飞机减速伞气动系统故障仿真.pdf

2 0 1 5 年 8月 第 4 3卷 第 1 5期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAUL I CS Au g ．2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 5 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 5 ． 0 5 1 飞机减速伞气动系统故障仿真 朱武峰 ，辛庆伟。 ，严忠 1 ． 海军航空工程学院青岛校区，山东青岛2 6 6 0 4 1 ；2 ．海军航空工程学院， 山东烟 台2 6 4 0 0 1 ；3 ． 9 2 5 1 4部队，山东烟台 2 6 6 0 4 7 摘要鉴于飞机减速伞气动系统故障率较高的现状，运用 A M E S i m建立了飞机减速伞气动系统仿真模型；仿真分析了 气源压力减小、电磁阀进气活门开度减小、机构载荷增大和舱门作动筒漏气量大等系统参数退化对投放减速伞性能的影 响；根据仿真结果提出了针对性的视情维修措施。 关键词减速伞 ；气动系统；数值仿真；飞机维修；A ME S i m 中图分类号 T H1 3 7 ． 8 6 文献标 志码 B 文章 编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 5 2 0 2 5 Nu me r i c a l S i mul a t i o n o f Ai r c r a f t Dr a g Pa r a c hu t e Pn e u ma t i c S y s t e m Fa u l t i n e s s Z H U Wu f e n g ，X I N Q i n g w e i ，Y A N Z h o n g 1 ． N a v a l A e r o n a u t i c a l E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e Q i n g d a o C a mp u s ， Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 0 4 1 ， C h i n a ； 2． Na v a l Ae r o n a u t i c a l En g i n e e r i n g I n s t i t u t e，Ya nt a i S ha n d o n g 2 6 4 0 01 Chi n a 3 ． 9 2 5 1 4 o f P L A，Ya n t a i S h a n d o n g 2 6 4 0 0 7，C h i n a Ab s t r a c t As t h e s i t u a t i o n o f t h e f a u l t i n e s s o f a i r c r a f t d r a g p a r a c h u t e p n e u ma t i c s y s t e m b e i n g k e p t h i g h l y ，t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n mo d e l o f a i r c r a f t d r a g p a r a c h u t e p n e u ma t i c s y s t e m i s b u i l t ．A n d t h e p e r f o r ma n c e o f d r a g p ara c h u t e p u s h i n g o u t i s s i mu l a t e d o n t h e c o n d i t i o n o f s e v e r a l s y s t e m p ara me t e d e g r a d a t i o n， s u c h a s p r e s s u r e o f g a s d e c r e a s e ， o p e n i n g o f e l e c t ric ma g n e t i c v a 1 v e d e c r e a s e ， me c h a n i s m l o a d i n c r e a s e ， a n d g a s l e a k a g e o f h a t c h d o o r i n c r e a s e e t c ．