摘要
冲压空气涡轮作为飞机上的应急能源,能在出现紧急情况时提供电能,保证飞机上电传操控和电子设备的正常工作。本文以冲压空气涡轮为研究对象,基于机械运动原理对系统模型进行了简化,基于刚体假设,结合MATLAB软件从理论上研究结构在释放过程中的运动学问题。给出了冲压空气涡轮系统释放过程中各个关节空间位置的理论求解方法,得到了关节在空间中的运动轨迹和对应的速度时间曲线、加速度时间曲线,结果表明:冲压空 气涡轮系统的释放过程在1 s以内,释放速度较快,且各关节在释放初始阶段速度、加速度响应较大。本文的工作可为后期不同冲压空气涡轮系统构型的初步设计提供理论依据,指导冲压空气涡轮释放的仿真计算和试验。
随着多电飞机的迅速发展和电传操控的广泛运用,飞机上用电负载增加,对电源系统提出了更高的要
冲压空气涡轮发动机具有经济性好,重复使用率高等优
目前国内外大多数是对RAT的气动性能进行仿真计算和理论研
RAT在飞机上的释放具有迅速性、冲击载荷大和气动影响明显等特性,对RAT装置的结构强度提出了很高的要
RAT系统作为飞机上的应急能源,在紧急状态时提供必要的电能,保证机载设备和电传操控的正常运行。工作时系统从飞机内部展开,涡轮受风载的作用产生转动,带动发电机工作。
RAT系统主要由液压作动筒、耳轴、支撑臂、前接杆、泵壳体、涡轮等组成(

图1 RAT示意图
Fig.1 RAT schematic diagram
液压作动筒的释放过程类似于一种活塞运动,可以简化为移动副;液压作动筒和支撑臂的上端点固支,可以简化为转动副;支撑臂可以绕着作动筒在平面内转动,因此,支撑臂和作动筒的交点可以简化为转动副;支撑臂和上连杆的交点以及上连杆和舱门的交点均可以在3个方向上运动,这两个交点可以简化为球铰副。此外,舱门绕着舱门转轴转动,在舱门转轴处也存在一个转动副。
RAT系统简化如

图2 RAT简化示意图
Fig.2 RAT simplified diagram
进一步分别建立3个坐标系:整体坐标系OXYZ;以转动铰B为原点,建立以转动铰A、转动铰B和支持臂端点H组成的局部平面坐标系BX'Y'Z';以垂直于支撑臂中轴线的方向为X''轴,沿支撑臂中轴线为Y''轴,建立局部坐标系BX''Y''Z''。作动筒AC0的延长线与支撑臂BH中轴线的交点为C2,过D1作支撑臂BH中轴线上的垂线,垂足为D0,过球铰E0作FG的垂线,垂足为E1。
以转动铰B为原点,转动铰A、转动铰B、球铰E0、舱门转轴上点F和点G等在整体坐标系OXYZ中的初始坐标如
作动筒初始长度为AC0,作动筒伸长量随时间变化的函数为dL;上连杆的长度为D1E0;支撑臂总长为BH,则支撑臂端点H在局部坐标系BX''Y''Z''中的坐标为(0,-BH,0);支撑臂上BC2段长度为BC2;支撑臂上BD0段长度为BD0;点C2所在支撑臂横截面半径为R1,则点C0在局部坐标系BX''Y''Z''中的坐标为(R1cosθ1,-BC2,R1sinθ1),其中θ1是点C0在BX''Z''平面上的投影与BX''轴的夹角;点D0所在支撑臂横截面半径为R2,则点D1在局部坐标系BX''Y''Z''中的坐标为(R2cosθ2,-BD0,R2sinθ2),其中θ2是点D1在BX''Z''平面上的投影与BX''轴的夹角;平面ABH与垂直面BXY的夹角为ψ(即OXY面绕X轴旋转ψ后得到面ABH)。
液压作动筒AC0在释放的过程中,除连杆AC0的长度会随时间变化外,RAT系统其他连杆的长度均保持不变,根据试验数据,液压作动筒伸长变化如

