飞机前起落架驱动系统设计与性能分析

飞机前起落架驱动系统设计与性能分析陈炎南京航空航天大学，南京210000摘要：本文以大型民机起落架液压系统为研究对象，结合具体设计要求，采用电力传动技术，设计了一套起落架收放系统的新型驱动系统。本系统还利用一套双余度电控应急方案取代了传统的钢索滑轮应急放机构，并针对其蜗轮蜗杆传动机构进行了初步设计。最后在Virtual.lab和Imagine.lab软件平台上分别建立起落架收放机构及其控制系统的联合仿真模型，并分别对系统在正常收放和应急放模式下的性能进行仿真分析，初步实现了飞机收放系统的机电液一体化仿真。通过本文的研究工作，可以为飞机起落架液压系统的改进提供了一些有价值的经验和结论，为进一步的优化设计和试验工作奠定了的基础，对我国飞机起落架相关设计工作提供了技术支持。关键词：民机起落架、系统设计、VirtualLabMotion、Amesim、联合仿真0前言起落架系统在飞机滑跑起飞、着陆时支撑飞行器重量、承受着当飞机与地面接触时产生的静、动载荷、吸收和消耗飞机在着陆撞击、跑道滑行等地面运动时所产生的能量，在减缓飞机发生振动，降低飞机地面载荷，提高乘员舒适性，保证飞机飞行安全等方面发挥着极其重要的作用，是飞机设计过程中的重要环节。传统的飞机起落架设计中一般采用液压驱动装置。液压系统具有技术成熟、输出功率大、动态响应好、定位精度高的优点，但是由于液压系统采用了集中式液压源，飞机全身布满液压管路、造成其易泄露、易污染、易燃、结构复杂、重量大等问题，同时为了维持输出，液压系统需要工作在连续模式下，这使得其利用率很低，由此可见液压系统的可靠性问题成为了整个飞机系统中的薄弱环节之一，致使飞机不得不采用多余度作动系统，这又带来了重量、体积增加等新的问题。近些年来，随着“功率电传”系统的不断发展，国外提出了“多电或者全电”驱动的设计思路。利用多电/全电技术，广泛采用电力作动器和功率电传技术，可以取代飞机上机械传动、气压、液压和润滑系统，从而大大减少飞机的重量和复杂性，可使飞机的可靠性、维修性、效率、生存能力和灵活性大为改善，同时由于燃油消耗量的减少、飞机出勤率的提高，可明显节省飞行成本。目前，用于飞行控制、环境控制、刹车、燃油和发动机启动系统的电力作动系统已得到验证，国外也已经开始对飞机起落架驱动系统进行研究，他们预测用新型电力作动系统取代原来的液压系统将显着提高起落架系统的可靠性。可以说起落架驱动系统全电化的实现，无论对我国民用还是军用飞机性能的提高都具有重要的意义，是未来飞机起落架系统发展的新趋势。本文以我国大型民机为设计背景，以多电/全电飞机为设计思想，针对飞机起落架驱动系统开展分析、设计和仿真工作，初步形成一套集机电一体化设计、仿真、分析流程。1驱动系统方案设计1.1起落架驱动系统设计要求飞机前起落架驱动系统的主要作用是实现起落架的收放和转弯功能。传统的前起落架驱动系统是通过集中液压源进行驱动的，但随着目前飞机向全电/多电化方向发展的趋势，飞机内不再设有集中液压源，所以原有的液压系统就需要重新设计。以起落架收放系统为例，其设计要求如下：飞机起落架收放系统的主要作用是在飞机起飞离地后，将起落架及起落架舱门收起并上锁，在飞机着陆前，打开舱门控制起落架放下并上锁，是飞机中的关键系统之一。同时，收放系统在起落架收起过程中，能控制起落架及相关部件（如舱门）按顺序开、关。飞机前起落架收放系统的具体设计要求是：1.起落架收放正常平稳，实现落架收上和放下的速度控制及起止点的速度控制；2.起落架与起落架舱门的运动协调；3.应有措施防止起落架意外开锁或不能有效上锁，保证起落架在收上和放下时都能可靠地锁住，并能使驾驶员了解起落架收放情况；4.收放起落架所需要的时间应符合要求，起落架放下时间不能过短，以免过大的机械冲击；收上地时间不能过长，以免妨碍飞机加速；5.收放机构必须协调工作，使起落架、锁、舱门等按一定的顺序工作。6.应有应急释放机构，当主收放机构发生故障时，可以采用应急释放机构将起落架放下。