一种双腔缓冲器的建模及其性能表现

孙为民，刘晓志，陈 翔

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

一种双腔缓冲器的建模及其性能表现

孙为民，刘晓志，陈 翔

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

直升机为了满足坠毁时乘员生存率要求，主起落架大多采用双腔缓冲器。该文阐述了一种具有自适应控制阀的双腔缓冲器的数学模型。在ADAMS平台下编写了该缓冲器载荷计算的子程序，并将子程序嵌入到ADAMS里的计算主程序。仿真分析了在不同着陆速度下该缓冲器的性能表现，结果证明该缓冲器里的自适应控制阀能够较好地达到卸荷的作用，对起落架抗坠毁设计具有较强的意义。

起落架；双腔缓冲器；自适应控制阀

0 引言

直升机在着陆过程中与地面撞击，产生大量的能量，起落架吸收这些撞击能量，因此起落架的布局、构型和缓冲性能对直升机的着陆非常重要。如何精确地模拟计算直升机着陆过程一直是直升机起落架设计和分析的重要课题。

直升机起落架在结构形式上多采用支柱式和摇臂式。它是由多个构件通过多种类型运动副连接而成的复杂机械系统。着陆能量主要是靠缓冲器来缓冲和吸收，因此，缓冲器是起落架的一个重要部件。对具有抗坠毁要求的直升机起落架，其缓冲器的模型较为复杂。一方面这种缓冲器要满足较小着陆速度时的吸收功量和过载控制要求；另一方面要满足达到诸如85%生存率要求的10.2m/s着陆速度的吸收功量和过载控制要求；同时还要满足地面振动等要求。

本文所述的缓冲器是一种基于弹簧的自适应控制阀的双腔缓冲器[1]，这种缓冲器能够随压力变化自动调节油孔开启的面积。

1 起落架模型

起落架模型的动力学方程可统一表示为：

(1)

式中，q是状态向量，X是初始条件向量，F是缓冲器载荷，t是时间。其中F可统一表示为：

(2)

式中，FL为结构限制力，Fa为气腔压缩产生的力即气体弹簧力，Fh为油液阻尼力，Ff为摩擦力。

F是关于缓冲器压缩行程stroke和压缩速度stroke_rate的复杂函数。可表示为：

(3)

本文所述的基于弹簧自适应控制阀的双腔缓冲器安装在摇臂式起落架，这种摇臂式起落架的着陆性能详细计算方法可查阅相关手册[2]，本文着重阐述种缓冲器的数学建模及其性能表现。

2 一种双腔缓冲器的模型

一种双腔缓冲器结构如图1所示，它有高、低压两个气腔，还有上、下两个阀。这种阀有侧油孔和中心油孔，中心油孔能够因为阻尼压差而自动调节油针的行程，进而调节中心油孔面积的大小。我们称这种阀为自适应控制节流阀。

着陆时，缓冲器压缩，油液通过侧油孔，由于阻尼产生上阻尼压差DP1，同时压缩气体产生新的气腔压力air_p1，并有摩擦力Ff，三者构成缓冲器载荷F。开始时只有低压腔单腔运动，DP1，air_p1，Ff，F的计算公式如公式(4)-(7)所示。当缓冲器继续压缩，缓冲器油压不断增大，当大于高压腔的初始气压力时，高压气腔被压动，产生下阻尼压差DP2、高压腔新的气腔压力air_p2以及摩擦力Ff。在这个过程中，根据油压的相等来动态分配油液的流向和流量，即缓冲器的行程stroke分成低、高压腔的行程dis1和dis2，缓冲器的压缩速度stroke_rate分成低、高压腔的压缩速度vel1和vel2，计算公式如 式(8)-(15)所示。如果因侧油孔而产生的阻尼压差过大，油液会冲开中心油孔的调节油针，增大中心油孔的面积，因此迭代计算过程中需要不断修正上、下阀的中心油孔的开启面积。以上阀为例，此时阻尼压差的公式修正为公式(16)，中心油孔的开启面积根据阻尼压差作用在调节油针上产生的力与弹簧力动态相等而得到。上阀调节油针移动的距离为X11，调节油针的动力平衡方程如公式(17)。中心油孔开启面积是一个关于调节油针移动距离的函数X11，另外它还跟中心油孔半径R1、油针锥度α1等结构参数相关，模型如图2所示，推导出的公式如式(18)所示。中心油孔开启面积总是小于中心油孔初始面积，因此油针移动距离最大不超过一个值。

图1 缓冲器示意图 图2 节流阀开启模型

低压腔单腔运动时：

(4)

(5)

(6)

(7)

高、低压腔双腔共同运动时：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

方程中：rou―油液密度；fricf_coef―缓冲器摩擦系数；s_piston―压油面积；air_p10、air_p20―低、高压腔初始压力；air_p1、air_p2―低、高压腔压力；air_v10、air_v20―低、高压腔初始体积；air_s1、air_s2―低、高压腔横截面积；dis1、dis2―低、高压腔行程；vel1、vel2―低、高压腔压缩速度；g1、g2―低、高压气腔多变指数；Fk1、Fk2―上、下阀的弹簧预紧力；k1、k2―上、下阀的弹簧刚度；oil_orif1、oil_orif2―上、下阀的侧油孔面积；oil_s1、oil_s2―上、下阀的中心油孔开启面积；oil_s10、oil_s20―上、下阀的中心油孔初始面积；X11、X22―上、下阀的油针移动距离；oil_coef1、oil_coef2―上、下阀油液阻力系数。

