飞机起落架收放作动器的设计方案与仿真分析
飞机起落架收放作动器的设计方案与仿真分析
The Design and Simulation Analysis of Landing Gear Actuator
作者: 张朋通讯作者. Tel.：010-68757674 E-mail：zpbuaa@126.com北京精密机电控制设备研究所，北京 100076张朋（1984-）男，博士，工程师。主要研究方向：电液伺服系统研究和设计。Tel：010-68757674E-mail：zpbuaa@126.comCorresponding author. Tel.：010-68757674 E-mail：zpbuaa@126.comBeijing Institute of Precision Mechatronics and Controls，Beijing 100076，China 赵春北京精密机电控制设备研究所，北京 100076赵春（1987-）男，硕士，工程师。主要研究方向：电液伺服系统设计。Tel：010-68754610E-mail：zplut2010@126.comBeijing Institute of Precision Mechatronics and Controls，Beijing 100076，China
Author: ZHANG Peng ZHAO Chun
关键词：起落架收放作动器;一体式;双冗余;AMESim;仿真
Keywords：landing gear actuator;integration;double redundancy;AMESim;simulation
摘要：为了适应飞机多电化发展需求，针对某小型飞机的起落架收放机构特点，设计了一种能源双余度、集成一体化、高比功率起落架液压作动器，提出了一种具有到位缓冲功能的单出杆对称液压缸的设计方案。基于AMESim建立了起落架液压收放器和收放机构的模型，并对起落架收放运动进行了仿真。仿真分析结果表明，所设计的能源双冗余液压系统、作动器到位缓冲结构，原理合理可行，为实际工程应用奠定了基础。
Abstract：In order to the needs of multi-electric aircraft development，to design a hydraulic dual redundant energy，integration and high power system according to the characteristics of a small aircraft landing gear retraction and release mechanism. A design method of symmetrical hydraulic cylinder was presented，which is single output rod and has buffering function. To establish the models of a hydraulic actuator and retraction and release mechanism based on AMESim，the simulation was done for landing gear movement. Simulation results show，the principle of distributed hydraulic system which was designed in this paper is reasonable and feasible，it has lay a theoretical foundation for the practical application in the future.
中图分类号：V226 TH137.5 文献标识码：A 文章编号：1007-5453（2017）08-0028-06
DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2017.08.028
收稿日期：2017-04-25；退修日期：2017-05-02；录用日期：2017-07-15
引用格式：ZHANG Peng，ZHAO Chun. The design and simulation analysis of landing gear actuator［J］. Aeronautical Science & Technology，2017，28（08）：28-33.张朋，赵春. 飞机起落架收放作动器的设计方案与仿真分析［J］. 航空科学技术，2017，28（08）：28-33.
