袁 杰, 田楊濤, 徐洋洋, 劉 通, 王文山

(慶安集團(tuán)有限公司航空設(shè)備研究所, 陜西西安 710077)

引言

反推力裝置是大型民用客機(jī)的重要減速裝置[1-10],其通過(guò)調(diào)整飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)尾部機(jī)械結(jié)構(gòu),將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的正向推力改變?yōu)榉聪蜃枇?從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的減速,以縮短飛機(jī)著陸時(shí)所需要的滑跑距離,保證飛機(jī)安全著陸。

國(guó)內(nèi)外當(dāng)前主流的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)減速裝置主要以葉柵式反推力裝置為主[11-13],其主要由液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)、葉柵、移動(dòng)外罩、阻流門、折流桿等機(jī)構(gòu)組成。反推力裝置又分為一體式“O”形涵道反推裝置與分體式“C”形涵道反推裝置,兩型反推裝置的組成與工作原理基本相同,當(dāng)反推裝置工作時(shí),液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)接收并執(zhí)行展開指令,在展開作動(dòng)過(guò)程中,移動(dòng)外罩平移至葉柵的后面,每根折流桿在移動(dòng)外罩向后移動(dòng)時(shí),將阻流門轉(zhuǎn)動(dòng)至阻擋風(fēng)扇外涵道氣流位置,使外涵氣流通過(guò)葉柵逆向排出至外環(huán)境,從而產(chǎn)生反推力。

“C”形反推裝置具有制造簡(jiǎn)單與維修方便的優(yōu)勢(shì),其已在A380,B737,B787等多型民用飛機(jī)上廣泛使用?！癈”形反推裝置左右兩半的執(zhí)行機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立,在展開/收起過(guò)程中,由于液壓管路布局、不同步載荷以及機(jī)械摩擦等影響,左右兩半反推裝置難以同步作動(dòng),容易引起反推裝置卡滯、移動(dòng)外罩變形損壞、反推展開失敗等故障。如何提高液壓作動(dòng)裝置同步性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了多個(gè)研究策略,如張兵等[14]采用了“基于自由度控制算法”,采用閉環(huán)控制的方式提升液壓作動(dòng)系統(tǒng)同步性;丁海港等[15]設(shè)計(jì)了“負(fù)載敏感變速同步系統(tǒng)”,根據(jù)負(fù)載變化增加壓力與流量補(bǔ)償單元來(lái)保證液壓作動(dòng)裝置流量的一致性。以上分別通過(guò)指令閉環(huán)與機(jī)械閉環(huán)控制的形式對(duì)提升液壓作動(dòng)系統(tǒng)同步性開展了研究,但在反推作動(dòng)系統(tǒng)研制中,增加閉環(huán)控制相當(dāng)于增加了一部分電子與機(jī)械元器件,這將大幅度降低反推系統(tǒng)的可靠性與安全性,對(duì)大型民用航空飛機(jī)來(lái)說(shuō)是難以接受的[16]。

針對(duì)上述問(wèn)題,本研究采用系統(tǒng)單向節(jié)流閥同步方案,利用節(jié)流閥工作原理,通過(guò)分析閥口面積、負(fù)載力對(duì)系統(tǒng)位移與同步性的影響,建立閥口開度與負(fù)載的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)仿真與試驗(yàn)證明通過(guò)節(jié)流同步原理優(yōu)化后的節(jié)流閥能夠提升反推作動(dòng)系統(tǒng)同步性,滿足反推裝置工作過(guò)程中的同步性需求。

1 系統(tǒng)原理介紹

1.1 液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)原理

“C”形葉柵式反推裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)是反推裝置的主要作動(dòng)系統(tǒng),其利用飛機(jī)液壓源、28 VDC電源進(jìn)行控制,一般由電子控制器、液壓控制活門、接線盒、帶鎖作動(dòng)筒(含接近開關(guān)、位移傳感器、手動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))、無(wú)鎖作動(dòng)筒、同步軸鎖(帶手動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))、同步軟軸、接近傳開關(guān)等部件組成。

圖1 葉柵式反推裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic of cascade thrust reverser

液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)原理如圖2所示[2],系統(tǒng)工作時(shí),反推手柄給反推力作動(dòng)系統(tǒng)提供打開與關(guān)閉指令,液壓控制活門向作動(dòng)筒提供液壓油以打開或關(guān)閉反推裝置。反推手柄的相關(guān)電門向控制活門提供伸出或收回信號(hào),當(dāng)沒(méi)有伸出信號(hào)時(shí),同步軸鎖鎖定以防止系統(tǒng)非正常作動(dòng)。反推電子控制器控制反推的展開/收起操作,同時(shí)具有自檢功能。每個(gè)帶鎖作動(dòng)筒上的位移傳感器把將移動(dòng)外罩位置數(shù)據(jù)發(fā)送至發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器,將反推信息顯示在駕駛艙的顯示裝置上。

