民机起落架转弯性能分析研究

摘 要：操纵前轮转向作为飞机地面操纵转弯的主要方式，其执行机构――前轮转弯系统的设计是飞机起落架设计的重要组成部分。前轮转弯系统可以分为前轮转弯机构和电液伺服控制系统两个组成部分，基于LMS Virtual.lab Motion和MATLAB/Simulink软件平台建立前轮转弯机构及其电液伺服控制系统的联合仿真模型，对系统在不同操纵模式下的主要功能和性能进行仿真分析，实现了某民机前轮转弯系统的机电液一体化仿真。通过仿真分析，验证了本次单作动筒式前轮转弯系统设计工作的正确性和合理性，获得了一些有价值的设计经验及结论，为进一步的详细设计工作和试验验证工作奠定了良好的基础。

关键词：某民机；起落架；前轮转弯

引言

飞机的起飞和着陆是飞机事故的多发阶段，大量的统计表明有 50%以上的安全事故发生在飞机起飞和着陆阶段。目前，飞机正向着大吨位、高速度、高可靠性的方向发展，并且着陆过程时间较短，其间会受到各种内外因素的影响，为了保证飞机和机载人员的安全，对其转弯系统的转弯性能提出了更高的要求[1，2]。

目前的虚拟样机软件工具，大都集中在解决特定领域问题或某几个领域问题。针对复杂系统的研发，需要机械、动力学、电子、控制和仿真等多领域的协同工作，妄想通过某个虚拟样机软件解决所有问题是不现实的。因此针对虚拟样机建立不同面向的模型和进行不同领域的协同仿真，就成为虚拟样机当前研究的热点。

本项目以某民机为研究对象，采用LMS Virtual. Lab Motion， 在三维空间内建立带有起落架的飞机整体空间运动学及动力学模型，根据所建立飞机刹车系统和防滑控制算法数字仿真模型，通过数值分析软件MATLAB/Simulink 建立了带有控制反馈的飞机转弯控制系统，设置接口，进行联合仿真实现和分析。通过仿真结果，综合分析和研究了飞机平滑速度、转弯角度差异、起落架结构特性等因素对飞机转弯系统性能的影响，为转弯系统的研究、设计提供理论依据和参考。为大型民机转弯性能分析提供理论依据、建立分析平台和分析流程。在此基础上进行更深层次的理论研究，为我国某民机的起落架计和研制提供理论依据和技术支持。

1 飞机动力学模型建立

1.1 机身子模型建立

建立机身系统，设置其重心与质量。建立的轮胎子系统，采用LMS Virtual.Lab中现有的Complex Tire 轮胎模型。设置轮胎参数主要包括：Radious，Rolling Resistance，Rolling Radious，Cornering Stiffness，Lateral Stiffness，Vertical Stiffness，Align Moment，Relax Length等。

1.2 前起落架转弯设置

考虑到飞机实际操纵过程中飞机的转弯由前起落架转弯机构实现，故在测试某大型民机地面高速滑跑状态下防摆性能的飞机模型（以下简称防摆模型）的基础上，加以如下修改：（1）为了实现前轮转弯，取消防摆模型前起落架转弯机构的固定副，以转动副代替。（2）考虑到飞机转弯需要取消飞机前轮起落架防摆系统，故需要屏蔽减摆阻尼力。（3）飞机实际飞行过程中速度方向始终是飞机航向，考虑到实际过程中飞机速度的实现以及LMS Virtual.Lab Motion的可实现性，采用飞机驱动力以代替原始的速度驱动。（4）飞机实际转动过程中克服的转弯力矩为克服负载载荷的力矩，且保持角度的过程中伺服液压系统需要给予飞机以稳定力矩，为了真实模拟飞机转弯实况，加“RSDA”。

2 液压伺服系统模型

2.1 力反馈伺服阀的传递函数

本系统采用喷嘴挡板力反馈式二级伺服阀，一般情况下，力矩马达控制线圈的动态和滑阀的动态可以忽略。作用在挡板上的压力反馈的影响比力反馈小得多，压力反馈回路也可以忽略[3]。这样力反馈伺服阀的方框图可简化为图1所示的形式。力反馈伺服阀的传递函数为

（1）

或

（2）

式中：Ka为伺服放大器增益，Ka=■为伺服阀增益，KXV为伺服阀增益，KXV=■。

图1 力反馈伺服阀简化框图

2.2 四通阀控液压缸建模

四通阀控液压缸是由零开口四边滑阀和对称性液压缸组成的，他们是常用的一种液压动力元件。式（3）、式（4）和式（5）是阀控液压缸的3个基本方程，完全描述了阀控液压缸的动态特性[4]。

（3）

（4）

（5）

由这3个基本方程可以画出阀控液缸的方程图，如图2所示，图2是由负载压力活的液压缸位移的方框图。

以下方框图可用于模拟计算。从负载流量获得的方框图适合于负载惯量较小、动态过程较快的场合。从负载压力获得的方框图适合于负载惯量和泄露系数都比较大，而动态过程比较缓慢的场合。

图2 由负载压力获得液压缸活塞位移方框图

3 LMS Virtual. Lab与MATLAB/Simulink联合仿真

为了进一步研究转我那机构在飞行员输入操纵前轮信号时，转弯机构的动态响应情况，将基于已建立的前轮转弯机构动力学模型和电液伺服控制系统仿真模型，通过控制导入模式，进行联合仿真。其仿真流程如图3。

根据伺服阀模型和阀控液压刚数学模型，考虑到伺服液压系统传递方程是通过控制活塞杆位移得到相应的转动角度，且Motion中是输入操纵力矩，在转弯模型中增加一个力-力矩的环节。根据式（5）可知，四通阀控液压缸输出力矩与其输出位移，输出位移的一阶导数、二阶导数，即速度和加速度有关，由此可得力矩输入式伺服液压系统转弯模型如图4所示。

图4 力矩输入式伺服液压系统转弯模型

4 结束语

在轮胎几何参数以及地面摩擦系数不变的情况下，通过分析及讨论前纵角与飞机滑行速度的关系，有助于防止主轮侧滑现象发生，从而保证飞机地面前纵运动的安全性。由机在定常转弯时，飞机速度越大，转弯角度越大，轮胎的侧向摩擦力越大，并且此摩擦力为静摩擦力。当轮胎发生侧滑时，静摩擦力会突变成为动摩擦力，由于静摩擦力远小于动摩擦力 ，轮胎的侧向力会突然变小，依此标准，可测试出飞机在不同的转弯操纵角下可以飞行的安全速度。

经分别研究前纵角10°、13°、15°、20°、25°、30°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°，转动角速度采用较为安全的10°/s，主轮产生的侧滑的极限速度，绘制出主轮临界的前轮转角与滑行速度关系，并绘制出前纵角与滑行速度的关系曲线图5。由图5可知，随着前纵角的增大，飞机临界侧滑的速度随之减小，曲线下方为操纵安全区域。

图5 主轮侧滑前纵角与滑行速度的关系曲线

参考文献

[1]P.D.Khapane.Simulation of asymmetric landing and typical ground maneuvers for large transport aircraft. Aerospace Science and Technology，2003，7：611-619.

[2]《飞机设计手册》总编委员会.起飞着陆系统设计[M].北京：航空工业出版社，2002

[3]王占林.近代电气液压伺服控制[M].北京航空航天大学出版社，2005.

[4]王纪森，王博.力反馈电液伺服阀优化[J].计算机仿真，2011，28-3.

作者简介：毕振瀚（1980，6-），男，籍贯：江苏省滨海县，学历：硕士，研究方向：结构动力学仿真。