飞机起落架是飞机起飞、着陆、滑行和地面支撑、停放的主要装置［1，2］。现代前三点式飞机起落架收放方式大致可分为沿翼展和翼弦方向两种，民用客机的主起落架一般采用沿翼展方向的收放方式，以减少起落架收放动作对飞机重心的影响［3］。小型飞机一般采用翼弦方向的收放方式。目前，大多数飞机起落架收放动作由集中式液压能源驱动收放作动筒完成［3，4］。而随着飞机的多电化的发展趋势，国外开始研制集成一体式液压作动收放系统，并成功在一些飞机上装机应用。国内对该类作动器的研制目前还处于理论探索阶段，还没有实际装机通过飞行验证。
本文针对某小型飞机的起落架收放作动器的设计需求，开展了能源双余度、集成一体化、高比功率液压收放作动器的研制工作，采用两套电机驱动单柱塞式阀配流能源组件、方向阀、单向阀、增压油箱等组成闭式液压系统，并设计作动筒到位缓冲结构。对液压系统和起落架的收放机构进行建模，仿真验证所设计的收放液压系统的合理性、可行性，为一体化液压收放作动器的设计提供理论支撑。
1 液压系统和起落架收放机构分析
起落架的收放动作涉及收放液压作动器系统和起落架收放机构，本节分别对液压系统、作动器结构开展设计和计算，并对起落架收放结构进行分析。
1.1 液压系统及工作原理
收放作动器液压系统采用双冗余电机驱动单柱塞的阀配流能源组件，两套能源组件互为备份，正常状态下两套能源同时工作，若其中一套能源出现故障，作动器可以依靠另外一套能源正常工作，完成起落架的收上和放下动作。电机为单向定速旋转，起落架的收上/放下动作通过电磁阀切换完成，增压油箱为系统补充内漏流量，单向阀和节流阀组成平衡阀，防止起落架收放过程中的气动载荷对起落架的扰动。起落架的收放没有精确的位置精度控制，仅通过行程开关判断起落架的收起和放下动作的完成，为进一步提高可靠性，作动器的两端到位开关也采用双冗余设计。作动器原理图如图1所示。
考虑集成一体化收放作动器的结构紧凑性设计需要，液压能源组件采用电机驱动单柱塞阀配流方式，原理图如图2所示。电机带动凸轮转动，柱塞在凸轮的驱动下往复运动，容腔通过两个单向阀完成吸油和排油。
图1 液压系统原理图 Fig.1 Hydraulic system schematic
图2 能源组件原理图 Fig.2 Energy schematic
1.2 作动器结构设计
为了使起落架收放作动器收/放运动具有一致性，以及闭式液压油路的油箱小型化，作动器采用对称缸，另外，考虑到整机作动系统轴向安装空间的限制，将作动器设计成单出杆的对称缸。
起落架的收放运动为开关式、开环控制，作动器的到位通过接近开关检测，并控制电机的停机。因此，作动器的运动到位缓冲功能是非常必要的，本文提出了一种基于单出杆对称缸的到位缓冲结构。
收放作动器的结构如图3所示。作动器活塞杆为中空式结构，伸出和缩回作动腔平行布置，伸出腔为作动筒与活塞杆形成的腔体，缩回腔为中空活塞杆内部与进油杆形成的腔体。原理如图4所示。
作动器的有效工作面积可表示为：
式中：A为作动器有效工作面积，单位为mm2；DR为作动筒内径，单位为mm；D为活塞杆外径，单位为mm；Dr为活塞杆中空容积内径，单位为mm。
图3 起落架收放作动器 Fig.3 Landing gear retraction and release actuator
图4 作动器结构原理图 Fig.4 Actuator structure diagram
单出杆的对称缸进出油口位置如图4所示，基于该进出油口形式，设计作动器的到位缓冲结构。
伸出到位缓冲，通过活塞杆接近到位时改变出油口的流口面积实现，结构原理如图5所示。伸出出油口的截面为矩形结构，a为长度，b为宽度，设置在伸出限位的底端，当活塞杆的活塞运动到油口位置时，随着活塞的继续运动，活塞的外表面将开始重叠遮挡出油口的截面，使得出油流口的面积逐渐减小。出油口面积表示为：
式中：A′为油液流口的截面面积，单位为mm2；x（t）为活塞杆遮挡出油口的运动位移，单位为mm/s。
图5 伸出缓冲结构原理图 Fig.5 Buffer structure diagram
缩回到位缓冲同样是通过改变缩回出油口的面积实现，结构原理如图6所示。缩回出油口设置在作动器的芯部进油杆上，顶端设置锥形凹槽，与之对应的活塞杆设计为锥形凸起结构，锥形凸起和锥形凹槽的角度相等，表示为a，即锥形面为平行面。当活塞杆凸起运动到和凹槽重叠后，活塞杆继续运动，凸起和凹槽之间的环形截面面积将随着位移的增加而减小，起到节流的作用。
图6 缩回缓冲结构原理图 Fig.6 Buffer structure diagram
锥面环形截面如图7所示，因此，计算环形截面的面积A″表示为：
式中：dr为活塞杆锥面凸起顶端圆的垂直半径，单位为mm，其中，dr表示为：
式中：r为活塞杆锥面凸起顶端圆直径，单位为mm；d为锥面凸起和凹槽之间的垂直距离，单位为mm，其中d表示为：
式中：R为进油杆锥面凹槽顶端圆直径，单位为mm。
图7 锥面环形截面计算原理图 Fig.7 Schematic diagram of conical annular section
1.3 起落架收放机构分析
