某型通航飞机液压系统故障诊断仿真研究

丰世林

(中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307)

0 引言

针对一架飞机而言，液压系统正常工作对保障飞机的安全运行起着至关重要的作用。在通航飞机中，由于飞机体型较小，液压系统只应用于起落架收放系统、襟翼收放系统和刹车系统。本文针对某型通航飞机液压系统展开研究，在该机型中，液压系统仅仅用于起落架的收放[1-2]。

从公开的资料看，在国外，波音和空客公司都提供了各自飞机液压系统的相关资料，包括液压系统工作过程，状态参数的变化情况等；在国内，西北工业大学马存宝教授等对大型飞机液压系统进行了建模和故障诊断研究；空军工程大学张忠、周瑞祥等对用于起落架收放的液压系统进行了热力学分析；南京航空航天大学李闯、张明等从设计角度对飞机起落架收放液压系统进行了分析和验证[3-8]。

综上所述，本文对通航飞机用于起落架收放的液压系统从维护角度进行了故障诊断仿真研究，分析了系统气塞和系统泄漏对起落架收放的影响，具有一定的应用价值，为该机型液压系统机务维护提供技术支持。

1 液压系统工作原理

1.1 起落架收起

当飞机起飞离地达到安全高度，就要收起起落架。起落架收放液压系统原理图如图1所示，驾驶舱中起落架收放手柄被打到收上位，通过机械钢索将信号送到起落架收放选择活门，选择左位工作，高压油从右侧进入三个起落架收放作动筒下腔，上腔回油，推动作动筒活塞杆缩回，使起落架收上。起落架收上后，收上管路液压油路被切断，压力油被封闭在管路内，使起落架保持在收上位。即使起落架重量小，也可靠液锁将起落架固定在收上位。

1.2 起落架放下

当飞机准备着陆之前，在空中就要放起落架。驾驶舱中起落架收放手柄被打到放下位，通过机械钢索将信号送到起落架收放选择活门，选择右位工作，高压油从左侧进入三个起落架收放作动筒上腔，下腔回油，推动作动筒活塞杆伸出，使起落架放下。

图1 起落架收放液压系统原理图

2 液压系统仿真建模

2.1 相关参数

根据该机型维护手册和实际尺寸，得到该机型液压系统相关参数如表1所示[2]。

表1 液压系统相关参数

根据表1的相关参数，电动机功率为：

W=UI=21 V·15 A=360 W=0.36 kW

(1)

式中，W为驱动齿轮泵的电动机功率；U为驱动齿轮泵的电动机电压；I为驱动齿轮泵的电动机电流。齿轮泵功率为：

W=PQ/(60·η)

(2)

式中，P为齿轮泵额定压力；Q为齿轮泵额定流量。

可求出齿轮泵额定流量：

(3)

式中，η为齿轮泵效率。

根据表1的相关参数，可以计算出收起落架时和放下起落架时相关的运动参数。

2.1.1 收起落架时

活塞杆运动速度：

(4)

活塞杆运动时间：

(5)

活塞杆能推动的负载：

(6)

式中，kgf表示公斤力，20 kgf表示起落架重量是20 kg，要使起落架进行收放，活塞杆必须至少承受20 kgf负载。

2.1.2 放下起落架时

活塞杆运动速度：

(7)

活塞杆运动时间：

(8)

活塞杆能推动的负载：

(9)

2.2 AMESim仿真

LMS Imagine.Lab AMESim是多学科领域的复杂系统建模仿真平台。本文根据AMESim软件建立起落架收放液压系统仿真模型如图2所示[9]。

图2 起落架收放液压系统仿真模型

根据图2建立的模型，首先得到理想情况下的仿真结果，仿真结果以主起落架活塞杆运动位移为对象。考虑在收上—收上保持液锁—放下一个工作循环内活塞杆的位移量。根据该机型维护手册可知理想收上或放下时间为6 s，故障时不超过12 s，以每个阶段设置15 s来进行仿真，方便后面分析故障状态。根据仿真结果得到理想情况下活塞杆位移线图如图3所示。

图3 理想情况下活塞杆位移线图

从图3可以看出，仿真的结果与实际计算结果相符，说明仿真模型正确，可以将该模型应用于故障诊断。

3 液压系统故障诊断

根据实际维护经验，该机型液压系统常见故障类型包括系统气塞和系统泄漏。本文首先分别分析系统气塞和系统泄漏单一故障影响，再分析系统气塞和系统泄漏的综合影响。

3.1 系统气塞仿真

液体与气体共存时通常会出现两种情况，一是气体完全溶解，此时对液体的可压缩性没有影响；二是存在自由运动的空气，这时就产生气塞，此时流体的刚度将降低，液体受压，体积缩小很大。

产生气塞现象时，主要从液体密度和压力的关系来分析，密度是压力的函数，并与液体的弹性模量有关。

(10)

式中，Bf为油液的弹性模量；ρf为油液的密度；Patm为大气压力；T为温度。

当液体的弹性模量为恒定值时，密度与压力呈指数关系变化。

(11)

在AMESim软件中可以进行批处理，设置流体特性图标的空气含量参数为全局变量，并以该参数设置成批处理参数。空气含量设置成0、6%、12%、18%、24%、30%共6种情况，不同空气含量参数活塞杆位移线图如图4所示。

