飛機(jī)減速傘氣動(dòng)系統(tǒng)故障仿真

朱武峰，辛慶偉，嚴(yán)忠

(1．海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島 266041;2．海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264001;3．92514部隊(duì)，山東煙臺(tái) 266047)

0 前言

隨著全電、多電技術(shù)在飛機(jī)上的進(jìn)一步發(fā)展，氣動(dòng)技術(shù)在飛機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越少，但氣動(dòng)技術(shù)仍然在一些重要系統(tǒng)中發(fā)揮作用。飛機(jī)減速傘氣動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)著陸減速的重要系統(tǒng)，由于其沿用了傳統(tǒng)的高壓氣動(dòng)技術(shù)，其可靠性提升不大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年某系列飛機(jī)減速傘氣動(dòng)系統(tǒng)共發(fā)生了72起故障(如圖1)，占減速傘系統(tǒng)故障的69．3%，屬多發(fā)性故障。其中，飛機(jī)在著陸時(shí)發(fā)生的減速傘意外拋傘、放不出傘、傘艙門(mén)打不開(kāi)等故障，影響了飛行任務(wù)的完成。嚴(yán)重時(shí)飛機(jī)還因不能有效減速，發(fā)生了沖出跑道的事故征候，造成人員和設(shè)備的損傷，需要引起高度重視［1］。文中對(duì)某型飛機(jī)減速傘氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果提出了針對(duì)性的視情維修措施。

圖1 飛機(jī)減速傘系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)

1 飛機(jī)減速傘氣動(dòng)系統(tǒng)工作原理及仿真建模

1．1 工作原理

飛機(jī)在著陸過(guò)程中，通過(guò)剎車(chē)機(jī)構(gòu)和減速傘系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)減速。在飛機(jī)接地的初始階段，飛機(jī)滑行速度大，升力較大，剎車(chē)減速效能較低，主要通過(guò)減速傘產(chǎn)生的空氣阻力實(shí)現(xiàn)快速減速。在著陸后段，滑行速度較小(30 km/h～40 km/h)時(shí)，需要拋掉減速傘。減速傘系統(tǒng)的工作過(guò)程如圖2所示。

圖2 減速傘系統(tǒng)工作流程

以減速傘放傘工作為例，在飛機(jī)著陸過(guò)程中，飛行員在座艙內(nèi)首先按下放傘開(kāi)關(guān)，發(fā)出放傘信號(hào)，通過(guò)電路使拋傘氣動(dòng)電磁閥工作，主供氣源和拋傘冷氣瓶的來(lái)氣推動(dòng)懸掛鎖作動(dòng)筒活塞桿伸出，使懸掛鎖上真鎖;接著來(lái)氣打開(kāi)懸掛鎖作動(dòng)筒內(nèi)順序活門(mén)1(如圖3)，高壓氣體進(jìn)入傘艙門(mén)鎖作動(dòng)筒，活塞桿伸出后拉緊傳動(dòng)鋼索，打開(kāi)傘艙門(mén)鎖;然后，高壓氣體打開(kāi)傘艙門(mén)作動(dòng)筒內(nèi)順序活門(mén)2，進(jìn)入傘艙門(mén)作動(dòng)筒，活塞桿伸出打開(kāi)減速傘艙門(mén)，減速傘在外部氣動(dòng)力作用下，通過(guò)引導(dǎo)傘打開(kāi)主傘，實(shí)現(xiàn)減速傘氣動(dòng)增阻減速［2］。

1．2 仿真建模

根據(jù)飛機(jī)減速傘氣動(dòng)系統(tǒng)工作原理，利用AMESIM 12．0軟件建立仿真模型如圖3所示［3-6］。氣動(dòng)系統(tǒng)主要由主供壓氣源、放、拋傘氣動(dòng)電磁閥、拋傘冷氣瓶、懸掛鎖作動(dòng)筒、艙門(mén)鎖作動(dòng)筒和艙門(mén)作動(dòng)筒及相關(guān)管路等組成，其中以上幾個(gè)作動(dòng)筒都是組合件，是由氣缸和順序活門(mén)等零件組成的。

