-H-83282和MIL-H-5606液壓油時(shí)收放作動(dòng)筒活塞位移。從0℃~60℃溫度范圍內(nèi)收放作動(dòng)筒活塞收放時(shí)間可以看出,在這一溫度范圍內(nèi),因油液性能變化很小,所以在該溫度范圍內(nèi),活塞收放時(shí)間隨工作溫度基本無(wú)變化;在-20℃~0℃溫度范圍內(nèi),因油液性能有較小變化,活塞收放時(shí)間隨工作溫度有較小變化。從圖9可以看出,20℃下采用MIL-H-83282和MIL-H-5606兩種液壓油時(shí)收放作動(dòng)筒活塞收放時(shí)間基本一致。
5)圖10所示為減壓閥流阻為 3、6、9、12bar時(shí)的收放作動(dòng)筒活塞位移,圖11所示為電磁閥2流阻為3、6、9、12bar時(shí)收放作動(dòng)筒活塞位移。仿真結(jié)果表明,減壓閥流阻在3~12bar范圍內(nèi),流阻對(duì)收放作動(dòng)筒活塞收放時(shí)間影響不大。電磁閥2流阻在3~12bar范圍內(nèi),收放作動(dòng)筒活塞放下時(shí)間隨著流阻的增大而加長(zhǎng);收放作動(dòng)筒活塞收上時(shí)間隨著流阻的增大而變短。因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),流阻的選取對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞有著重要的影響[4]。
圖8 不同工作溫度下收放作動(dòng)筒活塞位移
圖9 20℃下不同工作液時(shí)收放作動(dòng)筒活塞位移
圖10 不同的減壓閥流阻下收放作動(dòng)筒活塞位移
圖11 不同的電磁閥2流阻下收放作動(dòng)筒活塞位移
6)蓄壓器壓力值變化如圖12所示,蓄壓器氣體體積變化如圖13所示。為了保證收放魚叉后給魚叉蓄壓器充足壓力,輔助液壓系統(tǒng)會(huì)在電磁閥斷開(kāi)后繼續(xù)工作3s,3s后切斷供電。通過(guò)仿真計(jì)算,魚叉蓄壓器會(huì)分別在電磁閥斷開(kāi)后0.75s和2.21s達(dá)到14bar;在140bar工作壓力下的蓄壓器的氣體體積為0.7402557L。
圖12 蓄壓器壓力值變化
圖13 蓄壓器氣體體積變化
7)魚叉裝置鎖閉與打開(kāi)狀態(tài)如圖14所示,本文運(yùn)用AMESim的平面機(jī)械庫(kù)建立魚叉鎖鉤的模型,通過(guò)鎖鉤作動(dòng)筒活塞作用于兩個(gè)拉桿件來(lái)控制魚叉裝置的開(kāi)與合。經(jīng)過(guò)AMESim動(dòng)畫驗(yàn)證,該模型能夠正??刂启~叉裝置的開(kāi)與合。
圖14 魚叉裝置鎖閉與打開(kāi)狀態(tài)
1)魚叉試驗(yàn)臺(tái)記錄的魚叉作動(dòng)筒放下時(shí)間分別為1.0919s-1.2409s,魚叉作動(dòng)筒收上時(shí)間為1.65s-1.81s;
2)蓄壓器的結(jié)構(gòu)容積為V0,充入氣體的壓力為P0,蓄壓器的工作壓力范圍為P1-P2(110-140bar),根據(jù)氣體狀態(tài)方程有:
(5)
其中n為氣體多變過(guò)程指數(shù)。
在絕熱情況下,n=1.4,
(6)
(7)
Q=Q1+Q2
(8)
(9)
(10)
通過(guò)對(duì)魚叉液壓系統(tǒng)收放工況下的仿真分析得知,該魚叉液壓系統(tǒng)仿真模型滿足魚叉液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)要求和動(dòng)態(tài)特性,可用于魚叉液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的分析預(yù)測(cè),得出結(jié)論如下:
1)魚叉收放作動(dòng)筒上下腔壓力、鎖鉤作動(dòng)筒上下腔壓力仿真結(jié)果滿足系統(tǒng)實(shí)際工作要求,魚叉作動(dòng)筒放下和收上時(shí)間與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致;
2)針對(duì)收放作動(dòng)筒收放時(shí)間的主要影響因素,運(yùn)用AMESim的批處理功能研究活塞桿直徑對(duì)收放時(shí)間的影響規(guī)律,結(jié)果表明,在經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)系數(shù)范圍內(nèi)選取活塞桿直徑,活塞桿直徑越小,放下時(shí)間越短;
3)通過(guò)對(duì)魚叉液壓系統(tǒng)工作原理進(jìn)行研究,了解魚叉液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和魚叉電控系統(tǒng)原理,建立魚叉液壓系統(tǒng)的仿真模型,研究工作溫度、工作液和流阻對(duì)系統(tǒng)收放時(shí)間的影響,為系統(tǒng)分析提供理論依據(jù);
4)經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證,蓄壓器能夠在電磁閥停止工作、輔助系統(tǒng)延遲工作3s內(nèi),分別保證放下和收上魚叉后給魚叉蓄壓器充足壓力;
5)經(jīng)過(guò)AMESim動(dòng)畫驗(yàn)證,該模型能夠正??刂启~叉裝置的開(kāi)與合。
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