基于AMESim的某型飞机液压系统仿真研究 - 文章

基于AMESim的某型飞机液压系统仿真研究

作者：唐毅魏鑫曹克强

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摘要：本文以某型飞机液压系统为研究对象。采用AMESim4.0通用液压分析软件对液压系统建模仿真。分析了液压系统改装前后系统压力及动作筒行程的变化。该文的仿真曲线与真实的液压系统工作曲线基本吻合，从而证明了建模的合理性，所进行的数字仿真也为飞机液压系统的改进提供了一定的理论依据。
关键词：飞机;液压系统；建模与仿真

引言

某型飞机由于改装需要，原冷气系统改由液压系统驱动。液压系统是飞机的主要操纵系统，对系统的安全性和操纵性要求都很高。对液压系统的改动应以不降低原液压系统的性能为前提。由于改装后液压系统要为冷气系统提供驱动，增加了液压系统的输出功率，同时也改动了液压系统的管路。

改装计划：飞机上的液压泵与冷气泵都分别安装在左右发动机的附件传动机构上，两者在飞机上的安装距离比较近。应此从两个主液压泵的出口处分别引出一根分支管路，通过单向活门连接一个液压马达带动冷气系统工作。

由于液压系统本身的输出功率较大，在飞行及着陆阶段使用频繁，且液压系统本身对飞机的操纵性及安全性影响很大，在改装之前应通过仿真计算确定改装是否影响了液压系统的操纵性及安全性。

由于液压系统各个状态的输出功率各不相同，所以在本文分析时采用液压系统的最大输出功率状态进行计算，如果此时液压系统能圆满完成规定功能，则认为改装成功。

1、AMESim软件介绍

1.1软件简介

AMESim是法国IMAGINE公司于1995年推出的专门用于液压/机械系统的建模、仿真及动力学分析的软件,该软件包含了IMAGINE的专门技术并为工程设计提供交互能力。AMESim为流体动力(流体及气体)、机械、热流体和控制系统提供一个完善、优越的仿真环境及最灵活的解决方案。使用户能够借助其友好的、面向实际应用的方案,研究任何元件或回路的动力学特性。还可以通过模型库的概念来实现,而模型库可通过客户化来不断升级和改进。AMESim在航空航天工业汽车制造和传统液压行业等领域得到了广泛的应用。

1.2 该软件具有的特点

(1)图形化物理建模方式使得用户可以从繁琐的数学建模中解放出来从而专注于物理系统本身的设计。(2)智能求解器能够根据用户所建模型的数学特性自动地在17种算法中选择最佳的积分算法!并在不同的仿真时刻根据系统的特点动态地切换积分算法和调整积分步长，以缩短仿真时间和提高仿真精度。（3）仿真范围广，实现了多学科的机械、液压、气动、热、电和磁等领域的建模和仿真，且不同领域的模块之间可直接进行物理连接。（4）基本元素理念确保用户用尽可能少的单元构建尽可能多的系统。 (5)AMESet为用户提供了一个标准化、规范化和图形化的二次开发平台。（6）保留了数学方程级、方块图级、基本元素级和元件级4个层次的建模方式，不同的用户可以根据自己的特点和专长选择自己的建模方式或多种方式的综合使用。（7）提供了线性化分析工具（如系统特征值求解、Bode图、Nichols图、Nyquist图、根轨迹分析）、模态分析工具、频谱分析工具（如快速傅里叶转换FFT、阶次分析Order Analysis、频谱图Supectral maps）以及模型简化工具，以方便用户分析和优化自己的系统。（8）具有动态仿真、稳态仿真、间断连续仿真以及批处理仿真多种仿真运行模式。（9）提供了丰富的和其他软件的接口，如控制软件接口（Matlab/Simulink）、多维软件接口（Adams&Simpack、VirtualLab Motion、3D Virtual）、编程语言接口（C或Fortran）、实时仿真接口和优化工具接口。

2、液压系统模型的建立

2.1飞机液压系统的构成

该型飞机的液压系统包括领个独立的系统：包括主液压系统和刹车液压系统两部分。主液压系统用来正常收放起落架、开关弹舱门、操纵前轮转弯和操纵风挡刷；刹车液压系统，用来操纵刹车（包括正常刹车和应急刹车）；当主液压系统不能正常供压时，还可用来应急收放起落架和应急关闭弹舱门。本文重点分析的是主液压系统。

飞机液压系统的工作状态可分为地面滑跑、起飞、空中飞行及着陆等几个阶段。其中在地面滑跑阶段中，液压系统主要用来操纵前轮转弯和刹车系统。空中飞行阶段中，液压系统主要用来操纵传动风挡刷和开关弹舱门。在起飞着陆阶段，液压系统主要用来收放起落架。由于收放起落架所需功率较大，容易导致液压系统输出功率不够，且收放起落架都在飞行过程中，对飞机的安全性能影响极大。所以本文以起飞着陆阶段为研究对象，研究改装后液压系统的可操纵性及可靠性。

2.2液压泵及冷气泵的性能参数

主液压泵的性能参数如下：液压泵安装在左、右发动机的飞机附件传动机匣上，是一个可变流量的柱塞式油泵。在发动机的带动下，向系统供给高压油液。在转速为2000 50转/分时，出口压力为零时，实际流量为33升/分；当出口压力增加为13.5MPa时，实际流量下降为31升/分；出口压力为15 0.75MPa时，供油流量不少于28升/分。

