杜鑫，柯兵，干梁，顧嘉偉

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇南京 211106)

0 前言

沖壓空氣渦輪系統(tǒng)(Ram Air Turbine，RAT)是飛機(jī)的應(yīng)急能源系統(tǒng)，在飛機(jī)應(yīng)急狀態(tài)下展開(kāi)，在相對(duì)氣流中轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)RAT液壓泵工作，為飛機(jī)提供應(yīng)急液壓能源[1]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者在RAT的總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、RAT輔助功能及實(shí)現(xiàn)方式、RAT選型方法等方面進(jìn)行了一定的研究，在RAT動(dòng)態(tài)特性、RAT展開(kāi)過(guò)程強(qiáng)度計(jì)算、RAT溫流功能設(shè)計(jì)方法等方面開(kāi)展了較為詳細(xì)的研究。

國(guó)內(nèi)已開(kāi)展多型液壓模式RAT的研制工作，但尚未建立液壓模式RAT的綜合仿真分析平臺(tái)，一定程度上制約了RAT的研制工作。本文作者在分析液壓模式RAT工作原理基礎(chǔ)上，建立液壓模式RAT聯(lián)合仿真模型，分析液壓模式RAT的啟動(dòng)特性、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性、功率輸出特性等，為液壓模式RAT的仿真分析奠定一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 LMS聯(lián)合仿真及液壓模式RAT概述

1.1 LMS聯(lián)合仿真

液壓模式RAT為典型的集成了機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、控制等多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)，若采用傳統(tǒng)的單一流體傳動(dòng)仿真或動(dòng)力學(xué)仿真，無(wú)法綜合模擬產(chǎn)品的功能性能[2]。LMS Imagine.Lab可提供集成1D電液系統(tǒng)模型與3D動(dòng)力學(xué)模型的仿真環(huán)境，建立完整的閉環(huán)系統(tǒng)模型，完成1D+3D的機(jī)電液一體化仿真分析[3]。文中在LMS仿真環(huán)境下建立了液壓模式RAT聯(lián)合仿真模型，進(jìn)行液壓模式RAT綜合性能仿真分析。

1.2 液壓模式RAT

典型液壓模式RAT結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由渦輪部件、齒輪箱、液壓泵、支撐部件、收放機(jī)構(gòu)等部分組成。緊急情況下，由收放機(jī)構(gòu)將渦輪部件展開(kāi)至氣流中，渦輪將提取的空氣沖壓能轉(zhuǎn)變旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓泵工作，為飛機(jī)提供液壓能。

圖1 液壓模式RAT結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic of hydraulic RAT structure

杜鑫等人[4]在ADAMS環(huán)境下建立了RAT的虛擬樣機(jī)模型，分析了RAT的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性及展開(kāi)過(guò)程主要支撐零件的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度。夏天翔等[5]在AMESim環(huán)境下建立了RAT的動(dòng)態(tài)分析模型，對(duì)RAT調(diào)速性能、RAT艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了分析。但目前仍然缺少對(duì)液壓模式RAT的結(jié)構(gòu)與液壓相耦合的綜合仿真分析。

2 動(dòng)力學(xué)建模

2.1 渦輪部件原理分析及動(dòng)力學(xué)建模

渦輪部件為RAT的功率提取模塊，典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 渦輪部件結(jié)構(gòu)Fig.2 Turbine component structure

葉片為渦輪部件的功率提取零件，其扭矩輸出能力：

TD=CmT

(1)

其中：T=ρv2Ar為葉片掃掠面積內(nèi)的氣動(dòng)扭矩，ρ為空氣密度，v為來(lái)流速度，A為渦輪掃掠面積，r為渦輪半徑；Cm=f(θ,λ)為葉片的氣動(dòng)扭矩系數(shù)，與葉片槳距角θ和葉片的尖速比λ相關(guān)。葉片氣動(dòng)扭矩系數(shù)Cm可通過(guò)葉片的CFD計(jì)算得到，產(chǎn)品葉片Cm曲面如圖3所示。