S o me e f f e c t i v e me a s u r e s o f o n c o n d i t i o n ma i n t e n a n c e a r e t a k e n a c c o r d i n g t o t h e a b o v e s i mu l a t i o n r e s u l t s ． Ke ywor d s Dr a g pa r a c h ut e；Pn e u ma t i c s y s t e m ；n ume ric a l s i mul a t i o n；a i r c r aft ma i n t e n a n c e；AMESi m 0 前言 随着全电 、多电技术在飞机上的进一步发展 ，气 动技术在飞机上的应用越来越少，但气动技术仍然在 一 些重要系统中发挥作用。飞机减速伞气动系统是实 现飞机着陆减速的重要系统，由于其沿用了传统的高 压气动技术，其可靠性提升不大。据统计 ，2 0 1 2年 某系列飞机减速伞气动系统共发生了7 2起故障 如 删 赫 僻 图 1 ，占减速伞系统故障的6 9 ． 3 ％，属多发性故障。 其中，飞机在着陆时发生的减速伞意外抛伞、放不出 伞 、伞舱门打不开等故障，影响了飞行任务的完成。 严重 时飞机还因不能有 效减速 ，发生 了冲出跑道的事 故征候 ，造 成人 员和设 备 的损 伤 ，需要 引起 高 度重 视 。文中对某型飞机减速伞气动系统进行了数值仿 真，并根据仿真结果提出了针对性的视情维修措施。 斜 ￡ 抖 故障件名称 谱 制 图 1 飞机减速伞系统故障统计 斟 瑙 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 1 5 作者简介朱武峰 1 9 7 1 一 ，男，硕士，副教授，从事飞机工程及应用领域的教学与研究工作。E - m a i l z w f 一 2 0 1 1 0 8 1 63 ．c o m。 第 1 5 期 朱武峰 等 飞机减速伞气动系统故障仿真 2 0 3 1 飞机减速伞气动系统工作原理及仿真建模 1 ． 1 工作原理 飞机在着陆过程中，通过刹车机构和减速伞系统 实现飞机减速 。在飞机接地 的初始 阶段 ，飞机滑行速 度大，升力较大，刹车减速效能较低，主要通过减速 伞产生的空气阻力实现快速减速。在着陆后段，滑行 速度较小 3 0 k m ／ h 一 4 0 k m ／ h 时 ，需要 抛 掉 减 速 伞。减速伞系统的工作过程如图 2所示。 伞 气 磁 阀 伞气 磁 阀 外 伞 伞 墓 减速伞舱 图 2 减速伞系统工作流程 以减速伞放伞工作为例，在飞机着陆过程中，飞 行员在座舱内首先按下放伞开关 ，发出放伞信号，通 过电路使抛伞气动电磁阀工作 ，主供气源和抛伞冷气 瓶的来气推动悬挂锁作动筒活塞杆伸出，使悬挂锁上 真锁；接着来气打开悬挂锁作动筒内顺序活门 1 如 图3 ，高压气体进入伞舱门锁作动筒 ，活塞杆伸 出 后拉紧传动钢索，打开伞舱门锁；然后，高压气体打 开伞舱门作动筒内顺序活门 2 ，进入伞舱门作动筒， 活塞杆伸出打开减速伞舱门，减速伞在外部气动力作 用下 ，通过引导伞打开主伞，实现减速伞气动增阻减 速 。 1 ． 2 仿真建模 根 据 飞 机 减 速伞 气 动 系统 工 作 原 理 ，利 用 A M E S I M 1 2 ． 0软件建立仿真模型如图 3所示 一 。气 动系统主要由主供压气源、放、抛伞气动电磁阀、抛 伞冷气瓶 、悬挂锁作动筒 、舱门锁作动筒和舱门作动 筒及相关管路等组成 ，其中以上几个作动筒都是组合 件 ，是由气缸和顺序活门等零件组成的。 一 I 妇 I ． L ’ 放伞气动 电磁阀艇 镪作明同 减压 阀 主 供 压气源 抛伞冷气瓶 ．JL 抛伞气动电磁阀 顺序活门2 舱 门作 动筒 顺序活门1 悬挂锁作动筒 图3 飞机减速伞气动系统仿真模型 根据实际情况 ，对主要附件的参数进行如下设 式中c 为阻力系数 C 1 ． 2 8 ； 置 p为空气 密度 P 1 ． 2 2 6 k g ／ m ； 气源压力 1 3 M P a ；减压阀出口压力 5 M P a ；抛伞 为飞机着陆开伞速度 3 0 0 k m ／ h 冷气瓶压力 5 M P a ，容积 1 ． 