基于AMESim的带自动回中功能液压系统研究

2019-10-17

液压与气动 2019年10期

(航空工业庆安集团有限公司航空设备研究所，陕西西安 710077)

引言

战斗机历来是空中力量的中坚。未来先进战斗机要求具有良好的操纵特性和机动性能[1]。推力矢量技术是针对提高战斗机的机动性和敏捷性而提出的。推力矢量控制技术是指推进系统除为飞机提供前向推力外，也能同时或单独在飞机俯仰、偏航、滚转和反推力方向提供发动机内部推力，用于全部或部分取代飞机舵面或其他装置产生的外部气动力来进行飞行控制[2]。其优点是只要飞行器处于推进阶段，即使在高空飞行或低速飞行段，都能对飞行器进行有效地控制，而且能获得很高的机动性能[3]。实现推力矢量技术的主要方式是采用矢量喷管，通过改变喷气流方向使推力方向发生变化，配合辅助的升力装置和气动舵面，使推力矢量飞机兼备固定翼和直升机的特点，可以在狭小的场地上进行垂直或者短距起降[4]。矢量喷管的应用极大地增加了飞机在导弹追踪下的生存几率，提高飞机起飞和降落性能。当前，矢量推力技术的最新突破，体现在新型合成射流作动器的研制成功[5]、气体热力学特征对矢量推力性能影响的评估[6]、基于离子推进器移动网格的矢量推力系统设计[7]、基于空气动力学和矢量推力的栖息轨迹优化[8]等方面。

带有自动回中功能的出口面积调节作动系统是矢量喷管控制系统的执行机构之一，用于实现矢量喷管出口面积调节以及矢量偏转功能[9]。目前，国内外对故障后自动回中液压系统设计技术的相关研究较少[10]。芦海洋等[11]提出了一种回中结构设计方法；任濬哲等[12]提出了一种结构相对紧凑的具有回中功能的液压作动器，但其从本质上仍然需要在控制系统的控制下回复至中位。

本研究在分析了一种无需控制系统控制的具有自动回中功能的液压系统，利用AMESim软件搭建实际使用的出口面积调节系统的液压系统模型，通过仿真分析，实现系统的自动回中功能设计；同时，对回中位置的影响因素进行分析，可为产品回中小孔的设计与系统调试提供一定指导作用。

1 系统概述与分析

1.1 工作原理

由于实际应用中不能保证喷管矢量控制始终在安全状态下工作，因此喷管控制系统一旦失效，矢量喷管的控制需降级到应急回中控制状态[13]。因此，喷管出口面积调节系统的工作模态主要有两种，分别是正常工作模态和故障工作模态。系统工作原理如图1所示。该系统主要由电液伺服阀、电磁阀、模态转化阀和作动器组成。工作模态之间的切换是通过电磁阀来控制模态转换阀不同的油液分配模式来实现的。当电子控制器发出故障回中信号或者切断控制信号时，系统从工作模态切换至故障工作模态，矢量喷管作动筒自动回中[14]。

正常工作模态下，模态转换阀阀芯处于左位。此时，系统属于电液伺服控制系统。电子控制器控制电液伺服阀的阀芯移动，从而控制油路的切换，实现对作动器的伸出缩回控制。通过作动器中的LVDT反馈给电子控制器，实现闭环控制。

图1 系统原理图

故障工作模态下，电子控制器发出故障指令或切断控制指令，电磁阀断电后，模态转换阀左侧压力为0，模态转换阀阀芯在右腔高压油压力的作用下，移动到右位，完成油路的切换。此时电液伺服阀断电处于中位，系统压力油通过模态转换阀，分别与作动器两腔沟通，回中小孔与回油油路沟通，使作动器在任何位置下，都能回到安全中位位置。

1.2 功能原理

自动回中液压作动器是在作动器的中部位置加工几个对称的小孔，并与回油口相通，作动器两腔通过固定节流孔分别于系统压力ps相通，进入左腔的高压油通过回中小孔部分流回油箱[15]，如图2所示。回中时，高压油进入作动器两腔，由于左腔的作用面积大于右腔的作用面积，因此活塞向右腔一侧移动；当回中小孔在左腔一侧时，由于回中小孔流量的流出，使得左腔的压力小于右腔，活塞向左腔一侧移动。当活塞到达中位时，左腔由于回中小孔的回流，使左腔的压力等于右腔的压力。通过调节回中小孔与活塞间的开口度来调节活塞两腔平衡后的位置。图2中p1和A1为左腔压力和活塞面积，p2和A2为右腔压力和活塞面积，活塞达到平衡后可列出流量公式以下公式：