1.2驱动系统方案飞机前起落架驱动系统原理如图1所示，系统可分为五个子系统：1.动力系统2.液压系统3.起落架收放系统4.起落架舱门收放系统5.转弯系统。系统可以实现以下功能：（1）正常收起和放下起落架；（2）应急放下起落架；（3）前轮操纵。注：1—电机；2—双向定量液压泵；3、15—安全阀；4、14—液控单向阀；5—蓄能器；6—转弯电磁阀；7、13—节流阀；8、12、17—单向阀；9—转弯作动筒；10—起落架收放电磁阀；11—舱门收放电磁阀；16、18—应急放电磁阀；19—起落架下位锁开锁作动筒；20—起落架收放作动筒；21—起落架上位锁开锁作动筒；22—舱门收放作动筒；23—舱门上位锁开锁作动筒图1飞机前起落架驱动系统原理图由原理图可见，此起落架驱动系统含有独立的液压源和电动机，定量泵两端直接跟作动筒相连形成闭式回路，定量泵通过联轴器与电机相连，通过对电机进行调速，驱动定量液压泵工作。控制电机的转速，就可以控制系统的流量，这样就可以控制作动筒的输出速度；通过控制电机的转矩，就可以控制系统的负载量。控制器包含数字控制和电机控制两部分，数字控制部分接收飞行员的控制指令和传感器实时数据，以实现回路闭合、系统监控和顺序控制等功能。电机控制部分则响应数字控制部分的指令，对电机进行调速。依据上述起落架驱动系统的原理，并结合驱动系统设计的要求，对整个系统内的关键元器件的参数进行设计，并结合AMEsim软件的系统仿真能力对其进行验证。2前起落架收放系统联合仿真研究本章将基于前面提到的起落架收放原理，利用LMSImagine.LabAMESim与LMSVirtual.LabMotion分别建立起落架的收放控制模型和动力学模型，完成起落架收放系统的联合仿真分析，联合仿真能够弥补单个应用软件的不足，更加准确地反应收放系统实际的工作过程。2.1联合仿真概述LMSImagine.LabAMESim与LMSVirtual.LabMotion可以通过三种方式进行闭环耦合分析：1.Co-Simulation方式；2.Coupled方式；3.FunctionEvaluation方式[，本章采用第二种Coupled方式进行联合仿真，即在Motion软件中调用AMESim软件中的模型进行仿真计算。首先分别在Motion和AMESim软件中建立收放系统的动力学模型和控制模型，然后通过联合仿真接口把起落架收放动力学模型中作动筒的活塞位移、活塞速度作为输入传给收放控制系统模型；而收放控制系统模型则根据输入的参数进行分析计算，从而得出控制作动筒两腔的油液压力及速度，并把作动筒活塞上的力通过接口传给收放动力学模型，动力学模型在该力的作用下带动起落架完成收放，并得出需要输出给控制系统模型的各个参数，如图2所示。图2LMSVirtual.labMotion和LMSImagine.labAMESim数据通信关系2.2收放系统建模2.2.1起落架收放控制系统建模首先根据收放系统的原理图，在LMSImagine.LabAMESim中建立起落架收放控制系统，如图3所示。图3起落架收放控制系统仿真模型该起落架收放模型由动力模块和控制模块组成，动力模块为起落架收放提供动力，而控制模块则通过控制收放系统中各个电磁阀的换向和电机的调速，以及对各个收放过程时间段的间隔进行设定，从而实现起落架的整个收放过程。图4控制系统模型图4是控制模块的仿真模型，图中控制器的作用是接受来自飞行员的收放指令和各个接近传感器的信号并通过逻辑运算来控制起落架电磁阀和舱门电磁阀的信号以及电机的运转方向和速度，使起落架与起落架舱门的按照一定的顺序工作，完成起落架的正常收放。2.2.2起落架收放动力学建模同时在VirtuallabMotion中根据前起落架的运动结构拓扑关系，搭建起落架的收放过程动力学仿真模型，并依据联合仿真的接口设置原则，在Motion中设置相应的输入输出端口，建立好的模型如图5所示。