3 L ；放、抛伞气动电磁 s为减速伞舱面积 S 0 ． 1 2 5 6 m E s ] 。 阀通道面积 5 0 m m ；悬挂锁作动筒 最大伸出量 2 飞机减速伞气动系统数值仿真 为 8 m m，在伸出5 m m后 ，打开顺序活门 I ，气体进 飞机减速伞气动系统在使用过程中，有些参数会 入舱 门锁作动筒；作动筒承受正常载荷为 1 7 6 N；舱 发生退化 ，如气源压力、阀口开度、调压弹簧刚度 、 门锁作动筒最大伸出量为 5 m m，在伸出 4 m m后， 载荷 、密封性等，需要找出这些退化参数对系统性能 打开顺序活门2 ，气体进入舱门作动筒 ；作动筒承受 影响的作用规律。通过数值仿真 ，就可以定量地分析 正常载荷为 1 2 0 N；舱门作动筒最大伸 出量为 5 0 系统在退化参数作用下 ，其压力、流量、载荷和速度 m m ，作动筒承受正常载荷 F 艏 为 6 8 3 ． 8 N 计算 等重要性能的变化 ，找到关键影响因素，有助于实现 如下 。 针对性的视性维修。下面以减速伞放伞慢导致放不出 1 伞为例进行数值仿真。 舱 f ] x 。 分析 图 1的统计数据可知 ，飞机减速伞气动系统 1 ． 2 8 一 11 ． 2 2 6 8 3 ． 22 x 0 ．1 2 5 6 退 化 拿 数 归 为 气 、 --J电 磁 阀 度 不 2 够 、机构运动阻力过大、作动筒漏气等，下面分 4种 6 8 3 ． 8 N 情况对飞机减速伞气动系统进行数值仿真。在数值仿 抛 砘 抛 一 信 、 一 入 放 一 输 机床与液压 第 4 3 卷 真中，为了提高分析问题的针对性，假定在系统某 个参数退化时，其他参数正常。 2 ． 1 气压电磁 阀前供压压力减小的影响 如图3 所示 ，气压电磁阀前供压压力的正常值为 5 M P a ，减压器故障或附件漏气将造成减压器后系统 压力减小。根据统计数据，造成系统气源压力小的故 障有气源管路及附件漏气 8起 、气动减压阀故 障 2 7起 ，以上 故 障共 占减 速 伞 系 统 故 障 的 3 3 ． 7 ％，属多发性故障。 首先进行减压器后供气压力减小的数值仿真，首 先设置气源压力依次按 0 ． 5 M P a递减，分别 为 5 ， 4 ． 5，⋯ ，1 MP a ，然后对 比分 析在 9种压 力下 系统 参数的变化情况。根据飞机维护规程可知，减速舱门 正常开启时间应小于 1 ． 5 s ，减速伞舱门的开启时间 过长让飞行员感觉放伞迟钝，还可能会引起阻力伞放 不出的故障。下面计算从放伞气压电磁阀工作到减速 伞舱门打开时间 t 舱 门。 仿真结果如图 4 所示。从图中可以看出，当气源 压力小于 2 _ 5 MP a以后，舱门作动筒完全伸出时问 f 舱 门 迅速增大并超过 1 ． 5 s 。因此，压力变化对 t 舱 『 ] 影 响显著，是气动系统的关键参数。 直O - 0 4 楼 曩 o ．0 3 擦 0 ． 0 2 馥 0 ． 0 1 0． 00 l l _ 5 2 3 时间l - n ， s 图4 供压压力减小时t 舱 『 ] 数值仿真 2 ． 2气动电磁阀开度减小的影响 气动电磁阀故障 2 8起 ，占减 速伞 系统故 障的 2 7 ． 0 ％，属多发性故障。气动电磁阀的机械故障模式 为漏气、进气活门开度小或打不开。下面以放伞气动 电磁阀进气活门开度小为例进行分析。 放伞气动电磁阀进气活门可能因阀芯锈蚀卡滞或 堵塞等原因造成开度减小 ，设置进气活门按 0 ． 2 m m 递减，其开度依次为 2 ，1 ． 8 ，⋯，0 ． 2 m m ，仿真结 果如图 5 、6所示。进气活 门开度减小到 0 ． 6 m m ， 舱门作动筒完全伸出时间 t 舱 『 ] 大于 1 ． 5 s ，此时电磁 阀出t l 压力已减小到 2 ． 9 4 M P a 。可见放伞气动电磁 阀的进气活门开度对 舱 n 影响显著，并与出V I 压力明 显相关，是气动系统的关键影响因素。 目O 0 4 蠢 0 3 需 ￡ O ． 0 2 馥 0 ． 0 1 0 ． O 0 ． 1／ J _ 7 时间f - 门 ， s 序 号 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 进气活门开g ry mm 2 1 ． 8 1 ． 6 1 ． 4 1 ． 2 1 ． 0 0 ． 8 0 ． 