曲柄滑块拦阻器设计与动力学仿真_史炎.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 史炎 男 学士高级工程师 年生 曲柄滑块拦阻器设计与动力学仿真 史炎 史天成 西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都 沈阳航空航天大学民用航空学院沈阳 摘要介绍了一种新型液压缓冲拦阻器原理制造工艺与活塞发动机一样拦阻距离不受限按照流体力学理 论建立了拦阻力空气阻力飞机升力数学模型利用 软件建立了统一的动力学模型根据国内文献对 型拦阻器性能的研究成果对比分析了舰载机以不同质量速度着舰的拦阻动力学过程仿真结果表明所设计的曲柄滑 块拦阻器动力学性能良好既能进行定长拦阻也能自由拦阻 关键词拦阻动力学仿真自由拦阻曲柄滑块 中图分类号 文献标志码 舰载机在长度有限的飞行甲板上安全降落需要 借助拦阻装置美国现役航母上配置的 型拦阻 装置是目前世界上各国海军航母中拦阻能力最大的着 舰拦阻装备当固定翼舰载机以航速 着舰 时 型拦阻装置能够保障飞机在 内安全 着舰因为主液压缸的行程有限约 钢索在定滑 轮组的缠绕比为 这样可把较长的钢索抽出长 度转化为较小的主液压缸的行程为了不超出主液压 缸的行程配制了定长冲跑控制阀文献介绍了 型拦阻装置定长冲跑控制阀的结构组成分析 了其基本控制原理指出质量设置不准导致的后果最 为严重很有可能造成阻拦作业失败原有的拦阻装 置一旦定型最大拦阻距离随之确定即使甲板有多余 的长度也不能使用虽然新型福特级航母采用了智能 电磁拦阻系统但是保留了液压系统主液压缸换成了 水力涡轮机拦阻力由三种结构提供涡轮机摩擦制 动器发电机可见流体阻尼力仍然是拦阻力的主要 来源 借鉴曲柄连杆机构作者设计了一种新型液压拦阻 器能提供比较稳定的拦阻力也能独立完成整个拦阻 过程对于船舶行业气缸曲柄连杆机构的制造使 用维护业已非常成熟 曲柄滑块拦阻器 结构 作者在活塞发动机结构基础上设计了曲柄滑块拦 阻器减少了滑轮用量和钢索的总长度图展示了 一种双液压缸结构的曲柄滑块拦阻器回形腔内充满 液体液压缸的活塞作为曲柄连杆机构的滑块在上 缸体内设置节流孔在活塞的推动下液体往复通过节 流孔产生阻尼力 滚筒半径大于曲柄长度形成减速效果上下缸体 通过管道连接以降低制造难度同多缸发动机类似 为了增大拦阻制动功率同时减小阻尼力矩的波动曲 柄滑块拦阻器也采用多缸结构飞机钩住钢丝绳后 钢丝绳带动滚筒和曲柄一起旋转活塞往复移动克服 油液阻尼力在此过程中消耗飞机的动能只要钢丝 绳足够长拦阻距离不限可以根据甲板实时多出的额 外长度降低阻尼力从而减小人员和飞机的航向过载 也可以利用最长甲板应急降落大荷载飞机 图曲柄滑块拦阻器原理 活塞运动及受力 滚筒及曲柄的转速与飞机的速度 相关 活塞往复运动速度为 单缸阻尼力对滚筒的转矩为 油液阻尼力 在活塞的驱动下相通液压缸内的油液反复通过 节流孔其原理与液压减振器相同只是没有活塞 杆根据流体力学中的伯努利方程通过节流孔后油 液产生压力降 作用在单缸活塞上的阻尼力 式中为阻尼力 为活塞截面积 为油液密 度 为节流孔截面积为流经节流孔的 流量 为流量系数 式表明要保持阻尼力不变流量要恒定而 拦阻过程中随着飞机速度减小流量逐渐减小因此要 使用电磁阀实时控制节流孔截面积保持流量恒定阻 尼力特性曲线可以根据飞机着舰工况预先计算及试验 验证得到一个系列供拦阻操作使用 拦阻模型 已有众多的文献分析了拦阻索的动力学性能 