(1)

(2)

(3)

p1·A1=p2·A2

(4)

式中，Cd—— 流量系数

f1—— 左腔节流小孔面积

f2—— 右腔节流小孔面积

f3—— 回中小孔开口面积

ps—— 系统供油压力

pr—— 系统回油压力

图2 活塞在回中位置时示意图

当活塞两端受力达到平衡处于中位时，Q2=0，Q1=Q3，可得到下式：

(5)

(6)

由此可得：

(7)

(8)

由《液压工程手册》中可得上式。式中R为回中小孔直径，x为活塞与回中小孔之间的开口度，n由为小孔数量，工程中, 通常将这样的大孔按面积总和相等的原则分解为若干个小孔，此处取n=3，由此可计算出，当活塞到达中位时，作动器活塞与回中小孔之间的开口度。

由上式可以看出，当系统压力和回油压力一定时，作动器活塞与回中小孔之间的开口度x与A1腔的阻尼小孔面积f1有关。

2 AMESim仿真系统建模

喷管出口面积调节系统属于电液伺服控制装置，本系统为高精度位置伺服系统。作动器采用非对称腔结构形式，根据功能和性能要求，可选用AMESim中液压元件库中的液压模型搭建符合研究要求的模型，在模型中的关键参数可根据产品技术要求进行设定。

1) 模态转换阀模型建立

模态转换阀是1个二位十通液压换向阀，其主要功能是切换液压油路，使系统在正常工作模态和故障工作模态之间切换。AMESim中提供了超级元件建模模块，能够将液压库中一组已有的元件经过组合后，将它们“压缩-打包”成一个新的组件，实现将其作为一个正常的AMESim元件使用，来替代这组元件实现其功能。

根据模态转换阀的功能和结构特点，可用5个二通阀组合来实现模态转换阀功能，如图3所示。12口和电磁阀出口相接，6口和进油口相接，正常工作模态下，6口压力大于12口的进油压力，转换阀处于左位，控制作动器伸出和缩回；故障模态下，电磁阀断电，则12口压力为0，此时转化阀处于右位，作动器两端同时通高压油，使作动器活塞自动回到中位。

图3 模态转换阀模型

2) 系统模型的建立

根据上述转化阀模型和系统工作原理图，利用AMESim软件中的液压库、液压元件库、机械库、信号库等搭建的液压系统仿真模型[16]，如图4所示。

3) 仿真参数的设定

利用AMESim软件建立液压系统模型后，具体参数设置如表1所示。

图4 液压系统仿真模型

项目参数参数值油液密度/kg·m-3850油液绝对黏度/cP51油液弹性模量/MPa1700系统供油压力/MPa21系统回油压力/MPa0.6系统流量/L·min-1110额定电流/mA±40阀芯位移的无阻尼自然频率/Hz500阀芯位移的阻尼比0.8作动筒活塞直径/mm75作动筒左腔活塞杆直径/mm20作动筒右腔活塞杆直径/mm30进、出油口阻尼小孔直径/mm1.1回中小孔直径/mm1.8活塞与回中小孔之间的开口度/mm0.4活塞位移/m0.085

3 数字仿真与结果分析

对模型进行参数设定后，按发动机指令要求给系统输入指令信号，先观察正常工作模态下的阶跃特性是否符合设计要求。系统达到要求后，从正常工作模态切换至故障回中模态，即电磁阀和电液伺服阀断电，转换阀在油压的推力下切换至右位，当活塞在中位时或者在伸出、缩回时，作动器活塞都应在行程中位停止，误差不大于系统规定值。最后，通过改变回中小孔的位置、开口度等参数，确定系统回中位置的影响因素。

1) 系统功能特性

根据系统要求，正常工作模态下，在空载下给电子控制器输入10%额定指令的阶跃指令后，要求系统延迟时间td≤0.02 s，上升时间tr≤0.1 s，调整时间ts≤0.3 s，超调量σ≤0.97%，稳态误差ζ≤0.2%。系统阶跃响应曲线如图5所示。

图5 系统阶跃响应曲线

通过仿真图形可得，系统在10%额定指令下，系统延迟时间为td=0.012 s，上升时间tr=0.098 s，调整时间ts=0.098 s，稳态误差ζ=0.13%，均满足系统要求。

