液体弹性模量对减摆器阻尼特性影响的研究

(北京精密机电控制设备研究所， 北京 100076)

引言

飞行器在着落滑跑过程中，前轮发生摆震是比较常见的现象，摆震现象会对起落架系统以及飞行器结构造成巨大影响，甚至会造成飞行器着陆的失败，因此，防止飞行器前轮摆震是起落架系统设计过程中的重要环节。目前为止，防止前轮摆震最有效的办法是装置液压减摆器[1]。由于减摆器的减摆效果受到系统刚度、油液刚度、轮胎刚度、着陆工况、连接间隙等诸多因素的影响，其减摆效果一般只能通过系统摆震试验来确认，在设计之初，很难通过理论计算来确定结构参数。因此，有必要通过仿真来确定减摆器工作特性的规律，进而指导减摆器的设计工作[2]。

1 液压减摆器原理

活塞式减摆器是最常用的一种液压减摆器。飞行器着陆过程中，前轮受干扰激励发生偏转，偏转通过起落架扭力臂以及转动套筒结构传递到减摆器摇臂上，摇臂和拨杆带动活塞往复移动。在此过程中，油液流经活塞上的阻尼孔，摆动的能量会以热能的形式被散失掉，从而达到减摆的效果。

典型活塞式液压减摆器工作原理及结构如图1所示[3]。

1.壳体 2.阻尼孔 3.摆杆 4.活塞 图1 减摆器工作原理图

活塞式液压减摆器通常由壳体、活塞、摆杆等部分组成，部分产品还具有油液补偿装置，用以吸收或补偿由于温度变化引起的油液体积变化。阻尼孔位于活塞上，当减摆器收到摆动激励时，油液通过阻尼孔在左右两油腔间流动，由阻尼孔造成的局部压力损失以及沿程压力损失共同作用产生阻尼力矩。在阻尼力矩的作用下，活塞在壳体内部做幅值衰减的往复运动，运动过程中将摆动激励的机械能转化为热能消耗掉[4]。

2 油液流量方程

建立减摆器产品内部工作介质流量方程。设减摆器容腔总体积V=Vo+Vg，Vo和Vg分别为油液和气体体积。运动过程可视为绝热过程，则容腔体积V可表示为[5]：

(1)

其中，Vo0和Vg0分别为液体和气体的初始体积。p0为容腔初试压力，p为容腔压力，βe为液体弹性模量，n为气体常数。

将V对p进行微分可得到：

(2)

(3)

忽略活塞与壳体间隙的内泄漏，则高压腔Qh和低压腔的流量Ql分别为：

(4)

(5)

其中，Vh和Vl分别为高压腔和低压腔的容积，ph和pl分别为高压腔和低压腔的压力，K1和K2分别为高压腔和低压腔对应的常数K。

高压腔体积Vh和低压腔体积Vl可以写成：

(6)

其中，V0为两腔初始容积，A为活塞截面积，x为活塞位移。

所以可以得到：

(7)

由于Qh=-Ql，负载压力pL=ph-pl，所以负载流量QL有：

(8)

可见液力连续性流量方程[6]：

(9)

是在Vg0=0和e-(p-p0)/βe≈1时的一种特殊形式[7]。

3 仿真分析及试验验证

3.1 仿真模型

在AMESim环境下，建立活塞式减摆器仿真模型[8]。减摆器实际产品的测试方法通常有振动加载法和恒定加载法两种。仿真过程中，通过模拟振动加载法来确定产品的阻尼特性，减摆器的输入信号为x=Asinwt，即减摆器活塞的正弦形式输入。所搭建的减摆器模型充分考虑产品的实际结构，中间腔为油液补偿装置，模型如图2所示。

图2 活塞式减摆器特性仿真模型

3.2 油液弹性模量对阻尼特性的影响

理论计算中，液体被视作弹性模量很大的刚体，实际上，油液弹性模量远小于理论值，油液充填过程中，也很难做到完全排干净气体，油液弹性模量会进一步下降。而油液中混有气体的综合外在表现就是工作介质的弹性模量较小，即工作介质偏“软”。所以，分析油液弹性模量对于产品阻尼特性的影响对于指导产品设计、保证产品一致性具有重要意义。分别设置油液弹性模量为1700， 1000， 700， 200 MPa在2 Hz频率以及8°幅值参数条件下进行仿真，仿真结果如图3所示。

图3 不同油液弹性模量阻尼力矩变化情况

当设置液体弹性模量为200 MPa时，分别在频率为1， 2， 3， 4 Hz条件下进行仿真，摆动幅值为8°，得到某一速度范围内的力矩T-角速度ω曲线如图4所示。

图4 不同频率下力矩-角速度曲线

3.3 试验验证与分析

通过理论计算，减摆器阻尼力矩T与角速度ω近似为二次函数函数关系。可以看出，理想条件下，相同角速度所对应的阻尼力矩应该一致。通过实测结果发现，产品阻尼力矩随角速度的增加而近似呈二次函数关系增大的趋势是正确的，但却存在相同角速度下，频率越高阻尼力矩越小的情况。

与仿真结果相对比可以看出，液压油本身弹性模量达不到理想值1700 MPa时，油液的压缩性不可被忽略，在固定作频率条件下，阻尼孔通过的流量相比于输入的正弦信号，存在流量的滞后和衰减。流量滞后的表现就是产品最大力矩并不是出现在角速度最大点，流量衰减在产品特性上就表现为流量小于理论流量，也就造成阻尼力矩小于理论值的情况，理论上频率越高，误差越大。

利用同样结构参数减摆器实物产品利用振动加载法在各频率下特性测试测，测试装置如图5所示。该型号产品补偿腔活塞直径为40 mm，完成油液充填，在2 kN压力挤压补偿活塞，补偿腔活塞压缩2 mm，折算油液弹性模量约为195 MPa，在已有试验条件下，比较容易实现该充填状态并且可以保证较好的一致性，因此选择在该充填状态下进行试验验证。试验过程中，采集作动器位移信号，用以计算出减摆器拨杆摆动角速度；采集减摆器左右两腔压力信号，用以计算产生的阻尼力矩。

在相同输入条件下，试验结果如图6所示，与200 MPa下仿真结果基本吻合。

图6 实测力矩-角速度曲线

4 结论

油液弹性模量对产品阻尼特性有较大影响。在进行产品设计的过程中，要充分考虑这一因素[9-11]，设置恰当的阻尼孔尺寸的同时，要设计恰当的充填结构和工艺方法，保证充填过程中，尽可能地排净产品内部气体，提高油液的弹性模量[12]。而油液充填效果可以通过设计专用工装来检测充填后液体的弹性模量，进而保障产品的一致性。进行减摆器产品特性仿真的目的在于更好地指导产品设计，减摆器产品结构复杂，各种因素相互影响，而起落架系统还参杂各种非线性的不确定因素，所以如何准确控制产品阻尼特性，如何确定减摆器产品性能对于摆震试验试验结果的影响，仍有待进一步研究分析。