基于SimHydraulics的某飛機起落架液壓系統建模與故障仿真

(中國民用航空飛行學院新津分院 直升機飛行技術與安全運行重點實驗室，四川 新津 611431)

引言

起落架收放液壓系統作為飛機的關鍵部件之一，其功能是為起落架的收起、放下以及鎖定提供源動力，實現飛機的正常起飛、著陸以及停放。由于起落架收放液壓系統結構復雜、液壓部件制造精度及系統運行靈敏度較高，各液壓部件隨系統運行時間的增加，各部件性能逐漸下降，故障率增加，系統總體性能及效率趨于降低，其工作狀況對飛機起飛、著陸的安全性與可靠性影響較大。通常起落架收放液壓系統的故障具有一定的耦合性與隱蔽性，很難通過簡單的觀察判斷故障的準確位置與原因，排故時間長、效率低。

運用計算機仿真技術對液壓系統進行故障仿真，分析系統典型故障現象及可能原因，可有效了解系統工作狀況，降低系統排故時間。文獻[1]采用AMESim仿真軟件對某支線客機起落架收放系統進行建模，對系統的正常收放過程進行了仿真，研究了系統中液壓元件參數性能變化對起落架收放性能的影響，分析了其主要故障模式及原因。文獻[2-5]對飛機起落架收放液壓系統開展相關研究，利用仿真軟件對起落架收放液壓系統故障進行仿真，分析系統典型故障的類型及成因，均獲得了令人滿意的結果。但由于研究的針對性不強，大部分研究僅停留在理論計算與分析，且仿真參數的設置過于理想化，仿真結果與真實情況存在一定差距，未投入工程應用，其實用價值不大。

本研究針對某在役飛機起落架收放液壓系統的結構、工作原理以及作動筒載荷實際工況進行全面分析基礎上，采用SimHydraulics軟件搭建系統各部件物理仿真模型。通過設置系統相關部件參數，建立系統故障模型并進行模擬仿真，并根據系統在實際運行過程中出現的一些典型問題預設類似的故障模式，分析不同故障狀況下作動筒活塞桿的運動仿真結果以及對起落架收放運動的影響。通過故障仿真，使飛行員提前了解不同類型的起落架液壓系統故障現象以及對起落架收放性能的影響，有助于降低飛行訓練風險，提升飛行員對起落架液壓系統故障的綜合判斷與應急處置能力。通過故障仿真也可以為起落架收放液壓系統的故障診斷提供樣本，為機務人員排故提供參考。

1 起落架液壓系統組成及工作原理

1.1 起落架收放液壓系統組成

某飛機起落架收放液壓系統主要由電動液壓泵、作動筒、液壓油箱、調壓活門、電磁換向閥以及應急釋放活門等部件組成，如圖1所示。液壓泵與油箱為一體式結構，液壓泵與剎車系統獨立，僅對起落架的收放提供驅動力。起落架收放液壓控制系統為2個相對獨立的電氣控制單元，分別控制對應的電磁線圈和傳感器，通過改變液壓泵的旋轉方向分別向起落架收放管路注入高壓油液，驅動作動筒活塞桿伸縮，實現起落架的收放動作。

1.2 起落架液壓系統工作原理

當飛機準備著陸進入下滑通道后開始放下起落架，飛行員將位于駕駛艙儀表板上的起落架收放手柄扳至放下位，繼電器控制電動液壓泵電機逆時針轉動，電磁換向閥門作動，高壓油液通過單向閥注入起落架液壓作動筒放下管路，作動筒活塞桿伸長，帶動起落架放下、鎖定，當起落架的3個下位鎖位置傳感器全部被觸發，液壓泵停止工作，完成起落架的放下動作。

圖1 某飛機起落架液壓系統組成結構

當飛機起飛離地面至安全高度后，飛行員將起落架控制手柄扳至收上位，電動液壓泵電機順時針轉動，高壓油液通過單向閥進入作動筒收上管路，作動筒活塞桿縮短，帶動起落架收起，當起落架的3個上極限位置傳感器全部被觸發以及系統收上管路壓力達到(12.41±0.69)MPa時，液壓泵停止工作，完成起落架的收上動作。由于某飛機起落架無上位鎖定機構，起落架通過作動筒管路的液壓力保持在收上位置，當收上管路的液壓力降至(2.07±0.69)MPa時，液壓泵將啟動，再次建立系統壓力。

