某型飞机起落架机电液一体化可靠性分析

冯志杰，王煜阳，周 昊

(1.航空工业航宇救生装备有限公司, 湖北 襄阳 441000;2.航空防护救生技术航空科技重点实验室, 湖北 襄阳 441000;3.西北工业大学 力学与土木建筑学院, 陕西 西安 710072)

起落架系统为飞机起飞、着陆、滑行和地面停放提供支撑，同时也能吸收飞机在滑行和着陆过程中的振动和冲击。由于现代飞机空地循环周期缩短，工作环境复杂，起落架系统在使用中发生失效的概率较高[1]。起落架系统的复杂性不仅仅是其运动机构复杂，并且还是由机械系统、控制系统、液压系统，即机、电、液三部分组成，因此要对起落架系统进行可靠性分析就涉及到多学科耦合分析[2]。传统的可靠性分析方法是对物理样本进行可靠性实验，无法完全考虑复杂机构和复杂工作环境的不稳定因素，另外，实验成本高，周期长，实验数据量少，失效概率低。目前普遍采用的可靠性研究方法是通过虚拟样机计算进行仿真实验得到仿真数据后再进行可靠性计算与分析，郭华新[3]利用ADAMS软件和Matlab/Simulink软件建立遥控武器站交流位置伺服系统模型，经过仿真计算，验证了机电系统的可行性；朱德泉[4]提出了机电液一体化系统仿真优化一体化思想与实现方法，搭建了集成CATIA、ADAMS、ANSYS、AMESim、MATLAB等软件的仿真平台；王慧[5]建立了一种与计算机辅助设计、结构有限元分析、多体动力学分析和液压控制分析等商用软件进行联合仿真分析的可靠性仿真试验系统，并利用该系统对某起落架系统进行了可靠性仿真分析；侯志辉[6]利用了EASY5等软件实现联合仿真模拟了飞机武器舱门机电液系统。

本研究以某教练机的前起落架为例，根据其运动精度要求，利用ADAMS(机械系统)、AMESim(液压系统)、Matlab(控制系统)建立机电液联合仿真模型研究前起落架系统的运动性能，并用Monte Carlo法对获得收起功能运动精度的仿真数据进行可靠性分析和灵敏度分析，得到了影响收起功能运动精度的主要设计参数，为起落架可靠性评估和维修保养提供了依据。

1 起落架系统机电液一体化建模

机电液系统划分为机械、液压、控制等3个子系统。机械子系统是若干个机器与机构及其附属装置组成的系统，由质量、刚度和阻尼各元素所组成，作用是执行作业，完成机构运动功能；液压子系统是以油液作为工作媒介，利用油液的压力能并通过控制阀门等附件操纵液压执行机构工作的装置，作用是为机械子系统提供动力，其输出力与外载共同作用于机械子系统上；控制子系统是由被控制对象和控制装置所构成，实时检测机械子系统运动位移、速度、加速度等运动参数，依据系统的期望目标，采用合适的控制算法计算获得实时控制的信号,调节液压子系统输出参数，以达到对机械子系统状态控制的目的。大体上可以通过数据传送和参数的关联集成各个系统模型[7],各子系统之间参数关系如图1所示。

图1 机电液一体化系统各子系统之间的参数关系

对于一般飞机的起落架机电液系统，机械系统主要是起落架的收放机构，液压系统包括油箱、油路、收放作动筒等液压元件，控制系统主要是控制开关和反馈电路。起落架的收起步骤分以下7个步骤：

1) 控制开关处于“收起”位置，发出收起信号；

2) 收起信号经过继电器开关进入液压系统的电磁伺服阀；

3) 阀门接收到信号开启，液压源的供压管路和作动筒开启管路连通，液压油经阀门进入筒腔；

4) 液压油由于液压差推动作动杆，作动筒收入，起落架收起，另外液压油从另一端的回油管路经电磁阀流回油缸；

5) 当起落架缓冲支柱运动到既定角度时，角度传感器检测到缓冲支柱并经过反馈电路反馈给液压系统；

6) 电磁伺服阀接收到角度反馈信号调节阀门开度直至到达既定角度，液压系统停止工作；

7) 角度传感器检测到缓冲支柱运动到既定角度时，上锁固定起落架，起落架收起完毕。

1.1 ADAMS机构模型建模

本研究根据某型教练机的前起落架机构运动原理，将起落架实际结构进行简化。在建立起落架虚拟样机模型时，保证仿真构件的几何形体的质量、质心位置、惯性矩和惯性积同实际构件相同。某型教练机的前起落架机构主要由液压作动筒、斜撑杆、主支柱筒和机轮组成，依据这些部件的实际几何参数和工作性能指标，在多体动力学分析软件ADAMS中建立了机构运动学和动力学仿真模型，如图2所示。