圖2 液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle of hydraulic thrust reverser actuation system

1.2 節(jié)流同步原理

液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)節(jié)流同步的原理是在系統(tǒng)液壓控制活門與作動(dòng)器之間的連接管路中,設(shè)計(jì)并增加兩個(gè)單向節(jié)流閥,根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間要求以及左右兩半不同步載荷大小,分別調(diào)節(jié)兩個(gè)單向節(jié)流閥閥芯開口尺寸來(lái)調(diào)節(jié)通往左右兩半反推裝置的液壓油流量,確保左右兩半的作動(dòng)器都能以相同的速度伸出或收進(jìn),達(dá)到系統(tǒng)同步的目的。

展開節(jié)流閥與收起節(jié)流閥的組成原理如圖3所示,兩者組成與原理完全相同,區(qū)別在于管接頭尺寸與安裝位置不同。

1.管接頭 2.擋圈 3.節(jié)流堵 4.節(jié)流孔 5.閥芯 6.周向小孔 7.彈簧

當(dāng)管路中液壓油流向與節(jié)流方向相同時(shí),彈簧7處于預(yù)壓縮狀態(tài),液壓力與節(jié)流方向相同并將閥芯5、節(jié)流堵3、擋圈2抵在管接頭1內(nèi)壁處,此時(shí)閥芯5外壁與節(jié)流堵3內(nèi)壁接觸形成密封,液壓油只能通過(guò)節(jié)流孔4流出,形成節(jié)流;當(dāng)系統(tǒng)液壓源與節(jié)流方向相反時(shí),在液壓力作用下閥芯4壓縮彈簧7,閥芯5外壁與節(jié)流堵3內(nèi)壁取消接觸,此時(shí)液壓油可從節(jié)流孔4與3個(gè)周向小孔6處通過(guò),節(jié)流作用消失。

2 系統(tǒng)節(jié)流同步建模

建立系統(tǒng)節(jié)流同步模型,首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工作原理建立其主要部件(液壓控制活門、節(jié)流閥、液壓作動(dòng)筒)的數(shù)學(xué)模型,然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型利用SimHydraulics軟件搭建系統(tǒng)節(jié)流仿真模型。

2.1 節(jié)流同步數(shù)學(xué)模型

節(jié)流同步系統(tǒng)中的液壓控制活門實(shí)現(xiàn)液壓換向,對(duì)系統(tǒng)同步性無(wú)影響。左、右單半移動(dòng)外罩上的2個(gè)作動(dòng)器是通過(guò)軟軸同步的,同步精度高,本研究著重于左、右單半移動(dòng)外罩之間的同步性,因此可以忽略液壓控制活門、單半移動(dòng)外罩上2個(gè)作動(dòng)器之間軟軸等因素,等效后的系統(tǒng)物理模型如圖4所示。

圖4 節(jié)流同步系統(tǒng)等效模型Fig.4 Equivalent model of throttling synchronous system

單向節(jié)流閥的流量方程如下:

(1)

(2)

式中,Q1—— 左側(cè)展開流量

Q2—— 右側(cè)展開流量

ps—— 系統(tǒng)進(jìn)油壓力

pL1—— 左側(cè)等效作動(dòng)器無(wú)桿腔壓力

pR1—— 右側(cè)等效作動(dòng)器無(wú)桿腔壓力

ρ—— 油液密度

A1—— 左側(cè)節(jié)流閥開口面積

A2—— 右側(cè)節(jié)流閥開口面積

C—— 右側(cè)節(jié)流閥開口面積

等效作動(dòng)器的力平衡方程:

pL1AL1-pL2AL2-fL=F1

(3)

pR1AR1-pR2AR2-fR=F2

(4)