圖3 飛機(jī)減速傘氣動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)主要附件的參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)置:

氣源壓力13 MPa;減壓閥出口壓力5 MPa;拋傘冷氣瓶壓力5 MPa，容積1．3 L;放、拋傘氣動(dòng)電磁閥:通道面積50 mm2;懸掛鎖作動(dòng)筒:最大伸出量為8 mm，在伸出5 mm后，打開(kāi)順序活門(mén)1，氣體進(jìn)入艙門(mén)鎖作動(dòng)筒;作動(dòng)筒承受正常載荷為176 N;艙門(mén)鎖作動(dòng)筒:最大伸出量為5 mm，在伸出4 mm后，打開(kāi)順序活門(mén)2，氣體進(jìn)入艙門(mén)作動(dòng)筒;作動(dòng)筒承受正常載荷為120 N;艙門(mén)作動(dòng)筒:最大伸出量為50 mm［7］，作動(dòng)筒承受正常載荷F艙門(mén)為683．8 N(計(jì)算如下)。

式中:Cx為阻力系數(shù)(Cx=1．28);

ρ為空氣密度(ρ=1．226 kg/m3);

v為飛機(jī)著陸開(kāi)傘速度(v=300 km/h):

S為減速傘艙面積(S=0．125 6 m2)［8］。

2 飛機(jī)減速傘氣動(dòng)系統(tǒng)數(shù)值仿真

飛機(jī)減速傘氣動(dòng)系統(tǒng)在使用過(guò)程中，有些參數(shù)會(huì)發(fā)生退化，如氣源壓力、閥口開(kāi)度、調(diào)壓彈簧剛度、載荷、密封性等，需要找出這些退化參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響的作用規(guī)律。通過(guò)數(shù)值仿真，就可以定量地分析系統(tǒng)在退化參數(shù)作用下，其壓力、流量、載荷和速度等重要性能的變化，找到關(guān)鍵影響因素，有助于實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的視性維修。下面以減速傘放傘慢導(dǎo)致放不出傘為例進(jìn)行數(shù)值仿真。

分析圖1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，飛機(jī)減速傘氣動(dòng)系統(tǒng)的退化參數(shù)可歸納為:氣源壓力小、電磁閥開(kāi)度不夠、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)阻力過(guò)大、作動(dòng)筒漏氣等，下面分4種情況對(duì)飛機(jī)減速傘氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真。在數(shù)值仿真中，為了提高分析問(wèn)題的針對(duì)性，假定在系統(tǒng)某個(gè)參數(shù)退化時(shí)，其他參數(shù)正常。

2．1 氣壓電磁閥前供壓壓力減小的影響

如圖3所示，氣壓電磁閥前供壓壓力的正常值為5 MPa，減壓器故障或附件漏氣將造成減壓器后系統(tǒng)壓力減小。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，造成系統(tǒng)氣源壓力小的故障有:氣源管路及附件漏氣(8起)、氣動(dòng)減壓閥故障(27起)，以上故障共占減速傘系統(tǒng)故障的33．7%，屬多發(fā)性故障。

首先進(jìn)行減壓器后供氣壓力減小的數(shù)值仿真，首先設(shè)置氣源壓力依次按0．5 MPa遞減，分別為5，4．5，…，1 MPa，然后對(duì)比分析在9種壓力下系統(tǒng)參數(shù)的變化情況。根據(jù)飛機(jī)維護(hù)規(guī)程可知，減速艙門(mén)正常開(kāi)啟時(shí)間應(yīng)小于1．5 s，減速傘艙門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間過(guò)長(zhǎng)讓飛行員感覺(jué)放傘遲鈍，還可能會(huì)引起阻力傘放不出的故障。下面計(jì)算從放傘氣壓電磁閥工作到減速傘艙門(mén)打開(kāi)時(shí)間t艙門(mén)。

仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)氣源壓力小于2．5 MPa以后，艙門(mén)作動(dòng)筒完全伸出時(shí)間t艙門(mén)迅速增大并超過(guò)1．5 s。因此，壓力變化對(duì)t艙門(mén)影響顯著，是氣動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。