图4 不同空气含量参数活塞杆位移线图

根据图4可以看出，气塞对收起落架影响比较大，空气含量越大，起落架收上到位所需时间就越长。正常情况下收上到位需要6 s，当空气含量达到30%时，收上到位需要12.05 s，超过了维护手册规定的12 s的警戒值。

放下管路的气塞对放下过程影响不明显，这是由于起落架支柱上的助力弹簧有帮助起落架放下到位上锁的辅助力量。

根据公式10和公式11，液压油中有空气，弹性模量降低，从而导致密度与压力都降低[9]，导致活塞杆运动到位的时间延长。因此，仿真结果符合理论推导。

3.2 系统泄漏仿真

泄漏现象非常复杂，为了简化仿真过程，采用一个节流孔和齿轮泵并联。通过设置节流孔直径的大小来仿真系统泄漏的严重程度。

采用小孔节流原理，利用伯努利方程推导。在AMESim中用修正的伯努利方程来计算流量[9-10]。

根据质量守恒定律，得到：

ρArvr=ρAvcvvc

(12)

式中，Ar为节流孔的面积；vr为节流孔处的流速；Avc为缩流断面的面积；vvc为缩流断面处的流速；ρ为液体的密度。

根据伯努利方程，得到：

(13)

式中，Q为通过薄壁口的流量；Aup为孔口上游通道断面的面积；Pup为孔口上游通道断面处的压力；Pvc为缩流断面处的压力。

根据上面两个公式可以推导出：

(14)

式中，Pd为通过薄壁口的流量；Cd、Cq为流量系数。

不同节流孔缝隙下活塞杆位移线图如图5所示。

从图5可以看出，液压系统泄漏对起落架收、放影响都比较大。节流孔缝隙越大，导致起落架收放时间越长。当节流孔直径达到1.5 mm时，不论是收上还是放下，时间都超过手册规定的12 s的警戒值。

根据式12～式14，系统泄漏量越大，导致系统可用油量越低，活塞杆运动到位所需时间延长，仿真结果符合理论推导。

图5 不同节流孔缝隙下活塞杆位移线图

3.3 气塞+泄漏仿真

在实际工作过程中，一般会同时出现气塞和泄漏现象，本文分别以节流孔缝隙为0.1 mm、0.5 mm、1 mm三种情况分别和气塞一起仿真。

3.3.1 节流孔缝隙为0.1 mm

设置节流孔缝隙为0.1 mm，气塞空气含量分别为0、6%、12%、18%、24%、30%，不同空气含量参数活塞杆位移线图如图6。

根据图6可以看出，节流孔缝隙为0.1 mm时，如果没有气塞，收上到位需要6.15 s，当空气含量为30%时，收上到位需要12.05 s，超过手册规定的12 s的警戒值。

图6 节流缝隙为0.1 mm不同空气含量参数活塞杆位移线图

3.3.2 节流孔缝隙为0.5 mm

设置节流孔缝隙为0.5 mm，气塞空气含量分别为0、6%、12%、18%、24%、30%，不同空气含量参数活塞杆位移线图如图7所示。

根据图7可以看出，节流孔缝隙为0.5 mm时，如果没有气塞，收上到位需要6.55 s，当空气含量为30%时，收上到位需要12.6 s，超过手册规定的12 s的警戒值。

图7 节流缝隙为0.5 mm不同空气含量参数活塞杆位移线图

3.3.3 节流孔缝隙为1 mm

设置节流孔缝隙为1 mm，气塞空气含量分别为0、6%、12%、18%、24%、30%，不同空气含量参数活塞杆位移线图如图8所示。

根据图8可以看出，节流孔缝隙为1 mm时，如果没有气塞，即空气含量为0，收上到位需要8.2 s，当空气含量为30%时，收上到位需要14.3 s，大大超过手册规定的12 s的警戒值。

图8 节流缝隙为1 mm不同空气含量参数活塞杆位移线图

4 结语

根据仿真结果可知：

(1)只有气塞故障时：空气含量越大，起落架收上到位所需时间就越长。正常情况下收上到位需要6 s，当空气含量达到30%时，收上到位需要12.05 s，超过了维护手册规定的12 s的警戒值。

(2)只有泄漏故障时：节流孔缝隙越大，导致起落架收放时间越长。当节流孔直径达到1.5 mm时，不论是收上还是放下，时间都超过手册规定的12 s的警戒值。

(3)气塞和泄漏同时故障时：节流孔缝隙为0.1 mm时，如果没有气塞，收上到位需要6.15 s，当空气含量为30%时，收上到位需要12.05 s，超过手册规定的12 s的警戒值。节流孔缝隙为0.5 mm时，如果没有气塞，收上到位需要6.55 s，当空气含量为30%时，收上到位需要12.6 s，超过手册规定的12 s的警戒值。节流孔缝隙为1 mm时，如果没有气塞，即空气含量为0，收上到位需要8.2 s，当空气含量为30%时，收上到位需要14.3 s，大大超过手册规定的12 s的警戒值。

根据该机型长期对收放系统的使用及故障数据的记录，本文的仿真结果和该机型实际的运行故障数据基本吻合，所以本文的液压系统仿真与故障诊断研究是可信的。本文的分析为该型飞机的液压系统维护起到一定的参考作用，为该机型机务维修提供技术支持。

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