图2 前起落架简化模型

1.2 AMESim液压模型建模

AMEsim软件不需要建立复杂的方程，就可以快速、方便直观地使物理模型直接转换为实时仿真模型。目前，AMEsim软件已经在液压系统、传动系统、冷却系统、机电系统、制动系统以及燃油喷射系统等中得到了广泛应用。面向工程应用的定位使得该软件成为液压、航空航天以及汽车等部门的理想选择[8]。在AMESim中建立液压系统功能图(图3)。如图所示是起落架液压系统的模型，主要由电磁伺服阀、液压源、油箱、作动筒等组成。电磁伺服阀接收控制系统的输入信号，控制阀门A、B、P和T的开关；阀门P和T连通液压源P和油箱，控制液压油输出到活塞和回油到油箱，阀门A 、B连接作动筒，通过液压差提供给作动筒液压压力；作动筒中的液压油因为油压压差通过活塞作用输出作用力；连接活塞的是一个质量块，代表作动杆的质量；在质量块边上连接着一个位移传感器，将位移信号作为输出变量反馈到控制系统。

图3 液压系统功能框图

1.3 Matlab/Simulink控制系统建模

Simulink的编程语言简洁，能够方便地实现控制算法；与主流的机械、液压仿真软件兼容性好，方便实现软件间数据共享和互操作；提供了多种解算方法，可供用户选择使用[9]。因此，选择Matlab/Simulink 软件作为机电液一体化系统主仿真平台，完成联合仿真数据的交换与处理的主控软件，即AMESim软件完成液压仿真，ADAMS软件完成机械仿真，最终通过联合仿真接口将数据汇集到Matlab/Simulink软件中完成机电液系统的建模任务。

分别将ADAMS模型和AMESim模型参数化，并设定输出场和输入场。电信号控制作动筒的位移，达到运动精度的标准是起落架转角，所以将作动筒的位移变量作为输入场，起落架转角和作动筒的力作为输出场。将模型导入到Matlab/Simulink软件中会自动生成相应的S函数，最后在 Simulink软件中建立阶跃信号源模块、反馈回路模块、时间记录器模块作为控制系统，并和机械系统ADAMS模块、液压系统AMESim模块相连接得到如图4所示的起落架机电液一体化联合仿真模型。

图4 起落架机电液仿真模型

2 起落架系统机电液一体化仿真分析

对于正常工作状态下的飞机起落架系统(见图4)，控制系统产生控制开关信号，液压系统接收该控制信号并输出液压作动筒的位移数据，机械系统接收位移数据并输出起落架收起角度、作动筒位移、作动力3个重要观测数据，时间记录器记录实时的角度变化数据并输出到达指定角度的时间，反馈回路接收实时的角度变化数据并反馈给液压系统，控制阀门的开度。为了验证仿真模型的可行性，对起落架机电液系统仿真模型进行确定性分析。仿真7 s后得到3个输出量的时间变化曲线(见图5)。结合实际该起落架的收放实测数据，从图5和表1中的数据可以看出联合仿真结果基本符合技术要求，说明联合仿真模型是可行的，符合实际情况。

图5 起落架收起角度、作动筒活塞杆行程及其作用力变化曲线

表1 仿真结果数据

3 起落架系统机电液一体化可靠性分析

3.1 可靠度计算分析

飞机起落架在复杂的工作环境下实现收放功能时，各个运动功能参数都具有一定的随机性，比如变化的工作油压、元件的尺寸公差等。这些随机因素会导致起落架性能不确定，严重时会导致起落架收放失败，因此需要对起落架开展功能可靠性分析。在实现了飞机起落架可靠性性能设计模型后，可以利用性能设计模型完成起落架收起等性能仿真分析。在起落架可靠性性能设计模型中加入可变因素后，使用Monte Carlo法进行可靠性分析，通过仿真实验获得系统设计参数与关键参数之间的抽样点关系集合拟合方程，建立确定性关系。具体思路如图6所示。

图6 系统可靠性参数设计方案流程

对于飞机起落架完成收起过程进行可靠性分析，选择液压油的黏度、油压、作动筒内径3个因素作为机电液的重要设计参数，概率分布都选取正态分布，达到指定角度范围的收起时间和作动筒最大作用力作为可靠性性能指标。

