0引言

Chinese Journal of Ship Research - - 中国舰船研究 -

在航母舰载机着舰阻拦的初始阶段,为了降 低舰载机挂钩时阻拦索的张力峰值并解决拦阻索的松弛问题,需要在甲板滑轮与主阻拦机之间设置液压缓冲系统,即滑轮缓冲器。滑轮缓冲器可

以延长钢索的使用寿命,提高阻拦系统的可靠性,障[1]。为阻拦系统的安全运行提供重要保 传统的滑轮缓冲器采用固定过流面积的孔口节流来产生1 Mk7-3阻尼力,图 所示为 滑轮缓冲器,由液压缸、蓄能器和液压阀等主要部件组成。国内外关于舰载机阻拦系统的多项研究均涉及滑轮缓冲器[2-6],但鲜有滑轮缓冲器方面的专项研究,沈文厚等[1]对有、无滑轮缓冲器的舰载机阻拦系统性能进行了深入分析。目前,阻拦系统研究大多基于固定节流面积的滑轮缓冲器展开,这类滑轮缓冲器在活塞运动过程中的阻尼特性基本固定,对阻拦系统阻尼特性需求的适应性较差。基于此,本文拟提出一种节流阀节流面积随活塞行程变化AMESim的滑轮缓冲器,采用 软件对舰载机捕获初始阶段的阻拦性能进行仿真,并与传统固定阻尼特性的滑轮缓冲器进行对比分析,可为进一步改善舰载机拦阻系统性能提供理论参考。

1 基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器数学模型

1.1 基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器

基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器与传统滑轮缓冲器的主要区别在于其节流孔面积 A 可以随o活塞位移 x实时变化,即 A =f (x) 。在舰载机捕o获初期,阻拦索的运动速度很小,为了建立初期张力,缓冲器应产生较大的阻尼效果;随着阻拦索的运动速度增加,其张力也逐渐增加,为了缓解阻拦索张力,缓冲器的阻尼力应减小,则相应的节流孔面积应增大;在阻拦作业后期,缓冲器活塞将达到行程终点,阻拦索运动速度减小,为了防止阻拦索振荡并制动活塞,需要在活塞行程末端形成“液压垫”,以产生较大的阻尼力。舰载机阻拦过程中对2滑轮缓冲器节流阀节流面积的需求为如图 所示的“反浴盆”曲线。

1.2 舰载机捕获初期的动力学模型

3图 所示为舰载机阻拦示意图。横置于航母20m 30飞行甲板上的拦阻索长度约为 ,由 根直径1.2 mm为 的高强度钢丝绳拧成,钢丝绳之间采用聚酯纤维润滑[7]。为了简化研究,提出如下假设: 1)舰载机捕获初期,主阻拦机缓冲系统为大惯性系统,尚未发挥作用,该阶段主要由滑轮缓冲器产生缓冲作用。2)舰载机着舰时无偏航,阻拦索以舰载机尾钩为基准,左右两端受力对称。3)忽略舰载机尾钩与阻拦索、阻拦索与滑轮之间的摩擦力。4)忽略阻拦索质量及运动过程中的波动。 3如图 所示,舰载机沿甲板跑道中心着舰,其尾钩勾住甲板阻拦索中心,随着舰载机向前运动,阻拦索从甲板下方拉出。舰载机在捕获初期所受的阻尼力由甲板下方的滑轮缓冲器提供。2T sin θ = ma = mÿ y

式中:T 为阻拦索张力;θ 为初始时刻与移位后某时刻阻拦索位置的夹角; m为舰载机质量; a 为舰载机加速度;y为舰载机位移;L为初始时刻甲

2板上 个导向轮之间阻拦索长度的一半。此时,滑轮缓冲器的放索长度 DL 为

3 DL= y2 + L2 -L ()在阻拦索的带动下,滑轮缓冲器的活塞位移x 为

y2 + L2 -L x = DL = 4 () 2 2在滑轮缓冲器动滑轮的带动下,液压缸活塞随之运动并压缩液压缸内的液压油,液压油通过管路及液压阀流入蓄能器。液压缸活塞的受力F 为p

(5) F = P Ap p H式中:P 为液压缸有杆腔压力;A 为活塞的有效H p

作用面积。在液压阀孔口节流及管道的流阻作用下,液压油产生压降后进入蓄能器。忽略液压管路的阻力损失,管路内液压油的流量q 为

2(P Hρ- P 0) (6)

q= C Ao d

=0.66,为式中: C 小孔流动的流量系数(按照孔d前通道与小孔直径之比,分为完全收缩薄壁孔流量系数和不完全收缩薄壁孔流量系数);P 为节0

流阀后压力;ρ为液压油密度。

量,即流经管路的液压油流量等于液压缸的流出油2(P - P0) (7) C Ao =q = A vp H d p ρ

2

ρ A vp

8 P = p + P0 () H 2 C A d o

式中,v 为液压缸活塞的速度。p将式(8)代入式(5),可得3 ρAp 9 F = v + P Ap () 2 p 2 2 p 0 2C Ao d忽略管路的阻力损失,则 P 近似等于蓄能器0

压力,即

P ac0V ac0n P ac0V ac01.4

10 P = = ( ) 0 ( )n ( )1.4 V - xA V - xA ac0 p ac0 p

式中:P 为蓄能器的初始压力;V 为蓄能器的ac0 ac0初始气体体积;n=1.4,为多变指数,由于滑轮缓冲1s器工作时间短(小于 ),故液压油进入蓄能器的气体压缩过程可视为绝热压缩过程。舰载机阻拦过程中,阻拦索张力T与活塞运动之间的关系为 ρA p3 P ac0V ac01.4 (11) T= ẋ + Ap 2 p) 2 2 1.4 4C Ao 2 V - xA d ac0

2 基于AMESim的滑轮缓冲器建模

为了对舰载机阻拦系统的滑轮缓冲器性能进AMESim行仿真分析[8-10],将基于 液压元件库建立4液压系统仿真模型,如图 所示,其中舰载机的重22.7 t,着舰速度为80m/s量为 。舰载机被捕获后通过阻拦索带动滑轮缓冲器活塞运动,通过函数Function 1将舰载机的运动位移转化为液压缸活塞的位移,并作为液压缸的输入。根据活塞的运2动位移,在图 中通过插值数据表得到变节流阀的设定节流面积。在液压缸有杆腔的出口设置压Sensor,用以检测 Func⁃力传感器 P 。通过函数H tion 2将液压缸有杆腔压力和活塞运动位移转化为舰载机承受的阻拦索缓冲力合力,并作为舰载机质量块模型的输入。

3 仿真结果分析 3.1 固定阻尼的滑轮缓冲器

Mk7-3将对采用固定阻尼 滑轮缓冲器的舰载3机阻拦系统进行仿真,设置 种固定节流面积 A o 5的仿真工况,仿真结果如图 所示,其中 v为阻拦j 过程中的舰载机速度。1) =4 908 mm(图2 A 2中的最大值)。o 2) =1 267.5 mm(图2 A 2中的平均值)。o

图2节流孔面积随活塞位移的变化曲线Variation of orifice area with respect to the displacement of piston

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