液壓助力器穩定性方法的研究

張領建

（中航通飛研究院有限公司，廣東珠海519040）

液壓助力器穩定性方法的研究

張領建

（中航通飛研究院有限公司，廣東珠海519040）

針對液壓助力器穩定性問題，提出了幾種實際工程中常用的穩定性方法。首先闡述了液壓助力器工作原理，分析了影響助力器穩定性的關鍵因素，進而提出實際工程使用的穩定性方法，并對穩定性方法的優缺點進行分析和對比，最終得出穩定方法的使用條件，可為助力器穩定性的研究提供參考。

液壓助力器；穩定性；方法

0 引言

目前操縱系統的設計主要以助力操縱為主，液壓助力器已成為飛行操縱系統設計中至關重要的部件，其本身的性能與飛機參數的匹配度直接影響飛行操縱系統的穩定性［1］，甚至關系到飛機的安全性，但是對于穩定性的研究方法始終以仿真為基礎，雖然進行各種方法的仿真分析，而最終的方法未必符合工程需要。因此，進行液壓助力穩定性方法的研究是必要的，也符合工程使用需求。

1 液壓助力器工作原理

圖1所示為一種典型的飛機液壓助力器原理圖，它包括分配機構（滑閥2）、執行機構（活塞3）和反饋機構（桿AOB）3個基本部分。助力器的輸入量為xi，輸出量為xo，xo帶動舵面偏轉［2］。

圖1 液壓助力器原理圖

當駕駛桿有位移輸入xi時，由于支點O的作用，滑閥2向左移動，從而節流窗口打開，進油路通過閥口與作動筒的左腔相通，而回油路則與作動筒的右腔相通，兩腔的壓力差使活塞向右運動，進而使已傾斜的桿AOB順時針旋轉。經過一段時間后，AOB回到垂直位置，此時節流窗口關閉，助力器工作結束。在操縱過程中，舵面的作用力并不傳到操縱系統前端，駕駛員只需克服助力器的滑閥摩擦力。

2 影響助力器穩定性的因素

2.1 液壓助力器—舵面的固有頻率

圖2 助力器—舵面系統振動示意圖

如圖2所示，助力器的活塞（或外筒）與質量M舵面連接，由于左、右活塞腔的油液具有一定的壓縮性，因此，活塞（連同舵面）就像被夾在兩個彈簧中間一樣，當發生外部擾動作用后，它就會按其自身的固有頻率ωn進行振動，此時液壓助力器—舵面系統就失去了穩定性［3］。

任何振動系統都有一定的振動頻率（系統的固有頻率），由理論力學可知，液壓助力器—舵面系統的固有頻率ωn為：

式中：K為助力器—舵面段系統剛度；M為飛機舵面質量折算至助力器輸出端；E為液壓油彈性模量；A為活塞的有效面積；V為整個活塞腔的有效面積，V＝V1＋V2；β為位置比例系數。

在飛機舵面給定的條件下，助力器—舵面系統的固有頻率的影響因素僅僅為后端系統（拉桿、搖臂、支座）的剛度，該段系統的剛度大并不意味著系統就越穩定，而是后端系統的剛度與舵面和助力器本身剛度的匹配度，同時油液的彈性模量E也對固有頻率有影響，當活塞腔混入氣體時，E大大降低，固有頻率減小，容易產生抖動現象，系統不穩定。

2.2 安裝支座的剛度

對于如圖3所示的典型助力器，考慮支座的彈性變形后，助力器的穩定條件為［4］：

式中：CΔp為滑閥流量至壓力增益；Ce為滑閥流量至開度增益；nf為助力器反饋比；KA為支座支撐剛度。

圖3 考慮有支座變形的數學模型（不帶位移反饋）

圖4 考慮有支座變形的數學模型（帶位移反饋）

助力器安裝支座的剛度對于沒有外反饋的助力器（圖3），支撐剛度的降低嚴重影響系統的穩定性，因此支撐支座應具有足夠的剛度；相反而言，對于具有支撐結構外反饋的助力器（圖4），支座剛度的降低有利于系統的穩定性。

