航空發(fā)動機反推作動系統(tǒng)的AMESim-Simulink控制仿真

田楊濤, 袁 杰, 徐洋洋, 劉 通

(航空工業(yè)慶安集團有限公司, 陜西 西安 710077)

引言

航空發(fā)動機反推作動系統(tǒng)作為反推系統(tǒng)的重要組成部分,用于控制反推裝置的展開/收起過程,改變發(fā)動機外涵氣流方向,幫助飛機在著陸后或中斷起飛時產(chǎn)生反推力[1-2],以此來降低飛機滑行速度,縮短滑跑距離,保證飛機在降落或緊急終止起飛時的安全。

目前, 國外針對航空發(fā)動機反推作動系統(tǒng)的研究相對較多,而且發(fā)展趨于成熟;國內(nèi)關于此方面的研究報道較少。朱勇[3]針對A330飛機發(fā)動機的控制機理進行了詳細分析,旨在讓研究者更好的了解系統(tǒng)功能,快速排出故障;柯杰等[4]對反推力裝置作動系統(tǒng)的構架和控制原理進行權衡分析,闡述了其在研制中需考慮的因素;張云浩等[5-6]進行了葉柵幾何參數(shù)以及起動/結構耦合設計;文獻[7-9]針對反推力裝置的氣動性能開展了研究,并進行了相關的優(yōu)化設計;尹樹悅等[10-12]研究者針對反推力裝置進行了安全性設計研究,介紹了反推作動系統(tǒng)的三道控制防線設計,并提出了優(yōu)化方案;楊向群[13]針對發(fā)動機反推作動器的卡滯故障進行了詳細研究分析。

以往研究大多基于反推作動系統(tǒng)及部件的設計研究和分析,針對系統(tǒng)級的研究多數(shù)表現(xiàn)在安全性分析層面,而對整個反推作動系統(tǒng)的性能研究相對較少,目前僅西安電子科技大學的陳永琴做過部分仿真研究,主要研究了絲杠導程角、蝸輪蝸桿減速比等幾何參數(shù)的影響[14]。

本研究以航空發(fā)動機C型葉柵式反推作動系統(tǒng)為研究對象,根據(jù)反推作動系統(tǒng)工作原理,建立運動數(shù)學模型,采用AMESim和Simulink軟件聯(lián)合創(chuàng)建系統(tǒng)仿真模型[15-16]。為了避免反推作動系統(tǒng)展開末端由于作動器的機械碰撞造成系統(tǒng)劇烈振動,該仿真模型將作動器的緩沖裝置模型嵌入至系統(tǒng)模型中,通過系統(tǒng)仿真研究旨在為系統(tǒng)設計、分析及驗證提供強有力的方法及工具。

1 反推作動系統(tǒng)分析

1.1 反推裝置運動分析

反推裝置工作時,反推作動系統(tǒng)用于展開反推裝置。在展開過程中,移動外罩平移至葉柵的后部,每根折流桿在移動外罩向后移動時,允許阻流門轉(zhuǎn)動至阻擋風扇外涵道氣流位置,改變排氣方向,氣流通過葉柵逆向排出至外環(huán)境,從而產(chǎn)生反推力。反推裝置展開/收起的運動原理如圖1所示。

圖1 反推裝置運動原理圖Fig.1 Diagram of motion of thrust reverser

1.2 系統(tǒng)工作原理

液壓反推作動系統(tǒng)主要由1個控制器、1個隔離控制閥、1個方向控制閥、4個作動器、2根同步軟軸、2個同步軸鎖、2個機械液壓鎖等部件組成。

當飛機處于飛行階段時,反推作動系統(tǒng)隔離控制閥的電磁閥不通電,飛機液壓源系統(tǒng)與液壓反推作動系統(tǒng)處于隔離狀態(tài),此時,H-TRAS保持在收起鎖定位置。

當飛機著陸或中止起飛時,駕駛員通過操縱反推桿來發(fā)送展開指令,當系統(tǒng)隔離狀態(tài)解除后,油源直通系統(tǒng)作動器有桿腔,系統(tǒng)保持在收起位置;當方向控制閥通電打開后,作動器無桿腔通壓,系統(tǒng)在作動器兩腔壓差作用下運動展開。

當駕駛員將反推桿收回至收起位置時,發(fā)送系統(tǒng)收起指令至控制器,方向控制閥斷電關閉,作動器無桿腔通低壓,系統(tǒng)在有桿腔高壓作用下運動收回。反推作動系統(tǒng)工作原理圖,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 System operating principle

2 研究內(nèi)容及方法

本研究以AMESim和Simulink為仿真平臺,建立系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型,其中大部分液壓模塊、信號模塊和機械模塊由AMESim模型庫中選取,作動器同步傳動線系模型由Simulink創(chuàng)建。對系統(tǒng)緩沖過程建立數(shù)學模型并模塊化后嵌入至系統(tǒng)模型,緩沖過程的數(shù)學模型建立如下所示。