起落架的收放装置主要由平面连杆机构组成［5，6］，原理图如图8所示。起落架支柱铰接于机体，连杆1、连杆2组成平面连杆收放机构，其中，连杆2为直角形结构，且直角点铰接于机体，收放作动筒两端支耳分别铰接于机体和连杆2，当起落架放下状态时，连杆1、连杆2形成二力杆系，承受飞机着陆时的水平冲击力。起落架在收上和放下过程中，收放作动器需要克服起落架重力以及复杂的气动载荷［7］。
图8 起落架收放机构 Fig.8 Landing gear retraction and release mechanism
起落架在收上和放下过程中的受到气动载荷较为复杂，根据等效简化可以表示为图9所示的曲线［8～10］。其中，零角度是指起落架收上状态时起落架支柱相对铰接点的位置。
图9 气动载荷曲线 Fig.9 Aerodynamic load curve
2 起落架收放运动的建模与仿真分析
起落架收放运动的建模仿真分析，包括作动器液压系统的模型和起落架收放机构平面连杆及负载模型。起落架收放作动器系统建模仿真基于AMESim软件平台，利用其液压库和杆系结构库完成。
2.1 液压系统模型建立
起落架收放作动器液压系统主要包括能源组件、单向阀、安全阀、油箱、两位四通电磁阀、平衡阀等。作动器的到位缓冲，根据式（1）、式（2）所示，由控制模块完成，起落架收放作动液压系统仿真模型如图10所示。能源组件是电机驱动凸轮使得活塞往复运动，增压油箱采用弹簧和充气增压，两位四通电磁阀为逻辑控制阀。
图10 液压系统仿真模型 Fig.10 Hydraulic system simulation model
2.2 收放机构和载荷模拟模型建立
起落架收放机构为连杆机构，包括起落架支柱、连杆1、连杆2，收放过程中的载荷主要是重力载荷、气动载荷，而气动载荷是和收放位置有关系的函数式。力矩为摩擦力矩，这里对此忽略不计。收放机构及负载模型如图11所示。
图11 起落架收放机构及载荷模拟仿真模型 Fig.11 Simulation model of landing gear retraction mechanism and load
2.3 仿真分析
基于起落架收放作动器液压模型和收放机构及负载模拟模型，对起落架的收上和放下运动进行仿真。系统参数如表1所示。
在仅考虑起落架重力、不考虑气动载荷的情况下，平衡阀1、2节流孔直径0.32mm，图12为起落架放下、收上过程的作动筒伸出、缩回位移曲线，可知起落架放下时间t1为18.2s，收上时间t2为23.6s。起落架的放下过程中对于作动器来说是正负载，在方向阀控制系统中，负载有利于作动筒的伸出。作动筒两工作腔压力如图13所示，压差最大约为6MPa，压力有波动。另外，通过图12曲线可看出，在活塞杆运动的末端，运动缓慢明显，作动器到位缓冲的设计，作用明显。起落架放下过程平稳性较好。
表1 系统的基本参数 Table 1 The basic parameters of system
图12 作动筒收放位移图 Fig.12 Displacement curve of actuator retraction and release
图13 作动筒两腔压力曲线 Fig.13 Two chamber pressure curve of actuator
对起落架加载如图9所示曲线的气动载荷，平衡阀1、2节流孔直径0.32mm，起落架收放作动筒的位移曲线如图14所示，可知起落架收上时间为15.8s，放下的时间为39.5s，作动筒两侧的压差曲线如图15示，压差最大为7.6MPa，压力有波动，但起落架整体运动平稳性较好。
图14 作动筒收放位移图 Fig.14 Displacement curve of actuator retraction and release
图15 作动筒两侧压力曲线 Fig.15 Two chamber pressure curve of actuator
3 结论
本文针对某小型飞机设计了一种集成一体化、高比功率起落架收放液压作动系统，采用电机驱动单柱塞阀配流泵提供系统动力，提出了一种具有到位缓冲功能的单出杆对称液压缸的设计方案，并对液压系统和起落架收放机构进行了建模，仿真结果表明：
（1）为紧凑设计而采用的单活塞式阀配流能源组件，虽然在起落架收放过程中，系统压力有波动，但收放作动筒全程运动平稳，满足起落架收放运动的任务需要。
（2）提出的一种具有到位缓冲功能的单出杆对称液压缸的设计方案，活塞杆的双方向到位缓冲效果明显。
本文设计的一体式收放作动器，整体结构紧凑、功率密度高、能源和两端到位检测开关采用双冗余设计，提高了系统的可靠性，但是一体化的结构设计也增加了加工制造的难度。
（责任编辑 刘玲蕊）
Received：2017-04-25；Revised：2017-05-02；Accepted：2017-07-15
参考文献
［1］李闯，张明，魏小辉，等.飞机起落架收放液压系统设计、分析与试验验证［J］.南京航空航天大学学报，2014，46（2）：225-231.