圖3 渦輪葉片Cm曲面Fig.3 Cm surface of blade

為保證RAT液壓泵的正常工作，渦輪內(nèi)部設(shè)置一套離心調(diào)速機(jī)構(gòu)，保證渦輪在全包線內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一定范圍。渦輪調(diào)速機(jī)構(gòu)主要由葉片、離心塊、離心塊座和調(diào)速?gòu)椈傻冉M成。渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)離心調(diào)速機(jī)構(gòu)的力矩平衡關(guān)系動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)葉片槳距角，以適應(yīng)來(lái)流風(fēng)速、后端負(fù)載等的變化。以離心塊座為基礎(chǔ)，調(diào)速機(jī)構(gòu)力矩平衡方程如下：

(2)

當(dāng)風(fēng)速減小或負(fù)載增加時(shí)，渦輪轉(zhuǎn)速減小，ML減小，調(diào)速?gòu)椈赏ㄟ^(guò)后彈簧座推動(dòng)凸輪右移，離心塊座帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片槳距角θ減小，葉片氣動(dòng)扭矩系數(shù)增加，渦輪轉(zhuǎn)速增加，進(jìn)而達(dá)到新的平衡轉(zhuǎn)速。

將液壓模式RAT三維模型以Catia格式導(dǎo)入Motion中，設(shè)置零件材料屬性，并根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算需求將相關(guān)零件三維模型轉(zhuǎn)化為body。根據(jù)渦輪部件各零件之間的裝配約束關(guān)系，設(shè)置渦輪部件各零件之間的運(yùn)動(dòng)副。渦輪部件模型主要運(yùn)動(dòng)副如表1所示，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副增加摩擦因數(shù)。

在前彈簧座和后彈簧座彈簧安裝平面中心設(shè)置2個(gè)Hard point。通過(guò)在兩Hard point之間設(shè)置TSDA彈簧力模型模擬調(diào)速?gòu)椈晒δ堋８鶕?jù)調(diào)速?gòu)椈蓞?shù)設(shè)置TSDA的自由長(zhǎng)度、剛度、阻尼等參數(shù)，并將彈簧力類型設(shè)置為Compression_only。

在葉片和輪轂及輸入軸和大地處添加Sensor axis動(dòng)態(tài)測(cè)量葉片扭轉(zhuǎn)角度和渦輪轉(zhuǎn)速ω，用于計(jì)算葉片槳距角θ和葉片尖速比λ。仿真過(guò)程，模型動(dòng)態(tài)讀取θ、ω參數(shù)，并通過(guò)插值函數(shù)T=eval_spline(Cm,θ,ω)求解渦輪的氣動(dòng)扭矩，驅(qū)動(dòng)渦輪部件旋轉(zhuǎn)。

2.2 液壓泵原理分析及動(dòng)力學(xué)建模

RAT液壓泵為斜盤式軸向柱塞泵，結(jié)構(gòu)如圖4所示。因斜盤與主軸具有一定的傾斜角度，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)柱塞繞主軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)柱塞在轉(zhuǎn)子內(nèi)進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)。結(jié)合液壓泵分油盤等機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)液壓泵的吸油、排油功能。

根據(jù)RAT液壓泵各零部件之間的裝配約束關(guān)系，在Motion中設(shè)置液壓泵的運(yùn)動(dòng)副。其主要運(yùn)動(dòng)副如表2所示，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)副、平面副設(shè)置摩擦因數(shù)。

表2 液壓泵主要運(yùn)動(dòng)副Tab.2 The main movement pairs of hydraulic pump

2.3 液壓模式RAT動(dòng)力學(xué)建模及分析

渦輪部件與液壓泵之間由齒輪箱進(jìn)行傳動(dòng)，在Motion模型中，通過(guò)齒輪箱殼體與輸入軸、輸出齒輪之間的2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)置齒輪副，用于模擬齒輪傳動(dòng)功能。建立的液壓模式RAT動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖5所示。

圖5 液壓模式RAT動(dòng)力學(xué)仿真模型Fig.5 RAT dynamic model in hydraulic mode

設(shè)置來(lái)流風(fēng)速80 m/s，t=2 s時(shí)，在渦輪后端加載10 N·m負(fù)載扭矩，運(yùn)行動(dòng)力學(xué)模型。渦輪轉(zhuǎn)速、葉片尖速比、槳距角等動(dòng)態(tài)仿真曲線如圖6所示。由仿真結(jié)果可知：1.5 s后渦輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在6 300 r/min，葉片槳距角為29°。渦輪部件后端加負(fù)載扭矩后，渦輪槳距角減小至25°，葉片氣動(dòng)扭矩增大，渦輪轉(zhuǎn)速可保持穩(wěn)定。仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，渦輪部件動(dòng)力學(xué)模型正確。