6 0 ． 4 0 ． 2 n ／ s 0 ． 9 9 1 ．0 2 1 。 0 6 l I 1 1 1 ． 1 8 1 ．2 9 1 ．4 5 1 ． 7 3 2 ． 2 6 3 ． 7 9 图5 电磁阀进气活门开度减小时 舱 『 ] 数值仿真 0 1 2 3 4 4 ． 5 时间r i d s 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 进气活门开g r i mm 2 1 ． 8 1 ． 6 1 ． 4 1 ． 2 l 1 0 0 ． 8 O ． 6 0 ． 4 0 ． 2 阔出口压力I MP a 4 ． 6 3 4 ． 5 8 4 ． 5 0 4 ． 3 9 4 ． 2 3 3 ． 9 8 3 ． 5 9 2 ． 9 4 1 ． 9 9 1 ． 0 l 图 6 电磁阀进气活门开度减小时气压数值仿真 2 ． 3 机构载荷增大的影响 开启舱门的载荷主要来 自于两个方面，一个是舱 门开启中的气动阻力 ，另一个是作动筒伸出时的摩擦 阻力。作动筒活塞杆、舱门锁等因锈蚀阻力增大故障 发生 7 起，占减速伞系统故障的 6 ． 7 4 ％ 开启舱 门的 载荷 按 2 0 0 N 递 增，其 载 荷 值 依 次 为6 8 3 ． 8 ， 6 8 3 ． 8 2 0 0 ，⋯， 6 8 3 ． 8 2 0 0 x 8 N。仿真结果如 图 7 所示 ，机构载荷增大到 1 4 8 3 ． 8 N后 ，舱门作动 筒完全伸出时间 t 大于 1 ． 5 s ，机构载荷增加量与 t 的增加量基本成正比例关系。机构载荷对 t 舱 门 影 响显著，是气动系统的重要影响因素。 S 4 3 2 l O _ 、 R 幽 磨 颦脚 第 1 5期 朱武峰 等 飞机减速伞气动系统故障仿真 2 0 5 0． 0 ． 目 静 趟O ． 捏 稃 世 0． 嘏 0． 0 ． 1 ／ J l 、 ／＼ 7 2 ． - - I 二 一 ＼8 3．．．．---1 二 一 ， ＼9 4 ／ ， 5 ． - - - - i i ．J 』 I J J l 卫 启6 8 3 ． 8 8 8 3 ． 8 1 0 8 3 ． 8 1 2 8 3 ． 8 1 4 8 3 ． 8 1 6 8 3 ．8 1 8 8 3 ． 8 2 0 8 3 ． 8 2 2 8 3 ． 8 载荷 ， N ，- ／ s 0 ． 9 9 L1 8 1 ． 3 7 1 ． 5 5 1 ． 7 3 1 ． 9 0 2 ． 1 1 2 ． 2 8 2 ．46 图 7 舱门开启载荷增大时 t 舱 『] 数值仿真 2 ． 4漏气量增大的影响 作动筒漏气故障发生 2起，占减速伞系统故障的 1 ． 9 3 ％。假设舱门作动筒的活塞活动间隙逐渐增大， 间隙值分别为0 ． O 1，0 ． 0 2，⋯，0 ． 1 1 m m，仿真 结果如图 8 、9 所示，间隙值增加到 0 ． 1 1 m m后，舱 门作动筒完全伸出时间 t 舱 『 ] 大于 1 ． 5 S ，并且作动筒 工作压力减小至 0 ． 6 1 M P a 。如果间隙继续增大，舱 门作动筒将不能伸出。因此，附件的气密性与工作压 力直接相关 ，是气 动系统 的重要影 响因素。 时间 n ／ s o ．o-。 ． 。 。 ． 。 o ． 。 o ． o s 。 ． 。 o ． o o ． o s o ． o ， o ． - 。 。 ． 1 - ds 0 ． 9 9 0 ． 9 9 0 ． 9 9 1 1 ． 0 1 I | 0 3 1 ． 0 6 1 ． 1 1 1 ． 1 9 1 ．3 4 l _ 7 1 图 8 舱门作动筒漏气时 舱 『 ] 数值仿真 0 ． 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ． 0 2 ． 5 3 ． 0 时间f - n ， | 壁呈 } { l 。l } I；i I Ⅱ 0 ．O 1 0 ．0 2 0 ．0 3 0 ．0 4 0 ．0 5 0 ．0 6 0 ．0 7 0 。0 8 0 ．0 9 0 ．1 0 0 ．1 1 活 塞 间 隙 ，m m． ． ． ． 0 u 0 。 0 ．0 ． 0 ． 9 n 2 ．1 2 2 ．0 7 1 ．9 6 1 _7 8 1 ．