LI Chuang，ZHANG Ming，WEI Xiaohui，et al. Design，analysis and experimental validation for hydraulic extension/retraction system of aircraft landing gear［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2014，46（2）：225-231.（in Chinese）
［2］李田囡，王小锋，宁晓东.飞机起落架收放机构与锁机构的集成运动仿真［J］.机电工程技术，2010，39（5）：61-63.
LI Tiannan，WANG Xiaofeng，NING Xiaodong. Integrated movement emulation of retraction and release mechanism and lock mechanism of landing gear［J］. Mechanical and Electrical Engineering Technology，2010，39（5）：61-63.（in Chinese）
［3］聂宏，魏小辉. 大型民用飞机起落架关键技术［J］.南京航空航天大学学报，2008，40（4）：427-432.
NIE Hong，WEI Xiaohui. Key technologies for landing gear of large aircraft［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2008，40（4）：427-432.（in Chinese）
［4］朱武峰，李旭东，丁文勇，等. 飞机起落架收放液压系统仿真分析与维修应用［J］. 液压与气动，2013（6）：87-90.
ZHU Wufeng，LI Xudong，DING Wenyong，et al. Simulation and maintenance of aircraft landing gear hydraulic system［J］. Chinese Hydraulics & Pneumatics，2013（6）：87-90.（in Chinese）
［5］樊广军，袁理，鲁立君，等.飞机起落架收放空间机构运动分析［J］.郑州大学学报：工学版，2012，33（1）：88-92.
FAN Guangjun，YUAN Li，LU Lijun，et al. Kinematic analysis of landing gear spatial retractable mechanism［J］. Journal of Zhengzhou University：Engineering Science，2012，33（1）：88-92.（in Chinese）
［6］王希彬，赵国荣，姜海勋，等. 某型飞机起落架运动的SIMULINK仿真［J］.兵工自动化，2009，28（4）：46-47.
WANG Xibin，ZHAO Guorong，JIANG Haixun，et al. SIMULINK simulation of landing gear movement of an aircraft［J］. Ordnance Industry Automation，2009，28（4）：46-47.（in Chinese）
［7］屠毅，肖翔，李楠. 大型飞机起落架收放控制系统仿真［J］. 北京航空航天大学学报，2013（5）：1-5.
TU Yi，XIAO Xiang，LI Nan. Computer analysis of large-scale aircraft landing gear retraction and extension control system［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2013（5）：1-5.（in Chinese）
［8］张强，于辉，童明波. 某型飞机起落架收放过程仿真［J］. 流体传动与控制，2009（2）：29-31.
ZHANG Qiang，YU Hui，TONG Mngbo. Simulation of extending and retracting process for aircraft landing gear［J］. Fluid Power Transmission and Control，2009（2）：29-31.（in Chinese）
［9］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）：27-29.
ZHU Lin，KONG Fanrang，YIN Chenglong，et al. Dynamic simulation of retracting mechanism of the landing gear of an aircraft with computer simulation techniques［J］. China Mechanical Engineering，2007，18（1）：27-29.（in Chinese）
［10］陈琳. 飞机起落架收放运动与动态性能仿真分析［D］.南京：南京航空航天大学，2007.
CHEN Lin. Analysis on the kinematic and dynamic performance of landing-gear retraction［D］. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2007.（in Chinese）