多孔式液壓阻尼器在攔阻系統中的應用研究

， ，，，，

(1.海軍工程大學 機械工程系,武漢 430033；2.海軍工程大學 電氣與信息學院，武漢 430033;3.海軍旅順裝備技術質量監測站，遼寧 旅順 116041)

利用攔阻索攔阻著艦是現代航空母艦艦載機著艦的主要方式，航母攔阻系統的攔阻能力是航母與艦載機重要的適配性能之一。攔阻系統通過設計巧妙的控制機構，實現對不同重量和速度的艦載機等距離攔阻，使得航母可以滿足不同機型的服役要求，提高了航母綜合作戰能力[1]。

國內外對于艦載機著艦動力學的研究，基本上都是在已有的航母攔阻系統的基礎上，以艦載機著艦過程為研究對象，建立數學模型，分析艦載機著艦時飛機所承受的攔阻力，對于攔阻系統液壓裝置的研究較少。本文以攔阻系統液壓裝置為研究對象，采用多孔式液壓緩沖缸代替攔阻系統中原有的主、副油缸，對攔阻液壓系統阻尼性能進行仿真分析。

1 攔阻器工作原理及攔阻特性

1.1 攔阻器工作原理

攔阻系統主要包括甲板以上部分與甲板以下部分。甲板以上部分包括攔阻索和支撐機構，甲板以下部分包括攔阻索系統(滑輪組索)、滑輪緩沖系統、攔阻器系統、鋼索末端緩沖系統、復位系統、冷卻系統等。攔阻器系統又由主液壓缸、定長沖跑控制系統、蓄能器、膨脹氣瓶、定滑輪組等組成，見圖1。航母上艦載機的攔阻沖跑距離(即從掛鉤到艦載機停住)約為100 m，攔阻過程歷時3～4 s。由圖1可見，飛機尾部攔阻鉤和甲板上的攔阻索嚙合后，動滑輪十字頭在甲板攔阻鋼索的拉動下，向左運動，主、副油缸油液經斜向流量控制閥、單向閥，流入蓄壓(能)器。同時副油缸中的油液流入斜向流量閥的左腔室，操縱斜槽閥柱向右移動，以便與攔阻過程中飛機減速所需緩沖力相適應[2-5]。借助于油缸中油液出液節流以及蓄壓(能)器的蓄能作用，攔阻器產生極大的阻尼力，從而吸收飛機巨大的前沖動能，使飛機速度迅速降低，并且在滑跑一段距離后，完全停止。

圖1 斜槽閥型液壓攔阻器工作示意

1.2 MK7-3型攔阻器攔阻特性

美軍標MIL-STD-2066給出了MK7-1、2、3型攔阻器的阻尼特性[6]。MK7-3型攔阻器在飛機質量為13.6 t，著艦速度145 kn(約74.6 m/s)時的阻尼特性曲線見圖2。由圖2可見，曲線下與X軸所圍成的面積代表攔阻器所吸收的能量，攔阻器提供的攔阻力在攔阻開始后約58 m時達到最大值，攔阻力為489.2 kN，攔阻器效率約為74.7%。

圖2 MK7-3型攔阻器阻尼特性曲線

2 多孔液壓緩沖攔阻器工作原理與數學模型

2.1 多孔液壓緩沖阻攔器工作原理

將MK7-3型攔阻器(見圖1)中虛線部分采用多孔緩沖缸取代，多孔緩沖缸由活塞桿1、缸蓋2、缸套5、底板7等組成(見圖3)。動滑輪十字組與活塞桿1相連，定滑輪十字組與底板7連接。當飛機機尾掛鉤掛上攔阻鋼索后，在滑輪十字組的作用下，帶動活塞桿1和活塞3向右運動，工作腔A 內油液在活塞作用下，從特殊排列的節流孔7向非工作腔B流動，流出的液壓油一部分經回流孔4流入活塞左側，另一部分經過孔C流入蓄壓(能)器中。由于節流孔處流量限制，活塞的速度也受到限制，從而達到緩沖的目的，外力消除后，在蓄壓(能)器的作用下，活塞回復到原始位置。

2.2 多孔液壓緩沖攔阻器數學模型

多孔液壓緩沖器是一種利用流體流動的粘性阻尼作用，轉化機械能為壓力能和熱能，用來延長沖擊負荷的作用時間，吸收并轉化沖擊負荷的能量的裝置主要依靠設計在液壓缸壁上的一系列特殊排列的節流小孔實現緩沖，其特點是結構緊湊，吸能量大，且無反彈，其理想的阻尼特性曲線見圖4。