2.1 數(shù)學模型

作動器節(jié)流緩沖結構如圖3所示。反推作動系統(tǒng)在展開/收起過程中,作動器作為執(zhí)行元件,承受外載荷,以作動器為研究對象,建立力平衡方程為:

圖3 作動器節(jié)流緩沖結構Fig.3 Diagram of cushioning structure

(1)

式中,m—— 作動器活塞及活塞桿質(zhì)量

p0,p1,p2—— 無桿腔、有桿腔和緩沖腔的壓力

βc—— 等效黏性阻尼系數(shù)

F,Rf—— 外載力和摩擦力

從緩沖腔排出的油液總量等于出油口流出流量之和,其流量連續(xù)性方程可表示為:

(2)

式中,pk—— 排油口油液壓力

Cdp—— 排油口流量系數(shù)

從有桿腔流入緩沖腔(孔)的油液總量等于有桿腔內(nèi)油液的減少量,其流量連續(xù)性方程可以表示為:

(3)

綜上,油液經(jīng)節(jié)流孔進入緩沖環(huán)(腔)的流量方程為:

(4)

式中,λ—— 油液沿程阻力系數(shù)

ρ—— 油液密度

Azd—— 止動環(huán)間隙面積

AⅡ,AⅢ—— Ⅱ-Ⅱ斷面和Ⅲ-Ⅲ斷面的有效面積

h—— 間隙高度

L0—— 緩沖初始位移

uv—— 剪切速度

πD2hut/2 —— 由于油液黏性作用而產(chǎn)生的剪切流量

2.2 仿真模型

根據(jù)反推作動系統(tǒng)工作原理以及各部件間的輸入輸出關系,將各仿真模塊集成連接為完整的仿真模型,如圖4所示,圖中給出了隔離控制閥、方向控制閥、作動器等部件的集成模型,圖中僅展示了單個作動器模型,展開/收起指令直連控制閥中的電磁閥模塊。

圖4 系統(tǒng)仿真模型Fig.4 System simulation model

1) 傳動線系模型

系統(tǒng)的傳動線系由絲杠絲母副、蝸輪蝸桿副、同步軟軸組成,通過軟軸將相鄰作動器的傳動線系聯(lián)系起來構成系統(tǒng)的整體傳動線系,具體模型如圖5所示。

圖5 傳動線系模型Fig.5 Driveline model

2) 緩沖模型

系統(tǒng)緩沖作用由作動器活塞桿上的節(jié)流孔實現(xiàn),每個活塞桿上有一對節(jié)流孔,沿周向成180°布置,根據(jù)展開運動過程的特點進行運動分析,建立緩沖數(shù)學模型,如2.1節(jié)所示,反推作動系統(tǒng)緩沖模型如圖6所示。

圖6 緩沖模型Fig.6 Cushioning model

2.3 參數(shù)設置

根據(jù)反推作動系統(tǒng)各部件的幾何參數(shù)以及工作介質(zhì)的物性參數(shù),對各仿真模塊進行參數(shù)賦值,如表1所示為反推動作系統(tǒng)的主要參數(shù)。

2.4 試驗驗證

為了驗證模型的正確性和可靠性,在液壓反推作動系統(tǒng)試驗臺上進行反推作動系統(tǒng)試驗測試,驗證了系統(tǒng)的展開運動特性。圖7給出了反推作動系統(tǒng)的展開速度-時間特性曲線,從特性曲線對比結果可以看出,仿真結果與試驗結果趨勢較為吻合,同時運動時間一致性較好,系統(tǒng)仿真模型置信度較高,所以該仿真模型基本可以預測系統(tǒng)的全運動過程。

圖7 仿真試驗驗證Fig.7 Verification of simulation and experiment

3 仿真結果及分析

3.1 方向控制閥響應特性

當給液壓反推作動系統(tǒng)通21 MPa高壓時,方向控制閥的轉(zhuǎn)換閥閥芯在介質(zhì)油壓的驅(qū)動下產(chǎn)生位移,如圖8所示。由閥芯位移曲線可以看出,當轉(zhuǎn)換閥接收到展開或收起指令后,大約0.03 s后響應到位,這說明方向控制閥從接收指令到運動到位需要0.03 s。

圖8 系統(tǒng)展開過程方向閥位移特性Fig.8 Displacement characteristics of directional valve

對于系統(tǒng)展開和收起過程的流量變化,由圖9可以看出,展開過程展開油管和收起油管的流量分別為86 L/min和42 L/min,所以凈輸入流量為44 L/min;收起過程展開油管和收起油管的流量分別為60 L/min和28 L/min,系統(tǒng)凈輸出流量為32 L/min。由圖9可知,轉(zhuǎn)換閥響應過程中流量變化響應時間約為0.02 s,較快于閥芯位移響應,這是因為液壓油的本質(zhì)為流體,轉(zhuǎn)換閥在響應過程中由于容腔效應滯后所致。