式中,pL1—— 左側(cè)等效作動(dòng)器無(wú)桿腔壓力

pL2—— 左側(cè)等效作動(dòng)器有桿腔壓力

pR1—— 右側(cè)等效作動(dòng)器無(wú)桿腔壓力

pR2—— 右側(cè)等效作動(dòng)器有桿腔壓力

AL1—— 左側(cè)等效作動(dòng)器無(wú)桿腔面積

AL2—— 左側(cè)等效作動(dòng)器有桿腔面積

AR1—— 右側(cè)等效作動(dòng)器無(wú)桿腔面積

AR2—— 右側(cè)等效作動(dòng)器有桿腔面積

fL—— 左側(cè)等效作動(dòng)器摩擦力

fR—— 右側(cè)等效作動(dòng)器摩擦力

F1—— 左側(cè)等效作動(dòng)器負(fù)載力

F2—— 右側(cè)等效作動(dòng)器負(fù)載力

為了保證左右兩側(cè)同步運(yùn)動(dòng),即作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)速度相同,當(dāng)兩側(cè)作動(dòng)器完全相同時(shí),AL1=AL2=Ad,AR1=AR2=As,fL=fR,需滿足Q1=Q2就能夠保證左右兩側(cè)作動(dòng)器同步運(yùn)動(dòng)。同時(shí)結(jié)合式(1)～式(4)可得出左右兩側(cè)流量差為:

ΔQ=|Q1-Q2|

(5)

(6)

(7)

式中,d1—— 左側(cè)節(jié)流閥開口面積

d2—— 右側(cè)節(jié)流閥開口面積

由式(5)～式(7)分析可知,當(dāng)單側(cè)作動(dòng)器等效負(fù)載力F1或F2增大時(shí),只需同步增大同側(cè)節(jié)流閥開口面積d1或d2,通過(guò)改變單側(cè)流量的方式保證兩側(cè)作動(dòng)器同步運(yùn)動(dòng)。

2.2 節(jié)流同步仿真模型

根據(jù)液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)節(jié)流同步數(shù)學(xué)模型,利用Simulink工具箱中的SimHydraulics模塊建立其仿真分析模型,液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵變量取值如表1所示。

表1 關(guān)鍵變量取值

節(jié)流同步系統(tǒng)仿真分析模型主要由液壓源模塊、液壓控制活門模塊、節(jié)流閥模塊與作動(dòng)系統(tǒng)子系統(tǒng)模塊組成,如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)仿真模型Fig.5 System simulation model

3 仿真分析結(jié)果

仿真分析主要研究以下3個(gè)方面:

(1) 不同步負(fù)載力對(duì)系統(tǒng)同步性的影響;

(2) 在最大不同步負(fù)載力作用下,節(jié)流同步對(duì)系統(tǒng)同步性的優(yōu)化作用;

(3) 節(jié)流閥開口尺寸差異與不同步負(fù)載力的關(guān)系。

3.1 負(fù)載力與不同步位移關(guān)系

以某液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)為例,其要求左右反推作動(dòng)器不同步位移不大于30 mm。當(dāng)不采用節(jié)流同步方案時(shí)(左右兩半反推裝置的展開節(jié)流閥閥口開度相同;收起節(jié)流閥閥口開度相同),分別給左右反推作動(dòng)器施加逆載F右=1200 N,F左=2400 N(不同步載荷為1200 N)。此時(shí)左右兩側(cè)作動(dòng)器時(shí)間-位移曲線,如圖6所示。

圖6 無(wú)節(jié)流時(shí)的作動(dòng)器展開位移曲線Fig.6 Displacement curve of actuators without throttling

由圖6可以看出,當(dāng)不采取節(jié)流同步,左側(cè)作動(dòng)器負(fù)載比右側(cè)作動(dòng)筒負(fù)載大1200 N時(shí),系統(tǒng)展開過(guò)程中兩側(cè)反推裝置的不同步位移Δx達(dá)到約35.1 mm。

改變不同步載荷ΔF大小,得到液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)的同步誤差曲線,如圖7所示。

圖7 作動(dòng)器不同步載荷與不同步位移關(guān)系曲線Fig.7 Curve of relationship between asynchronous load and asynchronous displacement of actuators

由圖7可以看出,系統(tǒng)展開過(guò)程中兩側(cè)反推裝置的不同步位移隨著不同步負(fù)載的增大而增大,當(dāng)不同步負(fù)載為1114 N時(shí),不同步位移達(dá)到約29.7 mm。

3.2 節(jié)流同步優(yōu)化后的仿真結(jié)果

在仿真模型中調(diào)整兩側(cè)展開、收起節(jié)流閥閥芯開口,使左半反推展開、收起節(jié)流閥開口分別增大0.2 mm,得到左右兩側(cè)作動(dòng)器時(shí)間-位移曲線,如圖8所示。

圖8 有節(jié)流時(shí)的作動(dòng)器展開位移曲線Fig.8 Displacement curve of actuators with throttling