圖4 液壓緩沖器理想阻尼特性曲線

文獻[7-9]對阻尼器的阻尼孔孔徑、間距進行合理設計，建立了數學模型。

1)活塞桿力平衡方程。

(1)

式中m1——飛機質量；

v1——飛機在甲板上前進速度；

m2——活塞桿以及活塞的質量；

v2——活塞運行速度；

p2——活塞右側油壓；

A2——活塞右側工作面積；

p1——非工作腔室B內的油壓 ；

A1——活塞左側有效工作面積。

2)截留小孔流量方程。

本文研究的液壓阻尼油缸采用薄壁孔形式。

(2)

式中：Cd——阻尼孔流量系數；

△p——阻尼孔兩側液壓油壓差；

A——阻尼孔面積；

ρ——液壓油密度。

3)工作腔流量連續方程。

在忽略缸筒與活塞之間的泄露情況下，△t時間內，油腔A內的流體體積變化主要有以下兩個部分。

阻尼孔流出的油液體積,q·△t;

而油腔A的容積減小了A1·△s，則工作腔流量連續方程如下：

(3)

式中：K——液壓油體積彈性模量；

s——活塞桿的行程；

V1——壓縮過程中高壓油腔油液的體積，

V1=s·A1

(4)

利用式(1)～(4)的變換通過 Matlab編程進行仿真計算[10-11]，可得出整個緩沖制動過程中制動力與活塞位移的關系曲線、平均制動力、最大制動力及制動時間。

3 實例分析

1)輸入參數參見表1。

表1 攔阻過程技術參數

2)仿真結果與分析。

利用式(1)～(4)的變換以及優化后的液壓緩沖缸，通過 Matlab編程進行仿真計算， 得出飛機制動過程緩沖力、速度與位移的關系曲線，見圖5、6。

圖5 攔阻力-位移曲線

圖6 飛機運行速度-位移曲線

由圖5可見，飛機受到的攔阻力在25.5 m時達到最大值，最大攔阻力為435.7 kN，平均攔阻力為385.9 kN，峰均力比為435.7/385.9=1.13，攔阻器效率約為88.6%。隨著緩沖的進行，攔阻力呈波動下降的趨勢，在緩沖末端，攔阻力降為零。由圖6可見，在整個攔阻過程中，飛機速度能夠平穩下降，直到速度降為0，停在甲板上。

4 結論

1)使用多孔式緩沖液壓缸的攔阻系統，能夠減少飛機所承受的最大攔阻力，提高攔阻器效率，在一定程度上提高飛機的使用壽命。仿真結果表明使用多孔式緩沖液壓缸的攔阻系統，能夠使飛機所承受的最大攔阻力減少約10.9%，攔阻器效率提高13.9%。

2)使用多孔式緩沖液壓缸的攔阻系統，大大減少了飛機著艦時飛行員所承受的負荷，改善了飛行員的訓練環境。

[1] 鷗 汛.航母的攔阻裝置[J].現代艦船，2005，9(A)：45-48.

[2] 張 鑫.艦載機攔阻著艦動力學分析及仿真[D].西安：西北工業大學，2007.

[3] 曹書華，宋錦春.飛機攔阻系統攔阻性能仿真研究[J].航空計算技術，2002，32(3)：34-37.

[4] 張明暉，洪冠新.航空母艦液壓攔阻系統攔阻力建模與仿真[J].北京航空航天大學學報，2010，36(1)：100-103.

[5] 胡孟權,林國華.艦載飛機著艦攔阻動力學分析[J].空軍工程大學學報:自然科學版,2000(5):10-13.

[6] MIL-STD-2066 CATAPULTING AND ARRESTING GEAR FORCING FUNCTIONS FOR AIRCRAFT STRUCTURAL DESIGN[S]. Washington: Department of the Navy Air System Command, 1981.

[7] 章一明.液壓緩沖器設計參數研究[J].華東冶金學院學報，1994(11):54-58.

[8] 孫 爽.多孔式液壓緩沖器仿真與優化設計[D].大連：大連理工大學，2006.

[9] 苗 明，李明月.新型液氣緩沖器的動態試驗及其仿真[J].機械工程學報，2006，42(1)：212-216.

[10] 李永堂,雷步芳,高雨茁.液壓系統建模與仿真[M].北京:冶金工業出版社,2003.

[11] 羅鐵剛，林金國.基于Matlab仿真分析的節流孔緩沖設計[J].機電設備，2007(10):3-25.