根据上述的缓冲器计算模型，通过FORTRAN语言编制缓冲器载荷计算子程序，传递的变量为缓冲器的压缩行程和速度，得到的是缓冲器载荷。再通过ADAMS的命令cr-solverprivate生成动态链接库文件aircraft_solver.dll。仿真运行时，自动调用该子程序完成缓冲器载荷计算。缓冲器子程序编制时注意其步长与ADAMS求解器的仿真步长相协调。ADAMS平台下的起落架模型图如图3所示。

3 不同着陆速度时的缓冲器性能表现

分析在不同着陆速度时的缓冲器性能以及上、下阀的功效。在坠毁着陆时，缓冲器行程达到一定行程H时，机身结构触地，剩余的能量靠机身结构的变形吸收。本文不述及机身结构变形等相关内容，因此在分析中，当缓冲器行程达到H时，设置程序分析停止。选取2.5m/s、4m/s、6m/s、8m/s、10m/s的着陆速度，分析缓冲器性能表现。缓冲器的功量图如图4所示。从图中可以看出，在以2.5m/s着陆时，缓冲器基本是低压腔在工作，而从4m/s到10m/s，缓冲器载荷都超过了静压曲线的拐点，可以判断此时高、低压腔都参与了工作。

图3 ADAMS平台下的起落架模型图

图4 2.5、4、6、8、10m/s下缓冲器的功量图

以8m/s着陆速度分析。高、低压腔行程及缓冲器行程时域曲线如图5所示。高、低压腔压缩速度及缓冲器压缩速度时域曲线如图6所示。从图中可以看出缓冲器的工作过程，首先是低压腔工作，当缓冲器载荷较大时油液冲开高压腔，高、低压腔共同工作。上、下阀中的油针行程如图7所示。从图中可以看出上阀中的油针容易开启，而下阀中的油针略有打开。

图5 8m/s下低、高压腔行程时域变化曲线

图6 8m/s下低、高压腔压缩速度时域变化曲线

分析以6、8、10m/s着陆速度着陆时的上、下阀油针的工作情况。上、下阀的油针行程时域曲线如图7①、②、③所示。可以看出以6m/s、8m/s、10m/s的着陆速度着陆时，上阀的油针都有打开，增大了阻尼油孔，起到卸荷的作用；而下阀的油针在8m/s的情况时略有打开，在10m/s时有一定的全打开时间。下阀是安装在高压腔，高压腔只有在较大着陆速度时候才开始工作。

进一步分析上、下阀中油针的作用。取消下阀的中心油孔，在6m/s、8m/s、10m/s着陆速度情况下，下阀中有无中心油孔的缓冲器功量图对比如图8所示(虚线为无中心油孔的情况)。可以看出在以10m/s坠毁着陆时，高压腔的油孔组有一定的卸荷作用，将峰值从2.24×105N降为1.92×105N，而在8m/s以下基本没有卸荷作用。同时取消上、下阀的中心油孔，阀中有无中心油孔的缓冲器功量图对比如图9所示(虚线为无中心油孔的情况)。从图中可以看出，在10m/s时，中心油孔可将峰值从2.78×105N降为1.92×105N，卸荷作用较强。从图8、9可以看出，上、下阀都起到卸荷作用，但处于低压腔的上阀起的作用更大。

图7 6、8、10m/s时上下油针的行程时域变化曲线

图8 下油孔组无中心油孔

4 结论

本文阐述了一种安装有自适应控制阀的双腔缓冲器建模，分析了在不同着陆速度下的该缓冲器的性能表现，可以得到以下结论：

1)通过本例分析发现，这种基于弹簧的自适应控制阀具有良好的适应性，在较小着陆速度时，阀的中心油孔不打开，而在较大着陆速度如坠毁时，阀门的中心油孔打开，随着陆速度而调整油孔的面积，较好地达到了卸荷作用。

图9 上、下油孔组同时无中心油孔

2)在本例中，高、低压腔的阀表现也不完全一样，低压腔的阀起的作用更大。在具体设计中，应当具体分析阀的实际效用。

3)由于起落架抗坠毁试验花费较高，且都是一次性的，难以安排多个试验件进行不同设计参数的坠毁试验。同时，控制阀是安装在缓冲器内，阀的开启难以测量。在设计中应当充分计算各项设计参数对结果的影响，以保证抗坠毁试验的成功。

[1] 牟让科，齐丕骞，吴启荣，等.一种自适应双腔缓冲器动力特性研究[J].应用力学学报第，2001，18(9).

[2] 航空航天工业部科学技术委员会，编.飞机起落架强度设计指南[M].成都：四川科学技术出版社.1989.

Modeling of a Dual Chamber Absorber and Performance of the Absorber

SUN Weimin, LIU Xiaozhi, CHEN Xiang

(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001, China)

To meet the survival rate requirement while landing harshly, the main landing gear of helicopter uses a dual chamber absorber. The mathematical model of a dual chamber with adjustable valves has been built. The subroutine of the absorber force has been programmed under ADAMS, and the subroutine has also been embedded to the main program of ADAMS. The performance of the absorber has also been analyzed under different landing rates. The result proves that the absorber with adjustable valves has excellent unload ability, and the adjustable valve has an important meaning to the crashworthiness design of the landing gear.

landing gear; dual chamber absorber；adjustable valve

2016-03-07 作者简介：孙为民(1979-)，男，江西都昌人，工学硕士，高级工程师，主要从事直升机着陆装置的设计和性能分析。

1673-1220(2016)02-022-04

V226+.2； TH137.52

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