代定強(qiáng)，蔡 景，黃 艷

（南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京211106）

現(xiàn)代民航客機(jī)通常都安裝沖壓空氣渦輪（Ram air turbine, RAT）裝置，以保證飛機(jī)在完全喪失動(dòng)力的情況下仍有可使用的能源來實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)的控制[1]。在飛機(jī)完全喪失動(dòng)力的情況下，可以放出的RAT 裝置，利用飛機(jī)滑翔狀態(tài)時(shí)高速對流氣流的沖擊作用，使葉片旋轉(zhuǎn)以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)和液壓泵工作，為部分關(guān)鍵的系統(tǒng)提供動(dòng)力，滿足飛機(jī)飛行操控的需要[2]。作動(dòng)筒作為實(shí)現(xiàn)RAT 展開任務(wù)的核心部件，其性能水平對實(shí)現(xiàn)RAT 的功能、保障飛行安全有很大的影響。因此，對RAT 系統(tǒng)作動(dòng)筒的故障研究具有重要意義。然而RAT 作動(dòng)筒長期處于不工作的儲(chǔ)存狀態(tài)，只有在地面收放檢查中才能暴露出故障，因此故障檢測數(shù)據(jù)極少，無法使用常見的故障原因分析方法（如故障樹方法）進(jìn)行故障原因的分析；RAT 作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)和承受載荷情況復(fù)雜，故障原因隱蔽。用戶進(jìn)行的常規(guī)地面收放檢查只能判斷作動(dòng)筒的收放過程是否已經(jīng)發(fā)生故障而無法定位故障源[3]。目前亟需一種能夠定位RAT 作動(dòng)筒故障原因的方法，從故障源的角度對作動(dòng)筒的性能狀態(tài)進(jìn)行定量描述。

Modelica 語言通常被用于對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真[4]，在多領(lǐng)域復(fù)合建模領(lǐng)域具有較明顯的優(yōu)勢[5]，能夠?qū)崿F(xiàn)對航空航天、汽車、工業(yè)設(shè)備等各類大型物理系統(tǒng)的建模[6]?？紤]到RAT 系統(tǒng)由作動(dòng)筒、發(fā)電機(jī)及各類控制器組成，為了使作動(dòng)筒模型具備深入拓展以實(shí)現(xiàn)對RAT 整體進(jìn)行研究的能力，選擇能夠支持多領(lǐng)域統(tǒng)一建模的Modelica語言對RAT 作動(dòng)筒進(jìn)行建模，通過仿真的方法研究作動(dòng)筒中與載荷施加以及解鎖過程相關(guān)的組件對作動(dòng)筒整體性能的影響，尋找導(dǎo)致RAT 作動(dòng)筒各類故障的故障源，并且根據(jù)其相互關(guān)系提出用戶常規(guī)檢查可行的對RAT 作動(dòng)筒進(jìn)行性能檢測的方法。

1 RAT 作動(dòng)筒工作原理及故障分析

1.1 工作原理

圖1 RAT 作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)Fig.1 RAT actuator structure

針對民航飛機(jī)常用的槳葉式RAT[7]，可以按照執(zhí)行的不同功能將其收放作動(dòng)筒拆分為2 個(gè)機(jī)構(gòu)：解鎖機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖1 所示。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由展開彈簧、活塞和載荷連接桿組成，能夠在彈簧力的帶動(dòng)下完成將活塞展開一定的位移的動(dòng)作，使RAT 裝置的迎風(fēng)部分被推出機(jī)艙外。其中彈簧力由2 部分組成，分別來自2 個(gè)勁度系數(shù)不同的彈簧。作動(dòng)筒內(nèi)含航空液壓藍(lán)油，液壓油通過位于缸體上展開方向末端的阻尼孔進(jìn)入泄流通路，此過程會(huì)形成較大的背壓阻尼。當(dāng)作動(dòng)筒行程接近終點(diǎn)時(shí)，線性分布的阻尼孔會(huì)被活塞逐漸堵塞，使回油阻力逐步增大，幫助執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)末端減速，避免發(fā)生剛性碰撞。

