(北京精密機電控制設備研究所， 北京 100076)

引言

飛行器在著落滑跑過程中，前輪發(fā)生擺震是比較常見的現(xiàn)象，擺震現(xiàn)象會對起落架系統(tǒng)以及飛行器結構造成巨大影響，甚至會造成飛行器著陸的失敗，因此，防止飛行器前輪擺震是起落架系統(tǒng)設計過程中的重要環(huán)節(jié)。目前為止，防止前輪擺震最有效的辦法是裝置液壓減擺器[1]。由于減擺器的減擺效果受到系統(tǒng)剛度、油液剛度、輪胎剛度、著陸工況、連接間隙等諸多因素的影響，其減擺效果一般只能通過系統(tǒng)擺震試驗來確認，在設計之初，很難通過理論計算來確定結構參數(shù)。因此，有必要通過仿真來確定減擺器工作特性的規(guī)律，進而指導減擺器的設計工作[2]。

1 液壓減擺器原理

活塞式減擺器是最常用的一種液壓減擺器。飛行器著陸過程中，前輪受干擾激勵發(fā)生偏轉，偏轉通過起落架扭力臂以及轉動套筒結構傳遞到減擺器搖臂上，搖臂和撥桿帶動活塞往復移動。在此過程中，油液流經(jīng)活塞上的阻尼孔，擺動的能量會以熱能的形式被散失掉，從而達到減擺的效果。

典型活塞式液壓減擺器工作原理及結構如圖1所示[3]。

1.殼體 2.阻尼孔 3.擺桿 4.活塞 圖1 減擺器工作原理圖

活塞式液壓減擺器通常由殼體、活塞、擺桿等部分組成，部分產(chǎn)品還具有油液補償裝置，用以吸收或補償由于溫度變化引起的油液體積變化。阻尼孔位于活塞上，當減擺器收到擺動激勵時，油液通過阻尼孔在左右兩油腔間流動，由阻尼孔造成的局部壓力損失以及沿程壓力損失共同作用產(chǎn)生阻尼力矩。在阻尼力矩的作用下，活塞在殼體內部做幅值衰減的往復運動，運動過程中將擺動激勵的機械能轉化為熱能消耗掉[4]。

2 油液流量方程

建立減擺器產(chǎn)品內部工作介質流量方程。設減擺器容腔總體積V=Vo+Vg，Vo和Vg分別為油液和氣體體積。運動過程可視為絕熱過程，則容腔體積V可表示為[5]：

(1)

其中，Vo0和Vg0分別為液體和氣體的初始體積。p0為容腔初試壓力，p為容腔壓力，βe為液體彈性模量，n為氣體常數(shù)。

將V對p進行微分可得到：

(2)

(3)

忽略活塞與殼體間隙的內泄漏，則高壓腔Qh和低壓腔的流量Ql分別為：

(4)

(5)

其中，Vh和Vl分別為高壓腔和低壓腔的容積，ph和pl分別為高壓腔和低壓腔的壓力，K1和K2分別為高壓腔和低壓腔對應的常數(shù)K。

高壓腔體積Vh和低壓腔體積Vl可以寫成：

(6)

其中，V0為兩腔初始容積，A為活塞截面積，x為活塞位移。

所以可以得到：

(7)

由于Qh=-Ql，負載壓力pL=ph-pl，所以負載流量QL有：

(8)

可見液力連續(xù)性流量方程[6]：

(9)

是在Vg0=0和e-(p-p0)/βe≈1時的一種特殊形式[7]。

3 仿真分析及試驗驗證

3.1 仿真模型

在AMESim環(huán)境下，建立活塞式減擺器仿真模型[8]。減擺器實際產(chǎn)品的測試方法通常有振動加載法和恒定加載法兩種。仿真過程中，通過模擬振動加載法來確定產(chǎn)品的阻尼特性，減擺器的輸入信號為x=Asinwt，即減擺器活塞的正弦形式輸入。所搭建的減擺器模型充分考慮產(chǎn)品的實際結構，中間腔為油液補償裝置，模型如圖2所示。