在起落架机电液系统中，液压油的黏度、油压、作动筒内径具有一定的随机性，会对液压系统中的活塞作动杆的运动快慢产生影响，所以每次仿真结果到达指定角度范围的收起时间是不一样的。为了使起落架可靠、安全的在规定时间内收起，假设设计要求收起时间不能超过T0，最大作用力F。在多个失效模式情况下可靠性分析的Monte Carlo法采用并联失效模式，建立起落架的极限状态方程为：

(1)

式中：g1i和g2i分别为收起时间和最大作用力的功能函数；ti为飞机起落架收起时间；fi为最大作用力；i为第i次仿真。若g1i<0或g2i<0即认为起落架收起故障。

模型仿真5 000次模拟5 000次起落架收起过程，仿真结果见表3所示。

表2 参数设计

表3 可靠性分析结果

根据可靠性分析结果，可以看出在这5 000次仿真模拟过程中：

1) 主要的失效模式是起落架收起时间失效。作动筒最大作用力不超过8 000 N，一直都在安全域内。可见这3个参数的设定对起落架时间的影响较大，对作动筒作用力的影响较小。

2) 该模型的失效概率为0.000 1，可靠性较高，结构设计较为合理，出现故障的可能性较低。失效概率方差为1.998 4e-07，方差较小说明算法较为可靠。

3.2 灵敏度分析

可靠性灵敏度计算主要是为了判断各个参数对功能函数的影响大小，从而得到关键参数，为寻找运动机构的关键失效部位和失效模式提供依据。在很多具体的实际工程问题中，参数化密度分布的假设并不一定满足，或是不同类别的参数之间存在相互关联，因此不能把这种复杂的关系通过简单的公式形式表达出来。鉴于上述多种原因，由于关于基本变量的功能函数G(x)未知并且可能比较复杂，难以用数值方法求解，这里采取多项式拟合可靠性的功能函数。根据可靠度计算结果，起落架系统收起功能的主要失效模式是起落架收起时间失效，因此对收起时间功能函数g1i(x)开展可靠性灵敏度分析。将式(1)中的收起时间功能函数g1i(x)二次项拟合：

g1i(x) =a0+a1x1i+a2x2i+a3x3i+a12x1ix2i+

(2)

其中：x1i表示液压油压；x2i表示作动筒内径；x3i表示黏度系数；anm表示各项拟合系数。对起落架收放时间功能函数g1i(x)抽样1 000次进行灵敏度计算，计算结果见表4所示。

表4 各项参数均值灵敏度

从表4数据分析，可以得到液压油的黏度系数和油压与灵敏度成负相关，即在适当范围内，液压油的黏度系数和油压越大，起落架收放系统的可靠度越小，越容易出现故障；作动筒内径与灵敏度成正相关，即在适当范围内，内径越大，起落架收放系统的可靠度越大，系统工作越稳定；在这3个参数中，作动筒内径对模型运动精度可靠性的影响要大于其他两个参数，应该是相对重点考虑的失效因素。

4 结论

本文建立了前起落架机电液一体化联合仿真模型，开展起落架收放系统运动功能可靠性分析，根据分析结果认为某教练机起落架收放系统的收起功能可靠度较高，达到预定收起角度的时间是主要的可靠性失效模式。从灵敏度分析结果来看，液压油的黏度系数和油压与灵敏度成负相关，即在适当范围内，液压油的黏度系数和油压越大，起落架收放系统的可靠度越小，越容易出现故障；作动筒内径与灵敏度成正相关，即在适当范围内，内径越大，起落架收放系统的可靠度越大，系统工作越稳定；在这3个参数中，作动筒内径对模型运动精度可靠性的影响要大于其他两个参数，应该是相对重点考虑的失效因素。在日常维护中，应当定期清理作动筒，减小活塞与筒壁的摩擦磨损。

[1] 朱林，孔凡让，尹成龙,等.基于仿真计算的某型飞机起落架收放机构的仿真研究[J].中国机械工程，2007，18(1):26-29.

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[3] 郭华新，赫雷，曹雏清,等．遥控武器站交流位置伺服系统控制及联合仿真[J]．兵器装备工程学报，2016(6):10-15.

[4] 朱德泉.基于联合仿真的机电液一体化系统优化设计方法研究[D].合肥:中国科技技术大学，2012.

[5] 王慧，喻天翔，雷鸣敏，等.运动机构可靠性仿真试验系统体系结构研究[J].机械工程学报，2011，47(22):191-198.

[6] 侯志辉，童明波，杨波.基于EASY5的某型飞机武器舱门收放过程仿真[J].机床与液压，2010，21(38):111-112.

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[9] 赵建荣，江浩.某飞行器的机电液一体化仿真研究[J].微型机与应用，2014，33(23):75-80.