在各个参数一样的情况下，对有回中小孔和无回中小孔的阶跃响应曲线进行对比，将上升阶段的部分放大后，可得到图6所示。

图6 有回中小孔和无回中小孔阶跃曲线部分放大对比图

由图中可得出有回中小孔与无回中小孔对系统的影响不大。

2) 自动回中功能实现

当系统稳定后,切换至故障工作模态。分别从活塞在作动器中位时，和活塞在伸出过程和缩回过程时的几种情况进行仿真，要求系统位置误差不大于0.2%。

当作动器活塞在中位时，接收到回中指令，活塞在轻微震荡后达到中位，系统仿真如图7所示。此时，活塞与回中小孔之间的开口度为0.4 mm，误差ζ远远小于 0.2%。

图7 活塞初始位置在中位时故障回中曲线

当作动器活塞在收起伸出时，接收到回中指令，活塞在轻微震荡后达到回中位置。分别在t=0.4, 0.8 s即作动筒伸出时，和t=1.4 s, 1.8 s即作动筒收回时，接收到回中指令后系统回中位置仿真曲线，如图8所示。此时，活塞与回中小孔之间的开口度均为0.4 mm，伸出过程和缩回过程的回中位置误差ζ=0.15%，均满足位置误差要求。

图8 作动器伸出/缩回过程时故障回中曲线

由仿真曲线可以看出，当活塞在任意位置时，当切换到故障模式时，作动器均能回到中位，此时的开口度为均为0.4 mm；作动器在伸出或缩回过程中，切换至回中位置后的位置误差均不大于0.2%。

3) 回中位置的影响因素

在所有设定参数不变得情况下，对开口度尺寸分别设置x为0.2, 0.4, 0.6 mm时进行测试，对比后将回中位置处的曲线放大后，可得到回中位置仿真曲线如图9所示。

图9 开口度不同时故障回中曲线

由仿真图形可看出：当x=0.2 mm时，回中时间2.8 s，回中位置42.755 mm。

当x=0.4 mm时，回中时间2.83 s，回中位置42.555 mm。

当x=0.6 mm时，回中时间2.87 s，回中位置42.355 mm。

由回中位置可计算出，当x=0.2 mm时，回中位置误差ζ=0.47%；当x=0.6 mm时，回中位置误差ζ=0.47%，均大于系统要求的误差值0.2%；当x=0.4 mm 时，回中位置误差ζ=0.13%，满足系统位置误差要求。

由以上分析可得，回中位置与开口度的大小有关，开口度越大，回中时间越长，回中位置误差越大。

在所有设定参数不变得情况下，开口度为0.4 mm时，对两腔进出油口节流口尺寸和分别设置为1.1 mm和3 mm，对系统进行仿真后，可得到回中位置仿真曲线图10所示。

图10 进出油口孔径不同时故障回中曲线

图10中曲线2为节流孔径为1.1 mm时的回中位置曲线，回中时间为2.75 s，回中位置42.555 mm，回中位置误差ζ=0.13%，不大于要求值0.2%，符合位置误差要求。

图10中曲线1为节流孔径为3 mm时的回中位置曲线，回中时间为1.2 s，回中位置42.402 mm，回中位置误差ζ=0.23%，大于要求值0.2%，不符合位置误差要求。

由仿真图形可看出，回中位置与进油口孔径的大小有关，当孔径越大，回中时间越快，但回中误差越大。

当更改回中小孔直径1.8 mm后，所得到的仿真图形与图8一致，由于活塞厚度远大于回中小孔直径，则回中位置与回中小孔直径无关。

由此可得出，当回中位置确定的情况下，回中位置与进油口的孔径有关，与活塞和回中小孔的开口度有关。

4 试验及结果分析

首先将作动器与控制装置连接，然后通压，闭环控制。给试验控制器分别输入±5 V阶跃指令信号，电磁阀、电液伺服阀断电，分别测量产品在各个位置向回中位置运动时，活塞杆在稳态(如图11所示)移动下的平均速度。系统要求回中位置42.5 mm，位置误差不大于0.2%。

表2 试验数据统计表

由表2可知，开口度为0.4 mm和进出油孔径为1.1 mm时，回中位置和回中精度均能满足系统的要求。当进出油孔径变为3 mm时，回中速度明显变快，但回中过程有明显震荡。

图11 产品位移、时间变化曲线

由试验结果可知，当开口度和进出油孔孔径一定时，带有回中小孔的作动器均可实现作动器自动回中。由于无杆腔的面积略大于有杆腔的面积，因此缩回过程的回中速度略小于伸出过程的回中速度。当节流孔直径不变时，开口度越大，回中速度越慢，回中时间也越长。当开口度不变时，节流孔直径越大，回中速度越快，回中时间也越短。试验结论与仿真结论基本吻合。