图5LMSVirtual.labMotion中起落架收放动力学模块2.3联合仿真分析2.3.1正常收放仿真分析如下图所示，可以看出一开始起落架处于放下位置，系统从3s开始响应起落架收上信号：首先舱门放下，时间为2s，放下到位后，起落架收起，时间为8.3s，起落架收起到位后，舱门收起，时间为1.9s。整个收起过程从开始响应到15.2s为止，一共耗时12.2s。从17s开始响应起落架放下信号：首先舱门放下，时间为2s，放下到位后，起落架放下，时间为8.5s，放下到位后，舱门收起，时间为2s，整个放下过程从开始响应到29.5s为止，一共耗时12.5s。这样，整个仿真过程就完成了起落架从放下状态到收起状态、保持收起状态，再到放下状态、保持放下状态的一个循环。从图中还可以看出，在起落架收起快要结束时，作动筒位移的斜率明显减小，这是为了防止由于起落架收起速度过快，对上位锁造成损坏，所以在起落架收起过程的末端，通过控制电机速度，使电机转速降低，这样使作动筒内流量减小，因此收放作动筒活塞杆的速度就可以减小。图6起落架与舱门收放作动筒位移随时间变化曲线图7起落架和舱门收放作动筒的载荷和压力输出结果由上图可知，对于起落架收放作动筒来说，由于活塞杆受到的载荷随位移变化，所以无杆腔与有杆腔的压力随着起落架收起或者放下过程时时变化。在收起初始阶段起落架有杆腔的压力由0.75MPa增大至13.5MPa，之后，有杆腔的压力推动活塞杆做功从而克服起落架的质量力、气动力及惯性力等开始收起。因为一方面质量力矩随着位移越来越大，另一方面收放作动筒的作用力臂随着位移越来越小导致载荷的加大，因此作动筒内无杆腔的压力也增大，直至起落架收起。在起落架收起后由于仿真中没有实际收放机构中的上位锁，因此在仿真中给作动筒一定的反方向作用力来模拟上位锁在收起后对起落架的支持作用，使作动筒保持在收起状态。此时作动筒有杆腔和无杆腔都与蓄能器直接相连，压力为0.98MPa。起落架放下与收上过程相反，无杆腔开始进油而有杆腔回油，因此腔内压力反向也会产生瞬间压力差，作动筒载荷会出现了一个激增力。之后无杆腔的压力推动活塞杆，节流阀控制放下速度，起落架缓慢放下，直至下锁位上锁。2.3.2应急放仿真分析当起落架正常收放系统失效时，应急放控制模块接受应急放指令，使应急电磁阀断电，同时应急放控制器发送信号给应急放传动机构，打开前起落架上位锁和舱门上位锁，起落架和舱门会在气动载荷和重力的共同作用下一起放下。同时，设计要求舱门和起落架在应急放下的时候速度不能过快，以免对结构产生冲击，同时舱门的打开速度要比起落架放下的速度快，使两者不发生干涉，可以通过调节节流阀阻尼孔的直径来控制起落架和舱门的打开速度。通过一定的调整后，舱门完全放下的时间为2.5s，起落架放下的时间为10s，如图8所示。图8起落架与舱门收放作动筒位移随时间变化曲线3结论本蚊基于LMSVirtual.labMotion和LMSImagine.labAMESim软件平台，详细建立了前起落架收放动力学模型和控制系统模型，利用两个软件之间无缝的通信接口，实现收放系统的联合仿真，仿真完成了对正常收放和应急放的功能验证，结果表明联合仿真模型合理有效，达到了设计要求。参考文献[1]董慧芬.复合式余度机电作动系统控制策略的研究[D].北京:北京航空航天大学,2006.[2]罗昀，付永领，裴忠才，等.机载一体化作动系统的发展趋势[J].机床与液压,2004,(01):1-3.[3]寇发荣，方宗德.电动静液压作动器EHA及其在汽车主动悬架中的应用[J].机床与液压,2007,35(4):129-131.[4]胡务农，胡长胜.电静液作动器新概念[C].中国航空学会液压气动专业2005年学术讨论会论文集.2005:6.[5]朱新宇，彭卫东.多电飞机及其技术应用[J].中国民航飞行学院学报,2007,(06):8-11.[6]李军，付永领，王占林，等.一种新型机载一体化电液作动器的设计与分析[J].北京航空航天大学学报,2003,(12):1101-1104.[7]王复华.多电飞