基于AMESim的飞机主起落架缓冲器建模与缓冲性能分析

2022-01-18张国健郭金中王祥瑞

机械工程与自动化 2021年6期

关键词：单腔双腔缓冲器

张国健，梁全，郭金中，王祥瑞

(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 110870)

0 引言

飞机起落架主承飞机大部分重量，在飞机的起降、牵引与转弯中有着不可替代的作用。据分析，飞机降落产生的载荷75%都是被飞机缓冲器吸收的[1]。

油-气缓冲器效率高吸收能力好，被现代大多数飞机所采用，其分为单腔缓冲器与双腔缓冲器，其中，双腔缓冲器的应用多一些。

目前，飞机内部的双腔缓冲器性能还需要再进行优化，由于没有准确的模型，因此需要针对这一点搭建一个双腔缓冲器模型；缓冲器内部关键参数众多而且在分析时还会相互影响，这对性能的优化产生了很大的影响，所以相关学者通过应用模型来分析影响缓冲性能的主要参数。

近几年随着计算机技术突飞猛进的发展，许多动力学仿真软件应运而生，如ADAMS与AMESim就是具有代表性的两个软件。刘默涵[2]应用AMESim软件实现了对缓冲器液压部分的控制；关理想等[3]利用AMESim软件建立了精确的起落架数学模型，为缓冲分析提供了前期的准备；张子豪[4]利用落震模型检验出了摩擦力对模型的影响。本文应用AMESim软件进行搭建双腔缓冲器模型的尝试[5]。

1 飞机主起落架双腔缓冲器结构设计

经过多次分析研究，设计的飞机双腔缓冲器结构如图1所示。

图1 双腔缓冲器结构原理图

在缓冲器仿真过程中，需要准确模拟飞机降落过程受到的负载。缓冲器工作时的载荷F主要包括空气压缩产生的空气弹簧力Fa、油液挤压产生的阻力Fh、缓冲支柱与缓冲器壳体间的摩擦力Ff。

1.1 空气弹簧力Fa

缓冲器工作时，气体压缩可以是等温的，此时多变指数γ取值为1；也可以是绝热的，多变指数γ取值为1.4；还有一种最复杂的情况——多变的，此时的多变指数γ取值为1～1.4。油气缓冲器压缩时间极短，瞬间就会完成，其热量来不及散出，故为绝热过程。但是，油液被挤压时，会在挤压力的作用下喷溅进入空气腔，与空气腔中的空气混合，从而发生强烈的热交换，在这个过程中，气体也会沿着通道进入油液腔，由此得出气体的压缩为多变过程。所以多变指数γ在全程压缩过程中取平均值1.2。通过热力学公式推出单腔缓冲器空气弹簧力Fa的计算公式为：

(1)

双腔缓冲器的工作方式在只有低压腔工作时与单腔缓冲器的工作方式相一致，当活塞杆走过一定的行程之后，低压腔的压力达到高压腔的最低压力界限时，推动浮动活塞来启动[6]。这时，高压腔与低压腔的腔体体积合为一体，使得腔体体积在一定程度上加大，间接降低了载荷。根据双腔缓冲器的工作原理，可以用分步计算法计算空气弹簧力，在高压腔工作的转折点进行分段，在不考虑油液可压与体积膨胀的前提下，其空气弹簧力Fa的计算公式如下：

(2)

1.2 油液阻尼力Fh

飞机阻尼的大小与油液通过油孔的速度相关。在缓冲器工作初期瞬时速度大，油孔需要大一些；等到停机位置附近，瞬时速度比较小，为避免过小的阻尼，需要小油孔。因此，需要通过变油孔调节过载，以提高起落架的使用寿命[7]，同时应用侧油孔来维持高、低压腔的压力平衡。应用伯努利方程与局部压力损失理论，联合推导的油液阻尼力Fh的计算公式为：

(3)

1.3 摩擦力Ff

飞机缓冲器的摩擦力来源有两个，其一为缓冲器内部的摩擦力Ff1，也叫皮碗摩擦力，其计算公式为：

(4)

其中：μm1为皮碗摩擦因数。

其二为缓冲支柱弯曲引起的缓冲器结构摩擦力Ff2，其计算公式为：

(5)

其中：μm2为缓冲器弯曲摩擦因数；Nu、Nl分别为缓冲器在产生挠度时上、下支撑点受到的正压力。

综上所述，缓冲器总摩擦力的计算公式可以整理为：

Ff=Ff1+Ff2.

(6)

(7)

2 双腔缓冲器仿真模型搭建

2.1 静态模型搭建

搭建缓冲器模型过程中，首先建立静态模型，这有助于对建立的模型基本特性进行研究，并通过载荷-行程的缓冲特性来判断模型的正确性[8]。双腔缓冲器静态特性仿真原理如图2所示。

图2 双腔缓冲器静态特性仿真原理图

施加斜坡力信号后，大、小活塞位移曲线分别如图3、图4所示。

由图3和图4可以发现，开始压缩的第一阶段，只有大活塞本身被压缩，转折点之后是压缩第二阶段，为大、小活塞一起压缩，最后的阶段大活塞基本不动，说明大活塞的行程已达到位移极限。在小活塞位移的初始阶段，虽然其位移是在后退，但是相对大活塞却并没有移动，在曲线变化缓慢的阶段才是小活塞真正开始被压缩的过程。由此得出的双腔缓冲器位移-负载曲线如图5所示。

分析图5发现，该缓冲器表现出了两段压缩的特性，从侧面证明了该双腔缓冲器模型的正确性。