周 瑜

(中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司,陜西 西安 710089)

隨著軍事需求的不斷牽引和航空工業(yè)技術(shù)的不斷升級迭代，具有優(yōu)異飛行性能和持久續(xù)航能力的先進飛行器得到廣泛關(guān)注。作為增強航空兵機動能力和打擊能力的重要措施之一，現(xiàn)代空中加油技術(shù)成為了一個研究熱點。飛機在空中完成復(fù)雜的加油過程時，由于高馬赫數(shù)、高速狀態(tài)下氣動力變化莫測，為了提高空中加油的精準性，飛機姿態(tài)的控制就顯得尤為重要。早期運輸機或直升機采用機械式鋼索控制舵面時，操縱力大，飛行員操縱負擔(dān)重，飛機姿態(tài)難以精確控制。隨著電傳飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展，國內(nèi)外均采用作動器驅(qū)動舵面的運動，替代了人工機械操縱鋼索，直接電信號驅(qū)動伺服系統(tǒng)，從而引入液壓源輸出流量驅(qū)動作動筒的運動，輸出舵面偏轉(zhuǎn)的位移。

作動器(舵機)主要是指接受飛機操縱指令(機械位移指令或電氣控制指令)，利用機載能源(如液壓源、電源)，驅(qū)動飛機操縱面偏轉(zhuǎn)的執(zhí)行部件，作動器相當(dāng)于力放大器，是極大地減輕駕駛員操縱負擔(dān)的一種裝置，為飛機飛行控制的最后關(guān)鍵一環(huán)，能夠精準控制飛機舵面的偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)飛機姿態(tài)的控制。目前，為了滿足飛機向高機動性、高穩(wěn)定性及大功率方向發(fā)展，國內(nèi)外先進的電靜液作動器正朝著高壓化、大功率、變壓力、智能化、集成化、多余度方向發(fā)展，具有良好的應(yīng)用前景。

電靜液作動器是電氣和液壓聯(lián)合一體的伺服作動器。它綜合了電氣控制、液壓傳動及控制兩者的優(yōu)點，電氣部分一般用作系統(tǒng)信號接收、放大變換、傳輸、反饋控制；液壓部分則作為功率轉(zhuǎn)換、放大和傳動的執(zhí)行部件。目前在國外多種機型中都有應(yīng)用，如：B-2、AF-22、JAS-39、EFA-2000、F/A-18E/F、F-35、M346、T50、NH90等，國內(nèi)多型戰(zhàn)機也有應(yīng)用，逐漸使得飛機向著“多電飛機”方向發(fā)展，根據(jù)目前的發(fā)展方向，逐漸向“全電飛機”的目標(biāo)邁進。

目前，AMESim軟件是國內(nèi)外流行的液壓系統(tǒng)計算機仿真軟件，通過此軟件，能夠進行液壓傳動系統(tǒng)的靜/動態(tài)特性仿真，AMESim可以解決絕大多數(shù)液壓工程的問題，它提供了從流體力學(xué)到液壓傳動、直到伺服控制的完整液壓解決方案。采用基于物理模型的圖形化建模方式,使得用戶可以從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來,從而專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計。

筆者主要闡述了新型電靜液作動器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理，對電靜液作動器進行了理論建模。同時，考慮空中加油過程中的氣動負載，對作動系統(tǒng)的節(jié)流系數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。AMESim仿真結(jié)果表明，電靜液作動器可以精確跟蹤輸入信號，舵面偏轉(zhuǎn)誤差滿足工程應(yīng)用的容差限。

1 EHA的系統(tǒng)組成和工作原理

電靜液作動器(Electro Hydrostatic Actuator,EHA)的原理模型如圖1所示[1-4]，采用AMESim液壓仿真軟件對EHA進行建模，在EHA中，集成了很多液壓附件，用以完成補油、過壓保護和工作模式選擇等功能。具體包括控制器、高性能直流無刷電機(Brushless Direct Current Motor,BLDCM)、雙向柱塞泵、蓄壓器、單向閥、油濾及子系統(tǒng)、安全閥、作動筒、壓力傳感器、負載位移傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器(速度傳感器)。其中，電機電壓為DC 250 V，轉(zhuǎn)速不超過4000 r/min，作動筒行程不超過100 mm，最大運動速度不超過100 mm/s，最大靜態(tài)輸出力不超過100 kN。