图3 液压作动筒伸长量随时间变化
Fig.3 Hydraulic actuator elongation changing with time
如
(1) |
此外,在直角△BC0C2中,存在,而BC0与AB的夹角。
在△ABC0中,AB与BC0的夹角φ2随作动筒AC0的伸长发生变化,由余弦定理得到
支撑臂倾斜角φ随作动筒伸长量dL发生变化
(2) |
(3) |
式中:φ3为AB与水平轴的夹角,可以由A、B两点的坐标确定。因此,可得到支撑臂倾斜角φ随时间的变化率,如

图4 支撑臂倾斜角φ随时间的变化曲线图
Fig.4 Change curve of inclination angle φ of support arm with time
由

图5 支撑臂倾斜角φ随伸长量的变化曲线图
Fig.5 Change curve of inclination angle φ of support arm with elongation
坐标系BX''Y''Z''是坐标系BX'Y'Z'绕Z轴旋转后得到,旋转矩阵为
(4) |
为了得到支撑臂上各个关节铰的运动轨迹,需要先得到连接作动筒和支撑臂之间的转动铰C0的动态变化。C0在整体坐标系下坐标的变化为
(5) |
其空间运动轨迹、速度随时间变化、加速度随时间变化规律分别如图

图6 铰C0的空间运动轨迹图
Fig.6 Space motion locus of hinge C0

图7 转动铰C0速度随时间的变化曲线图
Fig.7 Speed curve of rotating hinge C0 with time

图8 转动铰C0加速度随时间的变化曲线图
Fig.8 Acceleration curve of rotating hinge C0 with time
由图
球铰D1是支撑臂和上连杆的交点,也是表征上连杆运动的关键铰接点。根据空间几何位置和部件尺寸,可以得到上连杆上点D1的空间运动轨迹(

图9 球铰D1的空间运动轨迹
Fig.9 Spatial trajectory of spherical joint D1
D1在整体坐标系下的位置变化为
(6) |
冲压空气涡轮系统在释放过程中,舱门也随之打开。为了了解支撑臂与舱门之间是否会发生碰撞,需要知道支撑臂末端的实时空间位置。支撑臂端点H在整体坐标系下坐标的变化为
(7) |
其空间运动轨迹、速度随时间变化、加速度随时间变化规律分别如图

图10 支撑臂端点H的空间运动轨迹
Fig.10 Spatial trajectory of the end H of support arm

图11 支撑臂端点H的速度曲线图
Fig.11 Speed curve of the end H of support arm

图12 支撑臂端点H的加速度曲线图
Fig.12 Acceleration curve of the end H of support arm
支撑臂端点H距离舱门的水平距离为
(8) |
其随时间变化规律如

图13 支撑臂端点H距离舱门的水平距离随时间变化
Fig.13 Horizontal distance between the end H of support arm and the hatch changing with time
由
舱门的正常运行也是整个应急释放系统顺利进行的前提和保障,在舱门上能找到一条水平线来表征整个舱门空间运行的全部过程。过球铰E0作舱门转轴FG的垂线,垂足为E1。
(9) |
由
随着作动筒的运动,球铰E0的位置发生变化。
(10) |
由

图14 球铰E0的空间运动轨迹图
Fig.14 Space motion locus of spherical joint E0

图15 球铰E0的速度曲线图
Fig.15 Velocity curve of spherical hinge E0

图16 球铰E0的加速度曲线图
Fig.16 Acceleration curve of spherical joint E0
舱门转动过程中转角随时间的变化即E0E1与E0E1(t)之间的夹角为
(11) |
其随时间变化规律如

图17 舱门转角随时间变化曲线图
Fig.17 Curve of hatch angle changing with time
由
本文将RAT系统连接部件简化为运动副,基于机械运动理论,给出了RAT系统释放过程中各个关节的空间位置理论求解方法,并得到了各运动副速度和加速度随时间变化的轨迹曲线。结果表明,RAT系统的释放用时在1 s以内,释放速度较快,各关节在系统释放伊始速度、加速度响应变化较为迅速,其中舱门转轴的加速度峰值最大,后续仿真和试验中应重点对此处进行强度校核。此外,本文建立模型时采用了刚体假设,未考虑约束处的弹性变形,在实际工程应用时需要考虑弹性约束以确保释放可行。本文工作可为后期不同RAT系统构型的初步设计和RAT系统释放的仿真计算、试验提供理论指导。
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