摘要
冲压空气涡轮(Ram air turbine, RAT)作动筒属于飞机应急备份系统的一部分,故障检测数据少;且由于其属于机电液混合的复杂系统,故障原因隐蔽,因此难以确定导致RAT作动筒故障的原因。针对以上问题,提出了基于Modelica仿真的RAT作动筒故障原因分析。首先,根据RAT作动筒的结构和工作原理建立其Modelica模型,并结合试验数据验证模型的准确性,在两种工况载荷下的误差分别为5.3%和6.3%;然后对模型中重要部件的主要参数进行参数扫描,针对RAT作动筒的无法解锁和展开时间不达标两类故障找到共计4个根原因,并且确定了故障发生的临界条件;最后提出了在用户对RAT作动筒进行检查的建议,通过对弹簧弹力、泄漏流量、阻尼孔和配合表面的简单检测就能判断作动筒的健康状况,为RAT系统作动筒的故障分析和健康监测在工程中的应用提供了参考。
现代民航客机通常都安装冲压空气涡轮(Ram air turbine, RAT)装置,以保证飞机在完全丧失动力的情况下仍有可使用的能源来实现对飞机的控
Modelica语言通常被用于对系统的工作状态进行动态仿
针对民航飞机常用的桨叶式RA

图1 RAT作动筒结构
Fig.1 RAT actuator structure
执行机构由展开弹簧、活塞和载荷连接杆组成,能够在弹簧力的带动下完成将活塞展开一定的位移的动作,使RAT装置的迎风部分被推出机舱外。其中弹簧力由2部分组成,分别来自2个劲度系数不同的弹簧。作动筒内含航空液压蓝油,液压油通过位于缸体上展开方向末端的阻尼孔进入泄流通路,此过程会形成较大的背压阻尼。当作动筒行程接近终点时,线性分布的阻尼孔会被活塞逐渐堵塞,使回油阻力逐步增大,帮助执行机构实现末端减速,避免发生刚性碰撞。
解锁机构包括收起状态的上位锁和伸出状态的下位锁,主要有锁定弹簧、传动杆系和电磁拉杆等组成部件。利用平动连杆机构与锁定弹簧配合使用实现作动筒的锁定,电磁拉杆则提供解锁所需的拉力。
作动筒的部分结构组件和运动副约束可以使用Modelica标准库来建立模型,如弹簧、连杆、机架、铰链、滑动副
作动筒作为一个动力学部件,保证模型准确的关键在于各组件的受力的准确性。在作动筒展开过程中,涉及3个力的作用:展开弹簧的弹力、风载荷、液压阻尼。其中弹簧力可以根据本作动筒的设计数据直接进行参数设置,通过判断语句和逻辑选择模块控制每个弹簧的工作范围;风载荷来源于作用在涡轮上的气流,表现为对展开过程的拉力,其值与作动筒的展开位移呈函数关系。RAT在2种不同展开姿态下承受的风载荷不同(即工况1、工况2),将实验实测的风载荷数据拟合为如下多项式函数,赋予相应的力组件。
工况1
(1) |
工况2
(2) |
液压阻尼来源于作动筒展开过程的回油阻力,其值与作动筒阻尼孔的结构和展开速度有关,表现为展开过程的阻力。将阻尼孔简化为薄壁小孔,并认为各个阻尼孔同一时刻流量相同。联立薄壁小孔流量公式与活塞的运动学公式可以求解阻尼力
(3) |
(4) |
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(6) |
式中:q为每个阻尼孔的流量;为阻尼系数;为阻尼孔面积;为液压油密度;为缸内两端压差;为作动筒高压腔总流量;为活塞速度;为活塞面积;为活塞加速度;、为风载荷和弹簧载荷。
可以看出,在设计的理想状态下,影响阻尼力的参数包括阻尼孔的尺寸和液压油密度。根据作动筒设计选取阻尼孔半径为1 mm,液压油密度为860 kg/
在作动筒整体的建模中,由于3个作用力均直接作用于活塞体且力的方向在同一直线上,为了简化建模,将活塞视为刚体并以一个质点代替。考虑到缸体的复杂形状在作动筒解锁和展开的过程中并没有明显作用,因此将其简化,仅以固支点的形式保留弹簧安装点、传动杆系安装点、锁定控制面等几个参与运动过程的局部点和面。
可以使用标准库组件Body类模型搭建作动筒的主体物理结构(如质点、杆等),然后为主体结构添加自定义的力载荷组件,并根据工作原理添加逻辑判断来决定载荷的作用时间和位置。使用自定义连接器在解锁结构和执行机构之间进行解锁信号的传递。执行机构模型如