圖1 EHA系統(tǒng)組成與原理圖

DSP控制器接受上游飛控計算機的輸入指令信號，傳遞給功率驅(qū)動單元，驅(qū)動直流電機，電機輸出轉(zhuǎn)速帶動柱塞泵旋轉(zhuǎn)，柱塞泵輸出高壓油到作動筒中，最終實現(xiàn)對舵面負載的驅(qū)動。蓄壓器的作用是當(dāng)系統(tǒng)壓力低于工作壓力時，對系統(tǒng)進行補油，防止氣穴現(xiàn)象發(fā)生，安全活門是防止柱塞泵和作動筒中產(chǎn)生過高的壓力。

2 EHA的AMESim建模與仿真

2.1 EHA建模

根據(jù)圖1所示的EHA功能示意圖，構(gòu)建功能級EHA模型[5-7]，如圖2所示。

圖2 AMESim中的EHA系統(tǒng)模型

模型包含有：雙向液壓泵、蓄壓器、安全閥、直流電機、單向閥、節(jié)流孔、作動筒、舵面、位移傳感器、壓力傳感器等。

2.2 主要性能指標(biāo)

EHA主要性能指標(biāo)如下：

① 電機功率:7.5 kW；

② 電機供電電壓:DC 250 V；

③ 電機最高轉(zhuǎn)速:4000 r/min；

④ 作動器行程:100 mm[8]；

⑤ 作動器最大速度:100 mm/s[9]；

⑥ 作動器最大靜態(tài)輸出力:100 kN；

⑦ 系統(tǒng)工作壓力:21 MPa；

⑧ 系統(tǒng)最大流量:33.33 L/min。

仿真所用詳細參數(shù)如表1所示[10]。

表1 功能級EHA模型元件參數(shù)表

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 EHA系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析

當(dāng)輸入位移指令為5 V時(0.1 V對應(yīng)1 mm)[11-12],氣動負載為20000 N，節(jié)流系數(shù)為0.5 L/min/bar時，舵面的輸出位移曲線如圖3所示。

圖3是節(jié)流系數(shù)為0.5 L/min/bar時，舵面輸出位移的仿真圖，由圖3可看出，0～0.5 s時沒有位移的輸入與輸出，在第5 s加入20000 N的氣動負載時，舵面位移曲線有明顯的波動，并且穩(wěn)定后舵面輸出位移的穩(wěn)態(tài)誤差較大，根據(jù)此現(xiàn)象，將節(jié)流系數(shù)縮小至0.1 L/min/bar時再進行仿真分析，結(jié)果如圖4所示。

圖3 節(jié)流系數(shù)為0.5 L/min/bar時的位移偏移量

圖4是節(jié)流系數(shù)為0.1L/min/bar時，舵面輸出位移的仿真圖。由圖4可看出，0～0.5 s時沒有位移的輸入與輸出，在第5 s加入一個20000 N的氣動負載時，對舵面的位移有較小的擾動，此時舵面位移的穩(wěn)態(tài)誤差較小，但也沒完全消除，鑒于此，再將節(jié)流系數(shù)縮小至0.01 L/min/bar進行仿真分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5是節(jié)流系數(shù)為0.01 L/min/bar時，舵面輸出位移的仿真圖，由圖5可看出，0～0.5 s時沒有位移以及氣動負載的輸入，在第5 s時加入一個20000 N的負載力。從仿真圖顯示舵面輸出位移的擾動非常小，最終穩(wěn)定后輸出位移的穩(wěn)態(tài)誤差較圖4更小，基本滿足目標(biāo)值0.05 m。