解鎖機(jī)構(gòu)包括收起狀態(tài)的上位鎖和伸出狀態(tài)的下位鎖，主要有鎖定彈簧、傳動(dòng)桿系和電磁拉桿等組成部件。利用平動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)與鎖定彈簧配合使用實(shí)現(xiàn)作動(dòng)筒的鎖定，電磁拉桿則提供解鎖所需的拉力。

1.2 故障類型

針對RAT 作動(dòng)筒的展開行程故障進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)RAT 作動(dòng)筒通常存在2 種故障類型：

（1）作動(dòng)筒不能解鎖，主要是鎖定機(jī)構(gòu)發(fā)生故障，導(dǎo)致解鎖過程不能順利實(shí)現(xiàn)；

（2）作動(dòng)筒展開時(shí)間不在設(shè)計(jì)要求的區(qū)間（1～1.5 s）范圍內(nèi)，可能存在展開時(shí)間過長或者過短的情況，故障源應(yīng)該位于執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部，與相關(guān)載荷和力的施加有關(guān)[8]。

因此，在仿真中將解鎖失敗和展開時(shí)間不在（1～1.5 s）范圍的情況判定為故障狀態(tài)。

2 作動(dòng)筒Modelica 建模與驗(yàn)證

2.1 組件與載荷模型建立

作動(dòng)筒的部分結(jié)構(gòu)組件和運(yùn)動(dòng)副約束可以使用Modelica 標(biāo)準(zhǔn)庫來建立模型，如彈簧、連桿、機(jī)架、鉸鏈、滑動(dòng)副等[9]。

作動(dòng)筒作為一個(gè)動(dòng)力學(xué)部件，保證模型準(zhǔn)確的關(guān)鍵在于各組件的受力的準(zhǔn)確性。在作動(dòng)筒展開過程中，涉及3 個(gè)力的作用：展開彈簧的彈力、風(fēng)載荷、液壓阻尼。其中彈簧力可以根據(jù)本作動(dòng)筒的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，通過判斷語句和邏輯選擇模塊控制每個(gè)彈簧的工作范圍；風(fēng)載荷來源于作用在渦輪上的氣流，表現(xiàn)為對展開過程的拉力，其值與作動(dòng)筒的展開位移呈函數(shù)關(guān)系。RAT 在2 種不同展開姿態(tài)下承受的風(fēng)載荷不同（即工況1、工況2），將實(shí)驗(yàn)實(shí)測的風(fēng)載荷數(shù)據(jù)擬合為如下多項(xiàng)式函數(shù)，賦予相應(yīng)的力組件。

工況1

工況2

液壓阻尼來源于作動(dòng)筒展開過程的回油阻力，其值與作動(dòng)筒阻尼孔的結(jié)構(gòu)和展開速度有關(guān)，表現(xiàn)為展開過程的阻力。將阻尼孔簡化為薄壁小孔，并認(rèn)為各個(gè)阻尼孔同一時(shí)刻流量相同。聯(lián)立薄壁小孔流量公式與活塞的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可以求解阻尼力

式中：q 為每個(gè)阻尼孔的流量；Cd為阻尼系數(shù)；A 為阻尼孔面積；ρ 為液壓油密度；Δp 為缸內(nèi)兩端壓差；Q 為作動(dòng)筒高壓腔總流量；V 為活塞速度；Ap為活塞面積；a 為活塞加速度；Fw、Fs為風(fēng)載荷和彈簧載荷。

可以看出，在設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)下，影響阻尼力的參數(shù)包括阻尼孔的尺寸和液壓油密度。根據(jù)作動(dòng)筒設(shè)計(jì)選取阻尼孔半徑為1 mm，液壓油密度為860 kg/m3。

