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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