3 穩定性方法與分析

3.1 穩定性方法

1）滑閥開度—流量特性（?Q/?e）。即速度特性的斜率，在同一滑閥開度變化Δe值下，斜率越高，流量（速度）變化越大，說明補充的能量越大。從能量的角度分析，當補充的能量大于系統消耗的能量時，系統則不穩定，所以，?Q/?e越小，越有利于系統穩定。某飛機平尾助力器就是采用這種設計思想指導設計的，如圖5。

圖5 液壓助力器流量—開度曲線圖

2）降低機械反饋比（nf）。機械反饋比對助力器的穩定性有較大影響，在同一輸出位移的變化量 Δx0之下，nf越大，有利于提高助力器的跟隨性，同時提高了助力器的速度，增大了流量，不利于系統的穩定性，所以，nf減小有利于系統穩定，增大有利于系統的跟隨性，如圖6，nf＝BO/OA＝1，若把A點下移至A′點，nf＝BO/ OA′＜1［4］。某型飛機方向舵助力器（ZL-4）就采用這種方法排除故障，把反饋比由原來的1降低到0.46，跟隨性也相應地由原來的0.015 s增大到0.032 s，如圖6。

圖6 典型助力器輸入端機械部分圖

圖7 節流孔示意圖

3）在滑閥與作動筒之間設置節流孔。設置節流孔的作用實際就是降低?Q/?e，關鍵是采取的方式不同，此方法采用的是機械的方法，更容易實現，缺點是影響助力器最大工作速度，但是從助力器本身來說，相當于助力器輸出活塞增加了阻尼器，降低了助力器本身的剛度。為排除某飛機平尾抖動，采用了節流孔，但是駕駛員感覺助力器速度變慢。

4）提高支座剛度。助力器在外力作用下，支座處產生變形，引起滑閥的開啟量就增大，系統更容易出現抖動現象，因此支座剛度減小，對系統穩定性不利。通常剛度的數量級為104N/mm。

5）助力器兩腔之間加泄漏口。增加開孔就相當提高了流量—壓力（?Q/?p）特性。在?Q/?e不變的條件下，Δp變小，則助力器的輸出力和速度都有一定影響，即降低了助力器本身的剛度，操縱性能有所降低［6］。某殲擊機方向舵助力器裝機試驗時發生抖動，在兩工作腔之間打了一個φ0.3 mm的小孔，抖動排除。

式中：Q為小孔漏油量；μ為流量系數（一般取2/3）；Δp為兩腔壓力差；ρ為油液密度；f為小孔面積。

6）增加滑閥阻尼和舵面阻尼器。兩種方法都是通過降低舵面能量的方式保證系統穩定，不同的是滑閥阻尼是采用降低助力器本身剛度；舵面阻尼器是損耗助力器輸出功率，降低助力器輸出—舵面的剛度。

3.2 穩定性方法分析

從以上分析可知，對于出現抖動的助力器—舵面系統，有很多種方法使其穩定，但是歸根結底都與前面提到的影響因素有關。固有頻率ωn關聯的是后端系統的剛度K和舵面的慣性質量M，剛度的計算公式：

其中：K總為助力器至舵面總剛度，K助為助力器本身剛度，因此，為了提高總的系統剛度，K→∞，即助力與舵面直接連接；同時也可以通過減小M，增大慣性質量，但是慣性質量為總體設計單位給出，通常為一定值。

除了上述影響系統的參數之外，液壓油的流量Q，即流速V，對助力器穩定性有較大影響，從能量物理過程分析，Q越大，助力器所產生的動能量越大，補充給不穩定系統的能量就越多，而系統所消耗的能量幾乎為定值，因此Q增大，不利于系統的穩定性，3.1節中的1）、2）、3）、5）都是以較小Q為出發點，同時考慮油液的清潔度和自身的彈性模量，保持基本為一定值。