2.2 整體模型建立

在作動(dòng)筒整體的建模中，由于3 個(gè)作用力均直接作用于活塞體且力的方向在同一直線上，為了簡化建模，將活塞視為剛體并以一個(gè)質(zhì)點(diǎn)代替?？紤]到缸體的復(fù)雜形狀在作動(dòng)筒解鎖和展開的過程中并沒有明顯作用，因此將其簡化，僅以固支點(diǎn)的形式保留彈簧安裝點(diǎn)、傳動(dòng)桿系安裝點(diǎn)、鎖定控制面等幾個(gè)參與運(yùn)動(dòng)過程的局部點(diǎn)和面。

可以使用標(biāo)準(zhǔn)庫組件Body 類模型搭建作動(dòng)筒的主體物理結(jié)構(gòu)（如質(zhì)點(diǎn)、桿等），然后為主體結(jié)構(gòu)添加自定義的力載荷組件，并根據(jù)工作原理添加邏輯判斷來決定載荷的作用時(shí)間和位置。使用自定義連接器在解鎖結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行解鎖信號(hào)的傳遞。執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型如圖2 所示，解鎖機(jī)構(gòu)模型如圖3 所示。

為了保證模型建立的準(zhǔn)確性，根據(jù)研究對象的原有設(shè)計(jì)，取6 個(gè)阻尼孔并按照3 層排列，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)筒150 mm 設(shè)計(jì)行程的末段逐級(jí)減速；展開彈簧的初始彈力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的346 500 N；在解鎖機(jī)構(gòu)，設(shè)置關(guān)鍵的電磁拉桿拉力和行程分別為固定值150 N 和1.2 mm，若在該拉力或該行程內(nèi)無法完成解鎖則判定為故障。模型的主要參數(shù)如表1所示。

圖2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型Fig.2 Actuator model

圖3 解鎖機(jī)構(gòu)模型Fig.3 Unlocking mechanism model

表1 模型主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the model

2.3 模型驗(yàn)證

為了使用基于Modelica 的系統(tǒng)仿真模型，需要驗(yàn)證Modelica 模型的正確性，將仿真結(jié)果與某研究所的實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其展開位移?時(shí)間曲線如圖4 所示，其展開時(shí)間如表2 所示。

從結(jié)果對比能夠看出，工況1 的仿真結(jié)果與實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果的展開時(shí)間誤差為5.3%，工況2 的誤差為6.3%。兩類工況下的展開時(shí)間均是仿真結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果長，應(yīng)當(dāng)是仿真中展開拉力比實(shí)際值略低或阻尼略高造成的?？紤]到彈簧的結(jié)構(gòu)簡單，建模準(zhǔn)確度較高，誤差的主要來源應(yīng)當(dāng)是風(fēng)載荷離散數(shù)據(jù)與實(shí)際風(fēng)載的誤差以及計(jì)算液壓阻尼力時(shí)的簡化造成的，但是誤差較小，可以證明對RAT 作動(dòng)筒進(jìn)行Modelica 建模仿真的可行性和本模型的準(zhǔn)確性。

圖4 仿真和實(shí)測的展開位移?時(shí)間曲線Fig.4 Simulation and measured displacement?time curves

表2 仿真結(jié)果展開時(shí)間的正確性驗(yàn)證Table 2 Simulation time verification s

3 故障原因仿真分析

通過修改缸體、彈簧、傳動(dòng)桿系等主要施力、傳力部件的結(jié)構(gòu)和力學(xué)參數(shù)并運(yùn)行仿真的方式，研究在載荷的不同施加條件下作動(dòng)筒展開時(shí)間的變化，可以發(fā)現(xiàn)：對于作動(dòng)筒展開時(shí)間異常的故障情況，主要是由于彈簧退化、液壓油泄漏、阻尼孔堵塞等與載荷相關(guān)的原因造成的；對于鎖定機(jī)構(gòu)無法完成解鎖動(dòng)作的故障，主要是由于關(guān)鍵的鎖定控制面的磨損造成的。