起落架應急收放系統是通過打開應急釋放活門，使起落架各液壓管路連通，起落架通過自身的重力或在復位彈簧輔助放下并鎖定。本研究僅討論起落架液壓系統正常收放時的工況，某飛機起落架收放液壓系統工作原理見圖2所示。

2 建立起落架收放液壓系統數學模型

2.1 液壓系統建模及參數設置

采用SimHydraulics軟件提供的液壓仿真模塊組搭建某飛機起落架收放液壓系統仿真模型，每個仿真模塊對應真實的液壓部件，直接構成系統物理模型。在參數模式下為每個模型設置參數，同時在作動筒模型中加入位移以及速度傳感器以方便觀察系統管路內執行機構的運動狀況，其建模過程簡便，仿真結果輸出直觀[6]。

由于某飛機的3個液壓作動筒結構相似，工作原理相同，構建的某飛機起落架收放液壓系統仿真模型做了部分簡化，不考慮應急收放系統及輪艙機構的收放狀況，僅對其中一個液壓作動筒的工作流程進行建模。某飛機起落架收放液壓作動筒仿真模型如圖3所示。

圖2 起落架收放液壓系統工作原理圖

圖3 某飛機起落架液壓系統單作動筒工作仿真模型

2.2 系統參數設置

系統仿真模型搭建完成后，根據系統各部件實際尺寸及工況為每個模型設置參數。

(1) 輸入信號模塊，在實際飛行過程中，起落架的收放由飛行員操縱起落架電門開關，液壓泵產生液壓力驅動作動筒活塞桿的伸縮，實現起落架的收放[6]。

采用SimHydraulics提供的正弦波信號源模擬起落架的收放控制信號，起落架選擇活門為三位四通電磁閥，通過控制三位四通活門的開關順序，模擬起落架收起與放下管路的切換。

(2) 液壓驅動模塊，通過常數模塊設置定量泵的額定轉速188 rad/s，額定壓力為16.55 MPa；調壓活門1，2，3的開啟壓力分別為20.69, 3.45, 12.41 MPa。

(3) 油液模塊中選擇液壓油類型為Fliud MIL-F-5606，油液中的空氣含量為0.5%。求解器模塊設置為ode15s(stiff/NDF)，變步長，仿真時長為10 s。

(4) 作動筒模塊，作動筒模塊為典型的雙腔單桿液壓缸模型，如圖4所示。設置雙作用液壓缸的無桿腔端活塞面積為2.8×10-4m2，有桿腔端活塞面積為2.1×10-4m2，活塞全行程為0.173 m，彈簧的彈性系數為1×103N/m，阻尼器的系數為1.5×104N/(m·s-1)，液壓管路1，4的內徑及長度分別為7×10-3，0.5 m；液壓管路2，3的內徑及長度分別 7×10-3，1.6 m。

1.安全保險絲 2.堵蓋 3、4、7.密封圈5.活塞驅動軸 6.作動筒缸體圖4 液壓作動筒機構分解圖

(5) 負載模塊，作動筒活塞桿驅動起落架的伸長與收縮，作動筒的載荷大小對整個起落架收放系統的性能指標和參數影響較大。在起落架收放過程中，作動筒承受的載荷主要來自起落架的質量力、氣動阻力、慣性力以及摩擦力等[8]。

作動筒承受的總載荷為上述各情況引起的載荷之和，受飛機的上升或下降速率、飛行姿態以及高度等參數的影響，總載荷大小及方向時刻處于動態變化之中，其計算過程較為復雜。經查閱某飛機起落架收放相關飛行參數，并參考文獻[9]中關于飛機起落架收放液壓系統的載荷狀況分析方法，估算出某飛機主起落架在收起與放下過程中作動筒的載荷均值約為300 N。