圖4 節(jié)流系數(shù)為0.1 L/min/bar時的位移偏差量

圖5 節(jié)流系數(shù)為0.01 L/min/bar時的位移偏差量

從以上仿真曲線圖可看出，節(jié)流系數(shù)越小，舵面位移的穩(wěn)態(tài)誤差越小，下面進行節(jié)流孔流量的公式分析。

3.2 基于AMESim的節(jié)流孔公式分析

液體流經(jīng)節(jié)流孔的模型如圖6所示，AMESim中的節(jié)流孔模型如圖7所示。通過液體流過縫隙來控制壓力和流量，以此來達到調(diào)壓或調(diào)速的目的，本節(jié)通過研究液壓油在節(jié)流孔的流動規(guī)律，進而合理分析舵面輸出位移的穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高飛機姿態(tài)的穩(wěn)定性，對于空中加油意義重大。

圖6 液體流過節(jié)流孔的示意圖

圖7 AMESim中的節(jié)流孔模型

節(jié)流孔是AMESim軟件中液壓模塊的元器件，通過調(diào)節(jié)孔口的大小，進而控制流過孔的液壓流量，從而實現(xiàn)限流的作用。其原理為：流體在管道中流動時，由于孔板的局部阻力，使得流體的壓力降低，能量損耗，該現(xiàn)象在熱力學(xué)上稱為節(jié)流現(xiàn)象，調(diào)節(jié)節(jié)流孔的方式比采用調(diào)節(jié)閥要簡單，但必須得當(dāng)，否則液體容易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，影響管道的安全運行。

在AMESim中節(jié)流口模型的流量公式如下：

(1)

式中，Arest為節(jié)流孔面積；vrest為節(jié)流孔處流速；Avc為縮流斷面面積；vvc為縮流斷面處流速；Cd為流量系數(shù)；Q為通過薄壁孔流量；ρ為液體密度；A1為孔口上游通道斷面面積；A2為孔口下游通道斷面面積；v1為孔口上游流速；v2為孔口下游流速；Pup為孔口上游通道斷面壓力；Pvc為縮流斷面處壓力。

從節(jié)流孔的流量仿真公式可知，當(dāng)通過圖2 AMESim建立的EHA系統(tǒng)中的節(jié)流孔的流量越大時，從柱塞泵輸出的高壓油量供給舵面的流量就越少，導(dǎo)致輸出的舵面位移偏離目標(biāo)值越大，即所謂的穩(wěn)態(tài)誤差越大；當(dāng)通過節(jié)流孔的流量越小時，從柱塞泵輸出的高壓油量能最大效率輸送給舵面，驅(qū)動舵面的偏轉(zhuǎn)，進而能最大程度接近目標(biāo)位移值，即穩(wěn)態(tài)誤差越小。

根據(jù)這一分析結(jié)果可知，節(jié)流系數(shù)直接影響舵面輸出位移的穩(wěn)態(tài)誤差，進而直接控制飛機姿態(tài)的變化，節(jié)流流量越小，舵面偏轉(zhuǎn)的穩(wěn)態(tài)誤差越小，姿態(tài)的穩(wěn)定性越高，越有利于空中加油技術(shù)的實施。

4 結(jié)論

針對加受油過程中舵面偏轉(zhuǎn)不精準問題，考慮使用作動器來驅(qū)動舵面運動[13]，基于AMESim建立了EHA系統(tǒng)模型，并提出了通過調(diào)節(jié)EHA中節(jié)流系數(shù)的方法，來解決舵面輸出位移穩(wěn)態(tài)誤差偏大的問題，得到以下結(jié)論：

① 基于AMESim建立的EHA模型原理正確，滿足性能要求，有良好的應(yīng)用價值[14]；

② AMESim軟件功能強大，融合了機械、液壓、電磁等學(xué)科的系統(tǒng)模型[15]，極大地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期；

③ 能夠極大地減小人力、物力的浪費，建立起一套完整的液壓仿真模型；

④ 基于AMESim建立的EHA系統(tǒng)功能模型中，節(jié)流孔的流量系數(shù)越小，舵面輸出位移的穩(wěn)態(tài)誤差越小，越接近輸入的目標(biāo)值，進而越能精準控制飛機的姿態(tài)變化，提高了飛機的機動性與穩(wěn)定性[16]，對空中加油具有指導(dǎo)性的意義。