3.1 彈簧退化

仿真發(fā)現(xiàn)，作動(dòng)筒展開彈簧的初始彈力對展開時(shí)間的影響明顯，其結(jié)果如圖5 所示。作動(dòng)筒展開時(shí)間隨著彈簧初始推力下降而增加，工況1 下當(dāng)彈簧的初始總推力低于242 550 N 時(shí)，作動(dòng)筒將不能滿足展開時(shí)間低于1.5 s 的設(shè)計(jì)值要求，此時(shí)即可被判定發(fā)生了作動(dòng)筒展開過慢故障；而工況2 相對安全。這是由于作動(dòng)筒通常情況下藏匿于機(jī)艙內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧長期處于被壓縮狀態(tài)，在飛機(jī)的長期服役時(shí)間區(qū)間內(nèi)，可能發(fā)生彈簧蠕變退化，其勁度系數(shù)明顯降低[10]。當(dāng)需要執(zhí)行展開動(dòng)作的時(shí)候，彈簧能提供的展開力將大大降低，對作動(dòng)筒的展開時(shí)間產(chǎn)生顯著影響。因此，檢修人員需要對RAT作動(dòng)筒的彈簧進(jìn)行定期檢查，保證其彈力保持在臨界條件以內(nèi)。

圖5 彈簧初始總推力降低對作動(dòng)筒展開時(shí)間的影響Fig.5 Effect of the reduction of the initial thrust of the spring on the expension time of the actuator

3.2 泄漏流量過大

通過仿真可知，液壓油的泄露對展開時(shí)間影響明顯，針對這種情況，其仿真結(jié)果如圖6 所示。隨著泄漏流量的增加，作動(dòng)筒展開時(shí)間顯著降低。當(dāng)工況2 下泄漏流量超過4.2 L/min 時(shí)，作動(dòng)筒展開時(shí)間將低于設(shè)計(jì)的閾值1 s，此時(shí)出現(xiàn)作動(dòng)筒展開速度過快故障；工況1 相對安全。這是由于密封圈在儲(chǔ)存和使用過程中可能發(fā)生老化或失效的情況，導(dǎo)致作動(dòng)筒內(nèi)部壓力油從高壓腔向低壓腔的泄漏[11]，泄漏流量的存在會(huì)顯著地影響阻尼孔的阻尼效果，造成液壓阻尼力過小，作動(dòng)筒展開速度過快，展開時(shí)間明顯降低。在RAT 的地面收放檢查中，應(yīng)著重檢測泄漏流量大小，及時(shí)更換密封圈。

圖6 密封圈泄漏流量對作動(dòng)筒展開時(shí)間的影響Fig.6 Effect of the leakage of the sealing ring on the expansion time of the actuator

3.3 阻尼孔堵塞

正常狀態(tài)下，液壓腔末段表面共有6 個(gè)半徑為1 mm 的阻尼孔，長期使用后可能發(fā)生雜質(zhì)堵塞導(dǎo)致阻尼孔有效截面積變小，影響泄流效率，增大液壓阻尼，使作動(dòng)筒展開時(shí)間明顯變長。不同阻尼孔半徑情況下的作動(dòng)筒展開的仿真結(jié)果曲線如圖7所示。隨著阻尼孔有效半徑減小，作動(dòng)筒展開時(shí)間逐漸增加；當(dāng)工況1 下半徑小于0.96 mm 時(shí)，伸出時(shí)間達(dá)到1.5 s 的臨界值，如果堵塞繼續(xù)增加，將發(fā)生作動(dòng)筒伸出過慢故障；工況2 相對安全。檢修人員應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行阻尼孔清理工作。

圖7 阻尼孔半徑對作動(dòng)筒展開時(shí)間的影響Fig.7 Effect of the radius of the damping hole on the expension time of the actuator