圖6 渦輪轉(zhuǎn)速、槳距角動(dòng)態(tài)仿真曲線Fig.6 Simulation curves of turbine speed and pitch angle

在渦輪部件驅(qū)動(dòng)下，液壓泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)柱塞在轉(zhuǎn)子內(nèi)進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)，各柱塞相對(duì)轉(zhuǎn)子的軸向位移曲線如圖7所示?？芍褐谵D(zhuǎn)子內(nèi)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，各柱塞之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系正確。t=2.5 s時(shí)，將斜盤傾角由12°調(diào)整至7°，柱塞軸向位移幅值由8.4 mm減小至5.6 mm，柱塞軸向位移量與理論結(jié)果一致。柱塞軸向運(yùn)動(dòng)周期約為0.009 5 s，折合轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6 315 r/min，與渦輪轉(zhuǎn)速參數(shù)相同，液壓泵動(dòng)力學(xué)模型正確。

圖7 RAT液壓泵柱塞軸向位移曲線Fig.7 Axial displacement curves of RAT hydraulic pump plunger

3 RAT液壓建模

3.1 RAT液壓泵原理分析

RAT液壓泵為柱塞式恒壓變量泵，為減小RAT啟動(dòng)時(shí)間，RAT液壓泵設(shè)置電磁卸荷功能，其工作原理如圖8所示。當(dāng)外部負(fù)載油流需求減小，液壓泵出口壓力增大，控制閥閥芯右移，高壓油液進(jìn)入隨動(dòng)活塞左側(cè)腔。隨動(dòng)活塞推動(dòng)液壓泵斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)，使得斜盤角度減小，液壓泵輸出流量減小，輸出壓力降低，并最終維持在額定壓力。

圖8 RAT液壓泵調(diào)壓、卸荷工作原理Fig.8 Pressure regulation and unloading principle of RAT hydraulic pump

飛機(jī)通過(guò)飛控計(jì)算機(jī)或RAT控制器采集RAT轉(zhuǎn)速信號(hào)，當(dāng)RAT液壓泵主軸轉(zhuǎn)速小于某設(shè)定值時(shí)，飛機(jī)向卸荷閥通電，電磁卸荷閥工作，反之，卸荷閥停止工作，該設(shè)定轉(zhuǎn)速稱為卸荷轉(zhuǎn)速。卸荷閥工作時(shí)，液壓泵輸出油液經(jīng)卸荷閥流入卸荷活塞左側(cè)腔。在卸荷活塞作用下，推動(dòng)控制閥閥芯右移，油液進(jìn)入隨動(dòng)活塞左腔，隨動(dòng)活塞右移，將液壓泵斜盤轉(zhuǎn)向零角度，使得液壓泵處于卸荷狀態(tài)。卸荷閥停止工作時(shí)，卸荷油路截止，液壓泵可正常建壓，對(duì)外輸出額定壓力的高壓油液。

3.2 RAT液壓泵液壓建模及分析

考慮液壓泵斜盤橫向角影響，柱塞相對(duì)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程[6-8]如下：

sec2γ·cosφ]

(3)

液壓泵工作時(shí)，柱塞將軸向液壓力作用在斜盤上，根據(jù)柱塞、斜盤的結(jié)構(gòu)分析，斜盤所受力矩表達(dá)式[9-10]為

(4)

其中：M為斜盤受到的力矩；d為柱塞直徑；Z為柱塞數(shù)量；Pi(φ)為柱塞i的油液壓力；e為斜盤轉(zhuǎn)軸相對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的偏心距。根據(jù)上述分析，利用AMESim仿真平臺(tái)中的功能模塊，建立RAT液壓泵仿真模型如圖9所示。