本文只以飞机和曲柄滑块拦阻器为研究对像由于 计算出的数据稀疏 内只有几 十个点故使用 多体动力学分析软件建立飞 机的动力学模型能得到上千个连续的数据建模时做 以下假设 随着着舰导引技术的发展着舰时的下 滑道控制越来越精确飞机更多情况是理想着舰对称 拦阻 根据文献的研究航母运动对舰载飞机相 对甲板的纵向速度拦阻距离以及拦阻力影响不大忽 略之 表为动力学仿真参数按照美国军标发动机推 力为飞机质量的 倍 表主要仿真参数 参数数值 机翼面积 空气阻力系数 飞机升力系数 油液密度 流量系数 甲板摩擦因数 飞机的动力学模型考虑空气阻力飞机升力发动 机推力飞机拦阻动力学模型如图所示滚筒半径 缸径为 曲柄长 将飞机作为一 个质点因为飞机体积比曲柄滑块拦阻器大的多为视 图清楚将飞机缩小倍表示 图动力学模型及拓扑图 振 动 与 冲 击年第卷 飞机起降时的甲板摩擦力空气阻力 飞机升力 表达式一样参照文献在仿真环境中列函数表达式 液压缸数目越多拦阻力波动越小两者之间需要 根据场地拦阻效果等因素综合考虑本文计算选择 对液压缸相邻液压缸相位角相差 将式改写成 式表明活塞速度与节流孔截面积成线性关系 单缸阻尼力恒定活塞速度是飞机速度的复谐函数关 系而且通过零点为控制方便对缸的节流孔截面积 统一按飞机速度线性变化 式中 为节流孔初始截面积 为飞机着舰初速 度 飞机速度可以通过测量滚筒的转速得到飞机受 到的拦阻力是对液压缸阻尼力的合力 在 中拦阻力空气阻力飞机升力发 动机推力都使用号力元飞机与甲板之间的摩擦力 使用号力元建立飞机与甲板的垂向约束将飞机 对甲板的垂向作用力实时传递给号力元钢丝绳 固定在飞机上并随之移动用号力元将钢丝绳的直 线运动与滚筒的旋转运动耦合起来传递活塞的运动规 律实时计算拦阻力 将式式式式和发动机推力数 值作为表达式输入 系统的号力元表格里 仿真算例 将飞机质量和着舰速度加入上述仿真模型就会得 到最终结果航向过载小于 判为合格 定长拦阻 张明晖等以国内外普遍使用的定常冲跑拦阻系 统为研究对象对比分析计算了某型舰载机以不同质 量速度着舰的拦阻动力学过程为对本装置的性能 有直观的认识参照此文献设置飞机质量和着舰速度 质量 着舰速度 质量 着舰速度 质量 着舰速度 对比在约 拦阻距离情况下拦阻装置的拦阻特性因不同工 况的变量都按时间排序故按时间轴同框比较 图的拦阻力特性曲线在表达式中由对缸的阻 尼力曲线叠加构成与理想的阻尼特性曲线有出入 工 况 拦 阻 力 值 分 别 为 如图所示质量 的飞机拦 阻行程 质量 的飞机拦阻行程 质量 的飞机拦阻行程 航向过载最大峰 值都小于 图拦阻力对比曲线 与文献相比较不同质量着舰情况下拦阻力 相当拦阻行程变化基 本一致 节流孔面积是时间的线性函数拦阻载荷越大 节流孔初始面积越小图中三条线斜率分别是 最大相差 取三者斜率 平均值 定长拦阻的节流孔面积可以简化为 式中 为节流孔初始面积 如果确定了节流孔的初始面积 可以按时间控 制节流孔的面积变化以提供稳定的拦阻力 图不同质量飞机着舰情况 第期史炎等曲柄滑块拦阻器设计与动力学仿真 从上述分析可知飞机质量越大所需拦阻力越 大过载越大一定条件下不同质量的飞机能在百米内 安全拦停限定长度拦阻装置如 型拦阻装置 拦停距离不能超过最大设计值若拦阻力设置小于预 定值超出最大拦停距离则超出主液压缸行程造成活 塞脱落故对阀芯的形状和凸轮的轮廓曲线精度要求 较高不允许超磨耗使用而对于曲柄滑块拦阻器来 说只是曲柄多转了几圈不会对设备造成任何损坏 质量 