3.4 鎖定控制面磨損

在解鎖機(jī)構(gòu)部分，其核心三角塊所處的位置和姿態(tài)對解鎖結(jié)構(gòu)能否成功解鎖至關(guān)重要。實(shí)際飛行中飛機(jī)的顛簸使配合表面不斷摩擦發(fā)生磨損，導(dǎo)致斜撐桿傾角變大，右端上揚(yáng)，鎖定彈簧的鎖定分力增大。當(dāng)斜撐桿右端上揚(yáng)到一定程度后，拉力為定值的解鎖拉桿將難以拉動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)完成解鎖動(dòng)作。三角塊配合面磨損量及斜撐桿右端上揚(yáng)高度與能否解鎖的關(guān)系仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖8 三角塊配合面磨損量對解鎖的影響Fig.8 Effect of the wear of the matching surface of the triangular block on the unlocking process

當(dāng)三角塊配合面總磨損量超過0.04 mm，機(jī)構(gòu)的狀態(tài)將由能正常解鎖轉(zhuǎn)變?yōu)闊o法解鎖，這將直接導(dǎo)致作動(dòng)筒完全無法展開的嚴(yán)重故障。因此，檢修人員必須定期檢查接觸面的磨損情況，確保解鎖機(jī)構(gòu)具備正常解鎖的能力。

4 基于仿真結(jié)果的檢查建議

通過將對系統(tǒng)整體功能的定性檢查轉(zhuǎn)變?yōu)閷收显蚴录亩繖z測，能夠充分了解系統(tǒng)的功能狀態(tài)，便于制訂維修計(jì)劃，降低檢修的時(shí)間和成本，提高檢修的效率和準(zhǔn)確度；依據(jù)仿真分析的結(jié)果，可以對RAT 作動(dòng)筒的維護(hù)檢查方案提出指導(dǎo)意見：在常規(guī)檢查維護(hù)中，需要對故障根原因?qū)ο筮M(jìn)行重點(diǎn)檢查，其具體指標(biāo)情況如表3 所示。

表3 作動(dòng)筒檢查項(xiàng)目及其指標(biāo)Table 3 Actuator check list and indicators

5 結(jié) 論

本文使用Modelica 語言對RAT 作動(dòng)筒在2 種載荷曲線工況下進(jìn)行建模，模型誤差分別為5.3%和6.3%，具有較高的精確度，為RAT 作動(dòng)筒的性能監(jiān)測和故障分析奠定了基礎(chǔ)。使用Modelica 模型對RAT 作動(dòng)筒進(jìn)行故障根原因仿真分析得到以下結(jié)論：

（1）找到了作動(dòng)筒無法解鎖和展開時(shí)間不達(dá)標(biāo)2 個(gè)故障的4 個(gè)根原因：展開彈簧退化、密封圈泄漏、阻尼孔堵塞、鎖定控制面磨損。

（2）根據(jù)仿真結(jié)果分別得到了故障根原因?qū)е鹿收习l(fā)生的臨界條件，并提出了對作動(dòng)筒的檢查項(xiàng)目：彈簧總彈力≥242 550 N、內(nèi)泄漏流量≤4.2 L/min、阻尼孔半徑≥0.96 mm（即不能有明顯堵塞）、鎖定控制面總磨損量≤0.04 mm（即不能有明顯磨損）。

航空公司的維護(hù)人員可以利用上述成果，有針對性地檢查RAT 作動(dòng)筒的健康狀況。相較于傳統(tǒng)的基于使用經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的定性或半定量故障研究，利用Modelica 的故障根原因分析實(shí)現(xiàn)了完全的定量化，提高了故障分析的準(zhǔn)確性和效率。仿真結(jié)果具有較好的工程應(yīng)用前景，但是仍有很多問題值得更深入研究，如與AMESim 等專業(yè)軟件聯(lián)合仿真以提高建模和仿真的精度[12]、利用仿真模型優(yōu)化作動(dòng)筒部件設(shè)計(jì)以降低故障發(fā)生概率、根據(jù)故障發(fā)生的臨界條件預(yù)測作動(dòng)筒剩余壽命等。