2.3 仿真及結果分析

基于圖3的仿真模型，系統參數設置完成后，開始對液壓系統進行仿真。主起落架作動筒活塞桿的位移、運動速度以及負載力仿真曲線分別如圖5～圖7所示。

圖5 作動筒活塞桿位移仿真曲線

圖6 作動筒活塞桿運動速度曲線

圖7 作動筒活塞桿負載曲線

由圖5可知，活塞桿的初始伸長量為0，在經歷大約3.1 s后，活塞桿運動至最大位移處；在6.3 s時起落架由放下轉換至收起狀態，作動筒活塞桿開始逐漸退回，在8.7 s時起落架完全收起，歷時2.3 s。起落架的放下時間相比收起時間略長，這與某飛機起落架實際收放工況完全相符。

圖6顯示，當放下主起落架時，活塞桿的初始運動速度由0直接增至0.053 m/s，隨后逐漸降低至0.05 m/s，大約經歷3.1 s后，活塞桿停止運動，此時起落架處于完全放下狀態；當主起落架轉至收起狀態時，活塞桿的初始運動速度為0.075 m/s，隨后略有降低，在經歷2.3 s后，活塞桿退回初始狀態，此時起落架處于完全收上狀態。

由圖7可知，作動筒活塞桿在伸長狀態時的負載力約為1000 N，退回狀態的負載力約2600 N，且在液壓泵停止工作后，液壓管路內的液壓力保持不變。

圖5～圖7清楚的反映主起落架作動筒活塞桿的位移、運動速度以及負載變化趨勢，該趨勢符合某飛機起落架收放液壓系統的運動規律。

2.4 仿真結果驗證

參見某飛機及其液壓系統操作手冊，起落架收放液壓系統主要部件參數如表1所示。

表1 起落架收放液壓系統主要部件參數

通過表1給出的相關參數，根據液壓系統工作原理，可以計算出起落架收放過程中作動筒活塞桿的運動速度、運動時間以及所推動的負載力。

起落架處于放下狀態時，高壓油液進入作動筒無桿腔，作動筒活塞桿的運動速度、推力以及運動時間計算方程分別如下所示：

運動速度：

(1)

推力：

(2)

運動時間：

(3)

式中，ηm為作動筒的機械效率，取值0.95；ηv為作動筒的容積效率，取值0.92。

起落架處于收上狀態時，高壓油液進入作動筒有桿腔，其推力、運動速度以及運動時間計算方程分別如下式所示：

運動速度：

(4)

推力：

(5)

運動時間：

(6)

通過上述計算可知，理論狀態下的仿真與計算結果基本一致，符合某飛機起落架收放液壓系統在完全收上時間不超過10 s，所有起落架放下并鎖定時間不超過15 s的限制要求。表明系統仿真模型建立正確，可以用于模擬系統故障。

3 液壓系統故障仿真

某飛機起落架收放液壓系統在實際應用中出現多起因管路堵塞、系統泄漏、油液混入過量空氣、油液劣化變質等原因造成的起落架收放時間延長、收上液壓管路壓力無法保持，甚至出現起落架無法正常放下的典型故障。本研究采用SimHydraulics軟件對系統幾類典型故障進行仿真，分析不同故障狀態下作動筒活塞桿的位移特征曲線以及對起落架收放性能的影響。

3.1 管路堵塞

液壓系統中大部分故障是由油液污染引起的，而油液污染所造成的典型故障是各種管路堵塞[10]。通過設置不同的管路內徑模擬系統管路堵塞故障，內徑越小，堵塞越嚴重。將系統管路3的內徑分別設置為0.007, 0.004, 0.002 m，通過仿真觀察不同堵塞情況下作動筒活塞桿的位移變化狀況，仿真結果如圖8所示。

圖8 不同堵塞狀況下的作動筒位移曲線

從圖8可知，隨著作動筒收起管路的堵塞程度增加，活塞桿的正反向運動速度趨于減緩，表明系統的運動速度在管路堵塞時下降較為明顯。管路堵塞對起落架放下速度的影響明顯大于收起狀態，這是由于起落架在放下過程中液壓管路壓力較小，油液流量變化較大的緣故。

3.2 油液空氣含量過度故障

在仿真模型中設置不同的油液相對空氣含量，正常狀況下油液相對空氣含量為0.5%，數值越大，表明油液中的空氣含量越高。將Fliud MIL-F-5606液壓油的相對空氣含量分別設置為0.5%, 15%以及25%，通過仿真計算觀察不同相對空氣含量下活塞桿位移的變化，仿真結果如圖9所示。