5 6 l 1 川0 ‘9 6 0 -8 2 o _7 0 0 -6 1 图 9 舱门作动筒漏气时气压数值仿真 3 飞机减速伞气动系统维修及应用 通过对飞机减速伞气动系统的4个参数退化进行 数值仿真可知，其中 3个参数退化与工作压力有关， 而一个与载荷相关。在外场维护工作中，系统故障可 能由一个或多个参数同时退化而产生 ，故障原因的判 断可能更 为复杂。通过查 阅相关 飞机维护规程 ，发现 目前的维修工作还可进一步改进和完善以提高维修效 率。 3 ． 1 增加在线压力测量点 气动系统的在线压力测量点过少 ，目前 ，只能通 过座舱 内的气压表 显示 气源系统的压力 ，而对 减压 阀 以后的管路系统没有测压点。 根据仿真结果 ，气源压力正常 ，并不 能保证减压 阀以后管路压力一定正常。当减压阀、电磁阀和作动 筒等附件发生故障后，管路压力会下降，对减速伞舱 门开启时问有直接影响 。因此 ，需要在相关 管路 中增 加 3处测压点，一是在减压阀后 ；二是在放伞气动电 磁 阀后 ；三是在舱 门作动筒管路之前 。 ． 有了这 3 处 测 压点 ，可以较好地判断系统故障原因，减少气动附件 的拆卸检测与修理。 3 ． 2 利用气密测试仪发现漏气部位 根据飞机维护规程 ，目前外场在线维护 中，发现 漏气部位还是 以听声、涂 中性肥皂水等常规方法为 主 ，对一些慢漏气 、内漏等故障难 以发现 。随着气动 技术 的发展 ，一些先进 的气 密测试仪在 天然气输送储 存系统中得到广泛的应用。如采用 E C O S O品牌的压 缩空气检测仪和泄漏点扫描枪可作为实用的查漏工 具 ，可快速 实时地检测 出被测对象在 当前工作压力下 的气体泄漏流量 ，快速查漏堵漏 。 3 ． 3 做好机构的润滑保养 定期对 气动系统的各作 动筒及 时进 行润 滑保养 ， 防止锈蚀 卡滞造成 作动筒 工作 时阻力过 大。该 系列 飞 0 暑 、 担 一 罐 2 0 6 机床与液压 第 4 3卷 机常处于海洋性大气环境之中，而且减速伞系统位于 发动机尾喷口上部，温度较高，并处于相对密封状 态，一旦雨水和潮湿空气进入难以排出，气动系统传 动机构和管 路附件 容易发 生锈 蚀 。需 要做 到雨 后 和潮湿季节及时通风排水，并做好润滑和保养工作。 另外，可以改进机构的材料 ，采用耐腐蚀性好、自润 滑性好 的材料 ，减小摩擦 阻力 。 4 结论 建立 了减速伞气动系统仿真模 型 ，从系统 的角度 对减速伞放、抛伞工作性能进行动态分析，通过数值 仿真 ，可以发现传统的维修方法手段的不足，运用新 方法针对性地进行视情维修，做到数值仿真与传统维 修手段的深度融合，提高维修效率，保证飞机可靠安 全运行。 参考文献 i [ 1 ]李玲 ， 郭兵， 苏洪波． 某型飞机冷气系统常见故障分析及 附件维护[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 3 9 5 5 5 7 [ 2 ]沈燕 良， 王建平， 曹克强． 飞机减速伞机构的故障分析与 改进设计[ J ] ， 机床与液压， 2 0 0 4 7 1 8 3 1 8 4 ． [ 3 ]付永领， 祁晓野． L MS I m a g i n e ． L a b A ME S i m系统建模和 仿真参考手册 [ M] ． 北京 北京航空航天大学 出版社， 2 01 1 ． [ 4 ]施开志． 气动系统主要元件的建模和系统仿真的研究 [ D] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学， 2 0 0 6 ． [ 5 ]赵飞． 基于 A ME S i m的气动系统建模与仿真技术研究 [ D] ． 秦皇岛 燕山大学， 2 0 1 0 ． [ 6 ]S MC 中国 有限公司． 现代实用气动技术[ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 1 3 ． [ 7 ]蔡增杰， 朱武峰，张勇． x x 型飞机构造 [ M] ． 青岛 海军 航空工程学院青岛校区出版社 ， 2 0 0 8 [ 8 ]徐华舫． 空气动力学基础[ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 1 98 2． [ 9 ]蔡茂林． 压缩空气泄漏损失及其对策 [ J ] ． 中国设备工 程 ， 2 0 0 9 4 4 8 - 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