圖2 活塞式減擺器特性仿真模型

3.2 油液彈性模量對阻尼特性的影響

理論計算中，液體被視作彈性模量很大的剛體，實際上，油液彈性模量遠小于理論值，油液充填過程中，也很難做到完全排干凈氣體，油液彈性模量會進一步下降。而油液中混有氣體的綜合外在表現(xiàn)就是工作介質的彈性模量較小，即工作介質偏“軟”。所以，分析油液彈性模量對于產(chǎn)品阻尼特性的影響對于指導產(chǎn)品設計、保證產(chǎn)品一致性具有重要意義。分別設置油液彈性模量為1700， 1000， 700， 200 MPa在2 Hz頻率以及8°幅值參數(shù)條件下進行仿真，仿真結果如圖3所示。

圖3 不同油液彈性模量阻尼力矩變化情況

當設置液體彈性模量為200 MPa時，分別在頻率為1， 2， 3， 4 Hz條件下進行仿真，擺動幅值為8°，得到某一速度范圍內的力矩T-角速度ω曲線如圖4所示。

圖4 不同頻率下力矩-角速度曲線

3.3 試驗驗證與分析

通過理論計算，減擺器阻尼力矩T與角速度ω近似為二次函數(shù)函數(shù)關系?？梢钥闯觯硐霔l件下，相同角速度所對應的阻尼力矩應該一致。通過實測結果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品阻尼力矩隨角速度的增加而近似呈二次函數(shù)關系增大的趨勢是正確的，但卻存在相同角速度下，頻率越高阻尼力矩越小的情況。

與仿真結果相對比可以看出，液壓油本身彈性模量達不到理想值1700 MPa時，油液的壓縮性不可被忽略，在固定作頻率條件下，阻尼孔通過的流量相比于輸入的正弦信號，存在流量的滯后和衰減。流量滯后的表現(xiàn)就是產(chǎn)品最大力矩并不是出現(xiàn)在角速度最大點，流量衰減在產(chǎn)品特性上就表現(xiàn)為流量小于理論流量，也就造成阻尼力矩小于理論值的情況，理論上頻率越高，誤差越大。

利用同樣結構參數(shù)減擺器實物產(chǎn)品利用振動加載法在各頻率下特性測試測，測試裝置如圖5所示。該型號產(chǎn)品補償腔活塞直徑為40 mm，完成油液充填，在2 kN壓力擠壓補償活塞，補償腔活塞壓縮2 mm，折算油液彈性模量約為195 MPa，在已有試驗條件下，比較容易實現(xiàn)該充填狀態(tài)并且可以保證較好的一致性，因此選擇在該充填狀態(tài)下進行試驗驗證。試驗過程中，采集作動器位移信號，用以計算出減擺器撥桿擺動角速度；采集減擺器左右兩腔壓力信號，用以計算產(chǎn)生的阻尼力矩。

在相同輸入條件下，試驗結果如圖6所示，與200 MPa下仿真結果基本吻合。

圖6 實測力矩-角速度曲線

4 結論

油液彈性模量對產(chǎn)品阻尼特性有較大影響。在進行產(chǎn)品設計的過程中，要充分考慮這一因素[9-11]，設置恰當?shù)淖枘峥壮叽绲耐瑫r，要設計恰當?shù)某涮罱Y構和工藝方法，保證充填過程中，盡可能地排凈產(chǎn)品內部氣體，提高油液的彈性模量[12]。而油液充填效果可以通過設計專用工裝來檢測充填后液體的彈性模量，進而保障產(chǎn)品的一致性。進行減擺器產(chǎn)品特性仿真的目的在于更好地指導產(chǎn)品設計，減擺器產(chǎn)品結構復雜，各種因素相互影響，而起落架系統(tǒng)還參雜各種非線性的不確定因素，所以如何準確控制產(chǎn)品阻尼特性，如何確定減擺器產(chǎn)品性能對于擺震試驗試驗結果的影響，仍有待進一步研究分析。