修改兩側(cè)作動(dòng)器不同步負(fù)載,對(duì)系統(tǒng)開展節(jié)流優(yōu)化,得到不同閥芯開口尺寸差ΔD的不同步位移曲線,如圖9所示。

圖9 不同節(jié)流閥開度下的作動(dòng)器不同步性位移曲線Fig.9 Actuator displacement error curves with different throttle opening

由圖9可以看出,在不同步負(fù)載作用下,當(dāng)不采取節(jié)流同步時(shí), 系統(tǒng)不同步位移都在15 mm以上, 調(diào)節(jié)兩側(cè)節(jié)流閥開口大小使其差值保持在一定范圍內(nèi), 可以提升液壓反推系統(tǒng)同步性。

3.3 節(jié)流閥開口與不同步負(fù)載力的關(guān)系

給系統(tǒng)左右兩半反推作動(dòng)器施加不同步負(fù)載力,使系統(tǒng)在各不同步負(fù)載作用下展開,調(diào)整節(jié)流閥開口尺寸使系統(tǒng)同步運(yùn)動(dòng)(位移差在5 mm以內(nèi)),得到不同步負(fù)載力下對(duì)應(yīng)的兩側(cè)節(jié)流閥開口差異曲線,如圖10所示。

圖10 不同步載荷與節(jié)流閥開口差的關(guān)系曲線Fig.10 Relationship curve between non-synchronous load and opening difference of throttle valve

仿真結(jié)果曲線圖10表明,隨著不同步載荷的增大,調(diào)節(jié)同步時(shí)需要將兩側(cè)節(jié)流閥開口差異加大,以保證系統(tǒng)同步性。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)節(jié)流同步原理,在反推作動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上開展節(jié)流同步試驗(yàn)驗(yàn)證,系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)如圖11所示。

圖11 反推作動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)Fig.11 Test bench for thrust reverser actuation system

節(jié)流同步展開測(cè)試試驗(yàn)中,雙通道作動(dòng)器位移-負(fù)載曲線如圖12所示(正值為順載荷,負(fù)值為逆載荷)。當(dāng)不進(jìn)行節(jié)流同步時(shí),得到系統(tǒng)的展開曲線以及不同步位移如圖13所示。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到展開過(guò)程中的最大不同步位移差發(fā)生在作動(dòng)器最大行程處,為70.1 mm。

圖12 作動(dòng)器加載力曲線Fig.12 Load force curves of actuator

圖13 無(wú)節(jié)流時(shí)系統(tǒng)展開位移曲線Fig.13 Displacement curves of system without throttling

調(diào)整兩側(cè)單向節(jié)流閥開口差,對(duì)液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)開展節(jié)流同步優(yōu)化,當(dāng)調(diào)整左右兩側(cè)展開節(jié)流閥口開度差為0.3 mm時(shí),得到的試驗(yàn)結(jié)果曲線,如圖14所示。

圖14 有節(jié)流時(shí)系統(tǒng)展開位移曲線Fig.14 Displacement curves of system with throttling

圖14表明當(dāng)調(diào)整左右兩側(cè)展開節(jié)流閥口開度差為0.3 mm時(shí),系統(tǒng)展開過(guò)程中的同步精度達(dá)到9.3 mm。

改變不同步負(fù)載力大小,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行同步優(yōu)化,得到多組展開過(guò)程中不同步負(fù)載與節(jié)流閥開度差異的試驗(yàn)數(shù)據(jù),如圖15所示。

圖15 有節(jié)流時(shí)不同步載荷與節(jié)流閥開口差關(guān)系曲線Fig.15 Relationship curve between non-synchronous load and opening difference of throttle valve with throtting

試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著不同步載荷的增加,同步調(diào)節(jié)后左右兩側(cè)節(jié)流閥尺寸也逐步增大,與仿真結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

本研究從液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)工作原理與同步驅(qū)動(dòng)需求出發(fā),提出一種單向節(jié)流閥同步作動(dòng)方案,仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1) 通過(guò)改變同步節(jié)流閥開口尺寸的差異,可以減小反推裝置兩側(cè)作動(dòng)器不同步位移差;

(2) 兩個(gè)作動(dòng)器的負(fù)載力差異越大,同步節(jié)流后的兩個(gè)節(jié)流閥開口尺寸的差異越大;

(3) 通過(guò)仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證,充分證明了采用節(jié)流同步原理的液壓反推作動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于兩側(cè)反推作動(dòng)器兩側(cè)同步性的提升,為后續(xù)開展同類液壓節(jié)流同步作動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。