图2 执行机构模型
Fig.2 Actuator model

图3 解锁机构模型
Fig.3 Unlocking mechanism model
为了保证模型建立的准确性,根据研究对象的原有设计,取6个阻尼孔并按照3层排列,实现作动筒150 mm设计行程的末段逐级减速;展开弹簧的初始弹力设置为标准状态的346 500 N;在解锁机构,设置关键的电磁拉杆拉力和行程分别为固定值150 N和1.2 mm,若在该拉力或该行程内无法完成解锁则判定为故障。模型的主要参数如
为了使用基于Modelica的系统仿真模型,需要验证Modelica模型的正确性,将仿真结果与某研究所的实物试验结果数据进行对比,其展开位移‑时间曲线如

图4 仿真和实测的展开位移‑时间曲线
Fig.4 Simulation and measured displacement‑time curves
从结果对比能够看出,工况1的仿真结果与实物试验结果的展开时间误差为5.3%,工况2的误差为6.3%。两类工况下的展开时间均是仿真结果比试验结果长,应当是仿真中展开拉力比实际值略低或阻尼略高造成的。考虑到弹簧的结构简单,建模准确度较高,误差的主要来源应当是风载荷离散数据与实际风载的误差以及计算液压阻尼力时的简化造成的,但是误差较小,可以证明对RAT作动筒进行Modelica建模仿真的可行性和本模型的准确性。
通过修改缸体、弹簧、传动杆系等主要施力、传力部件的结构和力学参数并运行仿真的方式,研究在载荷的不同施加条件下作动筒展开时间的变化,可以发现:对于作动筒展开时间异常的故障情况,主要是由于弹簧退化、液压油泄漏、阻尼孔堵塞等与载荷相关的原因造成的;对于锁定机构无法完成解锁动作的故障,主要是由于关键的锁定控制面的磨损造成的。
仿真发现,作动筒展开弹簧的初始弹力对展开时间的影响明显,其结果如

图5 弹簧初始总推力降低对作动筒展开时间的影响
Fig.5 Effect of the reduction of the initial thrust of the spring on the expension time of the actuator
通过仿真可知,液压油的泄露对展开时间影响明显,针对这种情况,其仿真结果如

图6 密封圈泄漏流量对作动筒展开时间的影响
Fig.6 Effect of the leakage of the sealing ring on the expansion time of the actuator
正常状态下,液压腔末段表面共有6个半径为1 mm的阻尼孔,长期使用后可能发生杂质堵塞导致阻尼孔有效截面积变小,影响泄流效率,增大液压阻尼,使作动筒展开时间明显变长。不同阻尼孔半径情况下的作动筒展开的仿真结果曲线如

图7 阻尼孔半径对作动筒展开时间的影响
Fig.7 Effect of the radius of the damping hole on the expension time of the actuator
在解锁机构部分,其核心三角块所处的位置和姿态对解锁结构能否成功解锁至关重要。实际飞行中飞机的颠簸使配合表面不断摩擦发生磨损,导致斜撑杆倾角变大,右端上扬,锁定弹簧的锁定分力增大。当斜撑杆右端上扬到一定程度后,拉力为定值的解锁拉杆将难以拉动整个机构完成解锁动作。三角块配合面磨损量及斜撑杆右端上扬高度与能否解锁的关系仿真结果如

图8 三角块配合面磨损量对解锁的影响
Fig.8 Effect of the wear of the matching surface of the triangular block on the unlocking process
当三角块配合面总磨损量超过0.04 mm,机构的状态将由能正常解锁转变为无法解锁,这将直接导致作动筒完全无法展开的严重故障。因此,检修人员必须定期检查接触面的磨损情况,确保解锁机构具备正常解锁的能力。
通过将对系统整体功能的定性检查转变为对故障原因事件的定量检测,能够充分了解系统的功能状态,便于制订维修计划,降低检修的时间和成本,提高检修的效率和准确度;依据仿真分析的结果,可以对RAT作动筒的维护检查方案提出指导意见:在常规检查维护中,需要对故障根原因对象进行重点检查,其具体指标情况如
本文使用Modelica语言对RAT作动筒在2种载荷曲线工况下进行建模,模型误差分别为5.3%和6.3%,具有较高的精确度,为RAT作动筒的性能监测和故障分析奠定了基础。使用Modelica模型对RAT作动筒进行故障根原因仿真分析得到以下结论:
(1)找到了作动筒无法解锁和展开时间不达标2个故障的4个根原因:展开弹簧退化、密封圈泄漏、阻尼孔堵塞、锁定控制面磨损。
(2)根据仿真结果分别得到了故障根原因导致故障发生的临界条件,并提出了对作动筒的检查项目:弹簧总弹力≥242 550 N、内泄漏流量≤4.2 L/min、阻尼孔半径≥0.96 mm(即不能有明显堵塞)、锁定控制面总磨损量≤0.04 mm(即不能有明显磨损)。
航空公司的维护人员可以利用上述成果,有针对性地检查RAT作动筒的健康状况。相较于传统的基于使用经验和统计数据的定性或半定量故障研究,利用Modelica的故障根原因分析实现了完全的定量化,提高了故障分析的准确性和效率。仿真结果具有较好的工程应用前景,但是仍有很多问题值得更深入研究,如与AMESim等专业软件联合仿真以提高建模和仿真的精
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