飞机着舰的空气阻力飞机升力与速度 的曲线如图所示符合式式表达的抛物线 规律摩擦力与飞机升力成线性关系如图所示因 此所建立的拦阻力模型是正确的可用于定量分析舰 载机着舰过程的拦阻力变化 质量 飞机着舰的单缸压力变化曲线如图所示 最大压力 远低于活塞发动机暴发压力 而 型拦阻装置主活塞的压力高达 约是前者 的倍曲柄滑块拦阻器降低了液压缸的密封难度活 塞发动机的密封技术完全适用此处 图空气阻力和升力特性曲线 图摩擦力飞机 升力曲线 图单缸压力活塞 位移曲线 自由拦阻 曲柄滑块拦阻器的特点决定了其拦阻距离不限 使用更灵活容错能力更强 对于飞机质量 着舰速度 的工 况将拦阻距离增加到 主要参数变化如图 所示 图拦阻距离 着舰工况 拦阻力 值从 下降到 降幅 航向过载 值从 下降到 降幅 因此利用多出的空间能有效降低负荷提高飞 机装备的寿命 如果甲板有效长度为 着舰速度 可 以根据设备条件算出可拦阻的飞机最大质量考虑到 钢丝绳飞机的负荷拦阻力峰值不超过 航向 过载不超过 经计算此条件下飞机最大质量为 已达到大型飞机如预警机的质量图列出此工 况下的拦阻力及航向过载拦阻力峰值 有 效值 航向过载峰值 只要甲板 足够长曲柄滑块拦阻器都能成功进行拦阻而不需要 根据特定甲板长度设计拦阻器 自由拦阻过程的节流孔面积也是时间的线性函 数拦阻距离越大节流孔面积变化越缓慢如图所 示拦阻距离 与拦阻距离 时节流孔面积 可分别用下式表示 图 飞机着舰工况 图自由拦阻时节流孔面积时间曲线 振 动 与 冲 击年第卷 拦阻力的绝对作用 飞机着舰过程中航向受到拦阻力空气阻力摩擦 力发动机推力作用其中摩擦力是飞机升力的函数 为对拦阻力的绝对作用有个直观的认识以定长拦阻 的飞机质量 着舰速度 工况为例考察 飞机阻力只有拦阻力时拦阻距离的变化在 系统中将与空气阻力摩擦力飞机升力相关的力元件 全部失效然后重新计算如图所示 图拦阻力的贡献 拦阻距离从原来的 增加到 空 气阻力摩擦力总共贡献了 不到拦阻力 起了绝对作用 对于定长拦阻这个距离关系到拦阻成败与否而 对于自由拦阻毫无影响因此本拦阻器动力学模型 可以进一步简化不考虑空气阻力摩擦力飞机升力 的影响籍此开发出一种快速算法根据飞机质量着 舰速度拦阻距离迅速得到所需的拦阻力 结论 通过简化曲柄滑块拦阻器的模型分析了拦阻过 程的动力学响应得到以下结果 曲柄滑块拦阻器可以独立完成拦阻任务其结 构简单密封容易维修方便 曲柄滑块拦阻器拦阻距离可灵活掌握即可进 行定长拦阻也可以自由拦阻 拦阻距离取决于飞机质量着舰速度拦阻过 程中拦阻力起到绝对作用空气阻力摩擦力飞机升 力的影响可以忽略不计节流孔面积是时间的线性函 数根据飞机质量速度确定节流孔的初始面积后可 以用时间控制节流孔的面积变化而不用再管飞机的实 时状态 参 考 文 献 柳刚聂宏任志勇等舰载型拦阻装置拦阻性能分析 中国机械工程 杨茂胜毕玉泉陈跃良等简析阻拦索装置定长冲跑 控制阀 海军航空工程学院学报 吴建斌液压减振器结构参数对性能的影响 成都 西南交通大学 梁利华万晨荀盼盼飞机拦阻索动态特性研究 航空学报 王玮郭慧杰孟跃卫星伪卫星惯性组合着舰导引算 法 系统工程与电子技术 姚海林耿建中赵一飞舰载飞机拦阻着舰建模与仿真 研究 系统仿真技术 高俊东崔帅冯蕴雯等舰载机蒸汽弹射器热力学仿真 分析 机械科学与技术 张明晖袁理洪冠新航空母舰液压拦阻系统拦阻力建 模与仿真 北京航空航天大学学报 朱齐丹闻子侠张智阻拦系统动力学建模与仿真 航空学报 第期史炎等曲柄滑块拦阻器设计与动力学仿真