圖4 供壓壓力減小時(shí)t艙門(mén)數(shù)值仿真

2．2 氣動(dòng)電磁閥開(kāi)度減小的影響

氣動(dòng)電磁閥故障28起，占減速傘系統(tǒng)故障的27．0%，屬多發(fā)性故障。氣動(dòng)電磁閥的機(jī)械故障模式為漏氣、進(jìn)氣活門(mén)開(kāi)度小或打不開(kāi)。下面以放傘氣動(dòng)電磁閥進(jìn)氣活門(mén)開(kāi)度小為例進(jìn)行分析。

放傘氣動(dòng)電磁閥進(jìn)氣活門(mén)可能因閥芯銹蝕卡滯或堵塞等原因造成開(kāi)度減小，設(shè)置進(jìn)氣活門(mén)按0．2 mm2遞減，其開(kāi)度依次為2，1．8，…，0．2 mm2，仿真結(jié)果如圖5、6所示。進(jìn)氣活門(mén)開(kāi)度減小到0．6 mm2，艙門(mén)作動(dòng)筒完全伸出時(shí)間t艙門(mén)大于1．5 s，此時(shí)電磁閥出口壓力已減小到2．94 MPa?？梢?jiàn)放傘氣動(dòng)電磁閥的進(jìn)氣活門(mén)開(kāi)度對(duì)t艙門(mén)影響顯著，并與出口壓力明顯相關(guān)，是氣動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵影響因素。

圖5 電磁閥進(jìn)氣活門(mén)開(kāi)度減小時(shí)t艙門(mén)數(shù)值仿真

圖6 電磁閥進(jìn)氣活門(mén)開(kāi)度減小時(shí)氣壓數(shù)值仿真

2．3 機(jī)構(gòu)載荷增大的影響

開(kāi)啟艙門(mén)的載荷主要來(lái)自于兩個(gè)方面，一個(gè)是艙門(mén)開(kāi)啟中的氣動(dòng)阻力，另一個(gè)是作動(dòng)筒伸出時(shí)的摩擦阻力。作動(dòng)筒活塞桿、艙門(mén)鎖等因銹蝕阻力增大故障發(fā)生7起，占減速傘系統(tǒng)故障的6．74%開(kāi)啟艙門(mén)的載荷按200 N遞增，其載荷值依次為:683．8，(683．8+200)，…，(683．8+200×8)N。仿真結(jié)果如圖7所示，機(jī)構(gòu)載荷增大到1 483．8 N后，艙門(mén)作動(dòng)筒完全伸出時(shí)間t艙門(mén)大于1．5 s，機(jī)構(gòu)載荷增加量與t艙門(mén)的增加量基本成正比例關(guān)系。機(jī)構(gòu)載荷對(duì)t艙門(mén)影響顯著，是氣動(dòng)系統(tǒng)的重要影響因素。

圖7 艙門(mén)開(kāi)啟載荷增大時(shí)t艙門(mén)數(shù)值仿真

2．4 漏氣量增大的影響

作動(dòng)筒漏氣故障發(fā)生2起，占減速傘系統(tǒng)故障的1．93%。假設(shè)艙門(mén)作動(dòng)筒的活塞活動(dòng)間隙逐漸增大，間隙值分別為:0．01，0．02，…，0．11 mm，仿真結(jié)果如圖8、9所示，間隙值增加到0．11 mm后，艙門(mén)作動(dòng)筒完全伸出時(shí)間t艙門(mén)大于1．5 s，并且作動(dòng)筒工作壓力減小至0．61 MPa。如果間隙繼續(xù)增大，艙門(mén)作動(dòng)筒將不能伸出。因此，附件的氣密性與工作壓力直接相關(guān)，是氣動(dòng)系統(tǒng)的重要影響因素。