圖9 系統(tǒng)展開過程方向閥的流量特性Fig.9 Flow characteristics of directional valve

3.2 系統(tǒng)展開/收起特性

如圖10、圖11所示為反推作動系統(tǒng)展開過程的速度/位移-時間特性曲線。

圖10 系統(tǒng)展開/收起速度-時間特性Fig.10 Velocity-time characteristics of system deployment and stowage

圖11 系統(tǒng)展開/收起位移-時間特性Fig.11 Displacement-time characteristics of system deployment and stowage

由系統(tǒng)展開過程的速度-時間曲線可知,反推作動系統(tǒng)加速過程大約經(jīng)歷0.1 s的時間。隨后系統(tǒng)進入勻速運動階段,運行約1.37 s后進入緩沖階段,當系統(tǒng)運動至展開末尾位置時,速度降至0.15 m/s以內(nèi),遠小于正常運動速度0.36 m/s,此時作動器活塞發(fā)生碰撞時,撞擊效應會大幅下降,由此可知緩沖結構對削弱沖擊具有顯著效果。從圖10可知,系統(tǒng)緩沖全程時間大約為0.25 s,所以反推作動系統(tǒng)在全運動行程中經(jīng)歷的時間約為1.72 s。

3.3 作動器泄漏特性

如圖12所示為作動器內(nèi)漏特性變化曲線。由圖可知,內(nèi)泄漏量在加速運動階段內(nèi)逐漸增大;在系統(tǒng)勻速運動階段,作動器泄漏量較為穩(wěn)定,基本維持在6 mL/min。系統(tǒng)收起過程中,泄漏量變化趨勢比較相似。由流量特性可知,作動器泄漏量在勻速運動階段時最大,因為此時作動器兩腔壓差最大所致。

圖12 系統(tǒng)展開/收起過程作動器泄漏特性Fig.12 Internal leakage characteristics of system deployment and stowage

3.4 系統(tǒng)同步性特性

如圖13、 圖14所示為反推作動系統(tǒng)各作動器外載相同工況下展開和收起過程的單側(cè)作動器間和兩側(cè)作動器間的同步位移差。由同步位移曲線可以看出發(fā)生最大不同步位移的位置為反推作動系統(tǒng)展開和收起起始位置或終止位置。造成起始位移差的主要原因是系統(tǒng)起始壓力建立過程的不同步;在系統(tǒng)勻速運動階段,同步性保持相對穩(wěn)定;在運動末端由于運動過程的位移差累積造成不同步性過大。由上述結果分析可知,可以提高系統(tǒng)起動加載的同步性和精度,同時保持外載阻尼特性的一致性,以此減小系統(tǒng)運動的同步性誤差。

3.5 溫度對系統(tǒng)展開性能的影響

如圖15、圖16所示為不同溫度下,系統(tǒng)展開過程的速度/位移-時間特性曲線,從特性圖可以看出,油液溫度對展開過程影響較大。溫度越高,系統(tǒng)加速階段時間越短。油液溫度為107 ℃時,可以明顯看到系統(tǒng)能夠更快的達到勻速運動階段,這是因為溫度越高,油液黏性越低,運動過程產(chǎn)生的阻力越小。當油液溫度為-54 ℃時,系統(tǒng)可以展開但運行速度較為緩慢,這滿足低溫條件下要求系統(tǒng)起動的要求, 從緩沖曲線可知此時系統(tǒng)緩沖時間明顯加長。

圖15 不同溫度下的系統(tǒng)運動速度特性Fig.15 Velocity characteristic of system at different temperature

圖16 不同溫度下的系統(tǒng)運動位移特性Fig.16 Displacement characteristic of system at different temperature

4 結論

本研究以航空發(fā)動機液壓反推作動系統(tǒng)為研究對象,采用Simulink和AMESim進行了聯(lián)合仿真模擬研究。基于系統(tǒng)工作原理建立了反推作動系統(tǒng)仿真模型,研究了反推作動系統(tǒng)的展開和收起特性,同時探討了溫度對展開過程的影響。研究結果表明:

(1) 仿真模型對系統(tǒng)全行程運動過程具有良好的預測效果,可成為系統(tǒng)運行和功能性能的評估工具;

(2) 作動器的緩沖結構有助于減小系統(tǒng)末端機械碰撞速度,削弱撞擊效應;

(3) 發(fā)生最大不同步位移的位置為反推作動系統(tǒng)展開和收起起始位置或終止位置,保證加載的同步性對減小同步性誤差具有重要作用;

(4) 介質(zhì)溫度會影響系統(tǒng)的運行速度,低溫情況下系統(tǒng)仍可以運行,但是運行時間逐漸變長。