圖9 油液中不同空氣含量下活塞桿位移曲線

由圖9可以看出，隨著油液中混入的空氣含量不斷增加，作動筒活塞桿的運動速度趨于減緩。表明系統油液中較高的相對空氣含量造成起落架的收放運動速度變慢、效率降低，收放時間增長。因此，在系統注油時應動作緩慢并注意排氣，盡可能減少油液的空氣混入量。

3.3 系統內漏故障

系統內漏是液壓系統較為常見的典型故障之一，且內漏故障不易排查，需借助設備進行檢測和排查，隱蔽性較強，危害性較大。內漏通常是由于系統內膠圈、封嚴等密封件的磨損、老化等原因造成的。通過設置仿真模型中三位四通電磁活門的泄漏參數，觀察活塞桿在不同內漏情況下作動筒活塞桿的位移變化曲線，仿真結果如圖10所示。

圖10 系統不同內漏狀況下的活塞桿位移曲線

由圖10可以觀察到，在系統出現輕度內漏時，活塞桿的運動速度無顯著變化，隨著內漏面積的進一步擴大，活塞桿的運動速度開始逐漸變慢。這是因為在系統出現輕度內漏時，液壓泵的供油量一定程度上彌補了系統的內漏，使得活塞桿的運動速度無明顯變化。當系統出現嚴重內漏時，液壓泵供油能力不足，無法建立正常的油液流量，系統內油液壓力進一步降低，表現為活塞桿運行速度遲緩，起落架收放時間延長。

3.4 油液劣化變質故障

系統工作中油液不可避免的受到蒸發、氧化、污染等狀況，極易造成油液化學性能下降，導致油液劣化變質，變質后的油液黏度明顯降低。油液黏度系數越小表明油液的黏度越低，油液黏度將直接影響系統作動筒活塞桿的運行速度和效率[11]。設置Fliud MIL-F-5606液壓油的黏度降額因子參數為0.8, 1.0和1.2，對應的黏度系數分別為6.3, 7.9, 9.5。觀察油液黏度變化對活塞桿工作性能的影響。仿真結果如圖11所示。

圖11 不同油液黏度系數下活塞桿位移曲線

由圖11可知，油液黏度變化對系統作動筒活塞桿運動速度影響較小，隨著油液黏度系數的減小，活塞桿運動速度出現緩慢的下降趨勢。這表明隨著油液黏度系數的減小，系統的密封性能下降、內漏增加，使得活塞桿運行速度出現一定的下降趨勢。

仿真結果表明：隨著油液黏度的下降，活塞桿的運動速度緩慢下降，且對起落架收起過程的影響明顯大于放下過程。

4 結論

(1) 基于MATLAB/Hydraulics構建的某飛機起落架收放液壓系統仿真模型，根據系統實際狀況設置仿真參數，該模型反映了某飛機起落架液壓收放系統的工作狀態，仿真結果與系統實際運行工況一致；

(2) 系統管路堵塞越嚴重，起落架收放到位所需的時間越長，正常放下的時間為3.2 s，收上的時間為2.4 s，當管路堵塞達到70%時，起落架的放下時間增加至5.2 s，超出了維護手冊的規定值。管路堵塞對起落架放下速度的影響明顯大于收起狀態；

(3) 系統油液的空氣含量越大，起落架收放的運動速度越慢，當油液中的相對空氣含量達到25%時，起落架的放下時間為4.0 s，超出正常值0.8 s。若系統油液空氣含量較高，可通過頂升飛機，多次操縱收放起落架，盡可能排出系統油液中多余的空氣；

(4) 輕度的系統內漏對起落架收放所需時間影響較小，隨系統內漏面積增加，起落架收放所需的時間越長。通過仿真結果可知，當內漏面積達到1e-08 m2時，起落架放下時間為3.6 s，超出正常值0.4 s；

(5) 系統內油液黏度的變化對起落架收放時間影響較小，隨著油液黏度系數進一步的減小，起落架的放下時間基本不變，收上時間略有增加；

(6) 通過故障仿真，飛行員熟悉并掌握不同類型的液壓系統故障現象以及對起落架收放性能的影響，進一步增強了飛行員對液壓系統特情處置的能力。機務人員也通過故障仿真清楚的了解液壓系統故障發生的機理，為故障的診斷和預防提供了參考依據。