圖9 RAT液壓泵仿真模型Fig.9 Simulation model of RAT hydraulic pump

設(shè)置液壓泵主軸轉(zhuǎn)速在1 s內(nèi)由0 r/min升高至6 500 r/min，并通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流孔參數(shù)模擬機(jī)上負(fù)載，液壓泵輸出壓力、流量仿真曲線如圖10所示。可知：RAT液壓泵轉(zhuǎn)速小于卸荷轉(zhuǎn)速時(shí)，液壓泵卸荷功能正常，卸荷壓力為(3.5±0.7) MPa。液壓泵轉(zhuǎn)速大于卸荷轉(zhuǎn)速后，RAT液壓泵可正常建壓，輸出壓力穩(wěn)定在(17.2±0.6)MPa，且在負(fù)載變化下，液壓泵輸出壓力穩(wěn)定。仿真數(shù)據(jù)與分析結(jié)果一致，RAT液壓泵液壓模型可靠。

圖10 RAT液壓泵輸出流量、壓力曲線Fig.10 Output flow and pressure curves of RAT hydraulic pump

4 液壓模式RAT聯(lián)合仿真建模及分析

4.1 聯(lián)合仿真接口分析及建模

在液壓模式RAT系統(tǒng)內(nèi)部，可將液壓泵視為渦輪部件的負(fù)載，液壓泵的功率輸出影響了渦輪部件的功率提取效率、轉(zhuǎn)速等。相反地，渦輪的輸出轉(zhuǎn)速、扭矩影響液壓泵的功率輸出性能，液壓模式RAT為機(jī)械與液壓相耦合的綜合系統(tǒng)。

在Motion環(huán)境下建立動(dòng)力學(xué)模型，主要開(kāi)展渦輪部件、液壓泵的動(dòng)力學(xué)計(jì)算。AMESim環(huán)境下建立的液壓模型主要開(kāi)展RAT液壓泵的流體仿真，同時(shí)完成柱塞、斜盤的動(dòng)力學(xué)計(jì)算。根據(jù)動(dòng)力學(xué)和液壓模型特點(diǎn)，兩模型之間的主要接口設(shè)置如圖11所示。

圖11 Motion與AMESim模型數(shù)據(jù)交換關(guān)系Fig.11 Data interchange relationship of Motion and AMESim

在AMESim中通過(guò)Interface icon建立兩模型的接口文件，用于柱塞液壓力、斜盤傾角、主軸轉(zhuǎn)速等信號(hào)數(shù)據(jù)交互。AMESim通過(guò)接口文件輸出柱塞液壓力、斜盤傾角信號(hào)，同時(shí)接收液壓泵主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)，驅(qū)動(dòng)液壓泵運(yùn)行。液壓模式RAT液壓模型及接口如圖12所示。

圖12 液壓模式RAT液壓泵仿真模型Fig.12 RAT hydraulic pump simulation model in hydraulic mode

在Motion中，通過(guò)Two-body Control Output接收AMESim輸出的9個(gè)柱塞受到的液壓力(F1,…,F9)，并將液壓力加載到相應(yīng)的柱塞與轉(zhuǎn)子之間。在斜盤與液壓泵安裝座轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加角度驅(qū)動(dòng)，通過(guò)Joint position driver/Time angle function/CONTRON.NODE讀入AMESim提供的斜盤角度參數(shù)，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)。

動(dòng)力學(xué)模型通過(guò)Two-body control input檢測(cè)渦輪轉(zhuǎn)速ω，并將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)通過(guò)接口參數(shù)Control nodeω傳遞至AMESim液壓模型。

建模過(guò)程中，需根據(jù)Motion模型各柱塞的初始位置，設(shè)置AMESim斜盤子模型中各柱塞的初始角度參數(shù)，確保兩模型的9個(gè)柱塞的初始角度相同，從而保證液壓力正確地加載到動(dòng)力學(xué)模型上。

聯(lián)合仿真模型采用Coupled方式進(jìn)行仿真，以Motion為主求解器，AMESim將液壓模型編譯為.dll文件集成到Motion中，分析過(guò)程由Motion進(jìn)行積分求解。完成求解后，在Motion及AMESim中均可查看相關(guān)的仿真結(jié)果。

聯(lián)合仿真前，在AMESim中確認(rèn)液壓模型可通過(guò)編譯并處于Simulation狀態(tài)，執(zhí)行Write auxilitary file生成.opt文件，用于與Motion的聯(lián)合仿真。設(shè)置兩模型之間的數(shù)據(jù)通信頻率，運(yùn)行Motion動(dòng)力學(xué)模型，系統(tǒng)可驅(qū)動(dòng)AMESim模型開(kāi)展同步仿真計(jì)算。