4 穩定性方法的使用限制

通過以上的分析，保證系統的穩定性有很多種方法可以實現，但是在實際的工程中，穩定方法通常都是受環境或者操作規范以及其他因素制約。

1）對于3.1節中的1）、2）、3）三種穩定方法，更適合助力器前期的理論研究，能夠為助力器的后期設計提供參考，確保助力器理論上穩定，但是這三種方法對于助力器裝機后發現的不穩定性問題無法解決。

2）對于3.1節中的方法4），剛度的提高需要材料的性能作為基礎，目前國內對于助力器支座材料的應用基本已經定型：鋁合金（如2012A、7075），結構鋼（如30CrMnSiA）［3］。通過提高材料的性能改善剛度則無法實現，只能靠增大材料的厚度保證剛度，但是這樣往往是重量增加，加工難度大，更多的是造成設計上的不合理，因此，根據以往的工程經驗，支座剛度值保證在5×104N/mm左右，系統的穩定性基本與剛度無關。

3）對于3.1節中的方法5），該方法適合助力器實際生產完成，并裝機后發現系統不穩定的情況下使用，盡管活塞打孔影響助力器的最大輸出速度和最大輸出力，但是這種方法能從根本上解決實際問題，保證飛機的飛行。然而，在設計初期不允許使用活塞打孔的方法保證穩定性。

4）對于3.1節中的方法6），增加阻尼器都是以降低飛機的相應速度為代價：活塞阻尼器影響助力器本身的活塞速度，舵面阻尼器則對后端系統的剛度不利，因此，增加活塞阻尼器增大了助力器設計的難度，同時降低助力器的工作可靠度，無法滿足系統的安全性要求；增加舵面阻尼多數是由強度專業室提出，保證舵面不發生顫振的方法，對于助力器的穩定性通常不采用。

5 結論

液壓助力器—舵面系統的穩定性直接影響飛機的操縱性，甚至安全性，因此，對于穩定性方法的選擇應該做到以下幾點：

1）明確助力器—舵面系統的設計階段以及該階段所能使用的穩定性方法，并與已經實際應用的系統相對比，保證了穩定性方法的實際可操作性。

2）影響助力器—舵面系統的穩定性的因素是多方面的，單一的方法在應用中通常難以解決問題，無法達到預期目的。因此，應綜合考慮，采用多種方法調整系統的穩定性，確保采用方法的合理性。

3）工程方法不同于理論研究，每種工程方法都有使用的限制條件和環境，應該從實際出發，考慮影響穩定性的因素，并認清穩定性方法的限制條件，掌握理論研究與工程應用的差異。

［1］ 吳森堂，費玉華.飛行控制系統［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

［2］ 楊家軍，余霞.飛機液壓助力器動態性能仿真分析［J］.機床與液壓，2012（11）：113－115.

［3］ 杜來臨，鄭勇.影響液壓助力器穩定性的因素與改善措施［J］.液壓氣動與密封，2008（4）：17-19.

［4］ 王永熙.飛機設計手冊：第12冊［M］.北京：航空工業出版社，2000.

［5］ 郭玉瑛.飛機設計手冊：第3冊［M］.北京：航空工業出版社，2000.

［6］ 李培滋，王占林.飛機液壓傳動與伺服控制［M］.北京：國防工業出版社，1979.

（編輯啟 迪）

Research of Hydraulic Booster Stable Methods

ZHANG Lingjian
（China Aviation Industry General Aircraft Institute Co.,Ltd,Zhuhai 519040,China）

According to hydraulic booster stability,some engineering methods are provided.The operating principle of hydraulic booster is introduced,and some critical factors of stability are analysed.Then,methods of stability are elaborated,and the merits and faults of methods are analysed.Finally,limiting factors of methods are proposed to provide reference of the research of hydraulic booster for the plane.

hydraulic booster；stability；method

TH 137

A

1002－2333（2014）05－0052－03

張領建（1979—），男，工程師，碩士研究生，主要研究方向為飛行操縱系統設計。

2014-03-04