根据液压泵功率计算公式N=P*Q可知，液压泵输出功率为：

考虑液压泵的效率及储备功率，在仿真时取液压泵的功率为10KW，输入转矩为40N.m。

飞机冷气泵的性能参数如下：两个冷气泵分别安装在左、右发动机的右附件传动机构上。在发动机的带动下向冷气瓶和系统充填冷气。该冷气泵为两缸、三级增压式冷气泵。当泵转速为2000 50转/分（相当于发动机的转速为4700转/分），进气压力为1公斤/厘米2（绝对压力）时，填充容积为8升的冷气瓶，使瓶内的压力由0增大到15MPa，或填充容积为30升的冷气瓶，使瓶内的压力由12MPa增大到15MPa，所需要的时间不超过30分钟。由压缩机功率计算公式（1-3）可得，冷气泵的输出功率N为

考虑到泵的效率及储备功率，在仿真时，取冷气泵的输入功率为1.5KW。在AMESim中建立模型如图1－1。

图1-1液压系统原理图
（1）液压泵（2）节流阀（3）单向活门（4）油虑（5）安全活门（6）稳压器（7）流阀（8）起落架转换开关（9）起落架动作筒

3、原液压系统的仿真及分析

3.1液压系统收放起落架的性能要求

当液压系统正常工作时，液压泵处于卸荷状态，液压系统的压力维持在15MPa,系统通过节流孔2回油，维持液压泵自身的润滑及散热。 8为起落架转换开关，开关位于中立位置时油路断开；处于放下位置时，起落架放下；位于收上位置时，起落架收上。

在正常放起落架的过程中，系统要求如下：系统压力先由最大降至7～8MPa，然后随着起落架的放下而逐渐升高，当压力达到13MPa时，起落架应完全放好。此时，油液不再进入收放动作筒，系统压力迅速升高到15MPa。正常放下起落架的时间不超过45秒。

正常收起落架的过程中，系统要求如下：当按下收上按钮后，系统压力从最大降到7～8MPa，随着起落架的收起，压力逐渐升高，当压力达到13MPa时，起落架被收上，此时油液不再进入收放动作筒，系统压力迅速升高到15MPa。正常收上起落架的时间不超过45秒。

3.2放下起落架

当转换活门位于放下位置时，起落架放下，起落架动作筒行程曲线及系统压力曲线见图1－2，1－3。

由图1-2、1-3可知，当系统处于稳定状态时，系统压力为15MPa。当起落架开关处于放下位置时，起落架开始放下，系统压力由15MPa降至8MPa，然后随着起落架的放下而逐渐升高，当压力达到13MPa时，起落架完全放下。此时，油液不再进入收放动作筒，系统压力迅速升高到15MPa，起落架开关回中立。放下起落架的时间为38秒。模型参数符合实际系统需求。

3.3收上起落架

当转换活门位于收上位置时，起落架收上，起落架动作筒行程曲线及系统压力曲线见图1－4，1－5。

图1－4 收上起落架动作筒行程变化曲线

图1－5收上起落架系统压力变化曲线

由图可知，收上起落架时，液压系统各项参数符合飞机性能要求。收上起落架的时间为40秒。

可知，建立的液压模型与实际系统相吻合，模型建立比较成功。

4、改进后的系统分析

4.1液压系统的改进

当冷气系统改由液压泵驱动时，实际在液压泵上增加了一个功率为1.5KW的负载。为简化运算，对增加的冷气系统用一个固定的负载代替。系统改进后的模型结构如图1－6。

图1-6 改进后的液压系统原理图
（1）液压泵（2）节流阀（3）单向活门（4）油虑（5）安全活门（6）稳压器（7）节流阀（8）起落架转换开关（9）起落架动作筒（10）冷气泵（11）冷气系统负载

4.2放下起落架

放下起落架时动作筒行程及系统压力变化曲线如图1－7，1－8

由图1-7、1-8可知。当液压系统驱动冷气系统之后，放下起落架时系统压力下降至8MPa，放下起落架的时间增加为41秒。仍然在正常的范围内。

4.3收上起落架

收上起落架时动作筒行程曲线及系统压力变化曲线如图1－9，1－10。

由图1-9，1-10可知，收上起落架的时间及系统压力的变化仍然在规定的范围内。但应该注意到，液压系统需用43秒才能收上起落架，此时已经处于规定性能参数的下限。当液压泵性能老化，泄漏量增加，导致输出油液减少时，很可能导致放下起落架超时，影响飞机的操纵性能，成为飞机的安全隐患。为保证飞机的操纵性及飞行的安全性，应在平时的机务维护中加强检查，如发现液压泵性能下降，应及时予以维修及或更换。或者考虑更换液压泵，增大液压泵的输出功率，保证飞机的操纵性，杜绝安全隐患。

5、结论

本文通过利用AMESim软件搭建模型，过某型飞机液压系统进行仿真。分析了某型飞机液压系统改进前后的起落架动作筒行程及系统压力变化情况。仿真数据和结果与实际情况相吻合。论证了飞机改装计划的可行性，对飞机的改装工作具有参考作用。

参考文献
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[2]李永堂.液压系统建模与仿真.冶金工业出版社
[3]沈兴全，吴秀玲.液压传动与控制.国防工业出版社
[4]徐少明.空气压缩机实用技术.机械工业出版社.
[5]李壮云,葛宜远.液压元件与系统.机械工业出版社
[6]袁子荣.液气压传动与控制.重庆大学出版社
[7]空工院.飞机构造讲义.机械工业部(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/22/2007)


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