4.2 聯(lián)合仿真結(jié)果分析

設(shè)置來(lái)流風(fēng)速85 m/s，液壓模式RAT處于小負(fù)載狀態(tài)啟動(dòng)，在時(shí)間為2、3 s時(shí)改變RAT后端負(fù)載，運(yùn)行聯(lián)合仿真模型4 s。

在AMESim中查看仿真結(jié)果如圖13所示?？梢钥闯觯阂簤罕眯逗晒δ苷?，液壓泵在建壓后輸出壓力可穩(wěn)定在17.8 MPa。當(dāng)RAT后端負(fù)載變化后，液壓泵通過(guò)調(diào)節(jié)斜盤角度，可保持RAT輸出壓力穩(wěn)定。

圖13 RAT液壓泵AMESim仿真曲線Fig.13 AMESim simulation curves of RAT hydraulic pump

在Motion中查看RAT液壓泵斜盤偏轉(zhuǎn)角度、渦輪轉(zhuǎn)速、葉片槳距角及葉片氣動(dòng)扭矩曲線如圖14所示。Motion模型中液壓泵斜盤偏轉(zhuǎn)角度與AMESim模型數(shù)據(jù)相同，兩模型數(shù)據(jù)交換正確。

圖14 渦輪部件Motion仿真曲線Fig.14 Motion simulation curves of RAT component

RAT啟動(dòng)初期，渦輪葉片初始槳距角為11°，隨渦輪轉(zhuǎn)速的增加，葉片尖速比增加，葉片提取氣動(dòng)扭矩增大，渦輪轉(zhuǎn)速增加。t=1.3 s，在調(diào)速機(jī)構(gòu)作用下，離心塊座轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片槳距角增大，葉片氣動(dòng)扭矩先增大后急劇減小，到t=1.6 s時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值6 300 r/min，此時(shí)葉片槳距角保持在26.5°。之后，當(dāng)RAT負(fù)載變化時(shí)，調(diào)速機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)葉片槳距角以適應(yīng)RAT負(fù)載的變化，保證渦輪輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

由圖13可知：在t=3 s時(shí)，RAT對(duì)飛機(jī)輸出油液壓力為18 MPa，輸出流量為13 L/min，RAT輸出功率為3.9 kW。由圖14可知：t=3 s時(shí)，渦輪轉(zhuǎn)速為6 300 r/min，葉片氣動(dòng)扭矩為6.78 N·m，渦輪提取功率為4.8 kW。RAT總體效率為0.81，該效率值與液壓泵效率約為0.85的試驗(yàn)值基本一致。

通過(guò)Motion查看RAT液壓泵柱塞1軸向位移曲線與液壓力曲線，如圖15所示。柱塞處于排油階段，柱塞受到高壓油液推力約為1 400 N，柱塞處于吸油階段，柱塞受到液壓力約為0 N。柱塞軸向位移與所受液壓力之間的關(guān)系正確，液壓力與理論值分析一致，液壓模式RAT聯(lián)合仿真模型可靠，仿真數(shù)據(jù)可信。

圖15 柱塞軸向位移與液壓力曲線Fig.15 Axial displacement and liquid pressure of piston

5 總結(jié)

文中分析了液壓模式RAT工作原理，分別在Motion和AMESim環(huán)境下建立了液壓模式RAT的動(dòng)力學(xué)模型和液壓仿真模型。通過(guò)接口文件，形成了基于LMS的液壓模式RAT聯(lián)合仿真模型。

在聯(lián)合仿真模型平臺(tái)上，分析了液壓模式RAT的啟動(dòng)性能、動(dòng)態(tài)調(diào)速性能、液壓泵調(diào)壓性能、輸出功率特性等，計(jì)算了RAT啟動(dòng)過(guò)程、RAT后端負(fù)載變化工況下，液壓模式RAT轉(zhuǎn)速、葉片槳距角、RAT輸出壓力、輸出流量等的動(dòng)態(tài)特性。仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，為液壓模式RAT的研制及仿真計(jì)算提供了技術(shù)支持。