圖8 艙門(mén)作動(dòng)筒漏氣時(shí)t艙門(mén)數(shù)值仿真

圖9 艙門(mén)作動(dòng)筒漏氣時(shí)氣壓數(shù)值仿真

3 飛機(jī)減速傘氣動(dòng)系統(tǒng)維修及應(yīng)用

通過(guò)對(duì)飛機(jī)減速傘氣動(dòng)系統(tǒng)的4個(gè)參數(shù)退化進(jìn)行數(shù)值仿真可知，其中3個(gè)參數(shù)退化與工作壓力有關(guān)，而一個(gè)與載荷相關(guān)。在外場(chǎng)維護(hù)工作中，系統(tǒng)故障可能由一個(gè)或多個(gè)參數(shù)同時(shí)退化而產(chǎn)生，故障原因的判斷可能更為復(fù)雜。通過(guò)查閱相關(guān)飛機(jī)維護(hù)規(guī)程，發(fā)現(xiàn)目前的維修工作還可進(jìn)一步改進(jìn)和完善以提高維修效率。

3．1 增加在線壓力測(cè)量點(diǎn)

氣動(dòng)系統(tǒng)的在線壓力測(cè)量點(diǎn)過(guò)少，目前，只能通過(guò)座艙內(nèi)的氣壓表顯示氣源系統(tǒng)的壓力，而對(duì)減壓閥以后的管路系統(tǒng)沒(méi)有測(cè)壓點(diǎn)。

根據(jù)仿真結(jié)果，氣源壓力正常，并不能保證減壓閥以后管路壓力一定正常。當(dāng)減壓閥、電磁閥和作動(dòng)筒等附件發(fā)生故障后，管路壓力會(huì)下降，對(duì)減速傘艙門(mén)開(kāi)啟時(shí)間有直接影響。因此，需要在相關(guān)管路中增加3處測(cè)壓點(diǎn)，一是在減壓閥后;二是在放傘氣動(dòng)電磁閥后;三是在艙門(mén)作動(dòng)筒管路之前。有了這3處測(cè)壓點(diǎn)，可以較好地判斷系統(tǒng)故障原因，減少氣動(dòng)附件的拆卸檢測(cè)與修理。

3．2 利用氣密測(cè)試儀發(fā)現(xiàn)漏氣部位

根據(jù)飛機(jī)維護(hù)規(guī)程，目前外場(chǎng)在線維護(hù)中，發(fā)現(xiàn)漏氣部位還是以聽(tīng)聲、涂中性肥皂水等常規(guī)方法為主，對(duì)一些慢漏氣、內(nèi)漏等故障難以發(fā)現(xiàn)。隨著氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，一些先進(jìn)的氣密測(cè)試儀在天然氣輸送儲(chǔ)存系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。如采用ECOSO品牌的壓縮空氣檢測(cè)儀和泄漏點(diǎn)掃描槍可作為實(shí)用的查漏工具，可快速實(shí)時(shí)地檢測(cè)出被測(cè)對(duì)象在當(dāng)前工作壓力下的氣體泄漏流量，快速查漏堵漏［9］。

3．3 做好機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑保養(yǎng)

定期對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的各作動(dòng)筒及時(shí)進(jìn)行潤(rùn)滑保養(yǎng)，防止銹蝕卡滯造成作動(dòng)筒工作時(shí)阻力過(guò)大。該系列飛機(jī)常處于海洋性大氣環(huán)境之中，而且減速傘系統(tǒng)位于發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口上部，溫度較高，并處于相對(duì)密封狀態(tài)，一旦雨水和潮濕空氣進(jìn)入難以排出，氣動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和管路附件容易發(fā)生銹蝕［10］。需要做到雨后和潮濕季節(jié)及時(shí)通風(fēng)排水，并做好潤(rùn)滑和保養(yǎng)工作。另外，可以改進(jìn)機(jī)構(gòu)的材料，采用耐腐蝕性好、自潤(rùn)滑性好的材料，減小摩擦阻力。

4 結(jié)論

建立了減速傘氣動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，從系統(tǒng)的角度對(duì)減速傘放、拋傘工作性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，通過(guò)數(shù)值仿真，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的維修方法手段的不足，運(yùn)用新方法針對(duì)性地進(jìn)行視情維修，做到數(shù)值仿真與傳統(tǒng)維修手段的深度融合，提高維修效率，保證飛機(jī)可靠安全運(yùn)行。

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