液压助力器稳定性分析.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ． 0 4 ． 2 0 1 4 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 1 1 液压助力器稳定性分析 杜来林 空军第一航空学院， 河南 信阳4 6 4 0 0 0 摘要 液压助力器 的稳定性 ， 是指它在工作 中会不会产 生持续不断的振动。对 于已经使用 的助力器 ， 一般情况下当平衡工作状态受到 破 坏后 ， 能够迅速地恢 复到原来 的平衡状态。如果液压助力器 的稳定性变差 ， 它就会产生低频 自激振动使舵 面发生持续抖动 ， 直接会 影 响飞机操纵 系统 的使用寿命和工作可靠性 。该文 阐述 了飞机舵面振动 的物理过程 ， 稳定性的判别方法 以及稳定余量。 关键词 液压助力器 ； 稳定性 ； 稳定余 量 ； 振动 中图分 类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 4 - 0 0 4 1 - 0 3 S t a bi l i t y An a l y s i s o f Hy d r o bo o s t e r DU L a ／ -l i n T h e F i r s t A e r o n a u t i c I n s t i t u t e o f A i r F o r c e ， Xi n y a n g 4 6 4 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e s t a b l i t y o f h y d r o b o o s t e r me a n s wh e t h e r i t wo u l d o c c u r c o n t i n u al l i b r a t i o n i n wo r k o r n o t ．Hy d r o b o o s t e r w h i c h h a s b e e n u s e d c a n c o me b a c k t o e q u i l i b ri u m w h e n o ri n M w o r k i n g s t a t e i s d e s t r o y e d ．B u t i f s t a b l i t y o f h y d r o b o o s t e r b e c o m e b a d ，s e l f - e x c i t e d v i b r a t i o n i n l o w f r e q u e n c y p r o d u c e d b y h y d r o b o o s t e r c a n ma k e mo v a b l e s u r f a c e o c c u ri n g d u r a t i v e d i t h e ri n g ， wh i c h d i r e c t i n fl u e n c e s u s e f u l l i f e a n d o p e r a t i n g r e l i a b i l i t y o f a i r p l a n e c o n t r o l s y s t e m． P h y s i c a l c o u r s e o f mo v a b l e s u r f a c e o c c u r i n g d u r a t i v e d i t h e rin g ， c o g n i z a n c e me t h o d o f s t a b l i t y a n d s t a b l i t y all o wa n c e we r e e x p o u n d e d i n t h i s p a p e r ． Ke y wo r d s h y d r o b o o s t e r ； s t a b i l i t y； s t a b l i t y a l l o w a n c e ； d i t h e ri n g O 引言 某 型飞机液压助力器的稳定性 ．是指它在工件中 会不会产生持续不 断的振动 对于已经使用的助力器 来说 ， 在一般情 况下 ， 当平衡工作状态受到破坏后 ， 是 能够迅速地恢复到原来 的平衡状态的。但是 ， 如果助力 器的稳定性变差 了． 它就会产生低频 自激振动 频率在 2 0 Hz 左右 ． 使飞机舵面发生持续抖动 ， 容易造成 附件 损坏 、 接头松动和间隙增大 。 直接影 响飞机操作 系统 的 收稿 日期 2 0 1 3 0 9 0 4 作者简介 杜来林 1 9 6 1 一 ， 男 ， 山东 巨野人 ， 副教授 ， 学士 ， 主要从事 机 电 一 体化 的教学和科研工作 。 一 - 一 - 使用寿命 、 工作可靠性 以及飞行安全。因此 ， 在飞机维 护工作 中确保助力器的稳定性 ．是保证其使用可靠性 及飞行安全的重要条件 1 舵面振动 的物理 过程 如 图 1所示为某型 飞机液压助力器 的基本结构 ． 作为位置伺服 阀机构的液压助力器 ．由其工作原理可 知 ， 当操纵驾驶杆到某一既定位置时 。 助力器 的活塞应 立即运动到相应位置 。 并保持在该位 置上不再运动。但 是 ． 由于油液压缩性或安装支座弹性等原因 ． 使活塞在 舵面惯性力作用下越过 即定位置继续运动 ． 同时 ． 带动 小摇臂绕 C点偏转 ， 由于臂长 a c b c ． 结果使滑 阀与活 元件内的多个节流 口若排列合理 ， 可以大大提高 b值 ； 若排列不合理 ， b值会很小。 2 本文定性地指 出了各种结构形状对 ．s值和 b 值大小 的影响规律 。 参考 文 献 ⋯ 1 徐文灿， 李永正． 计算气动回路流量特性参数的方法[ J ] ． 北方 工业大学学报， 1 9 9 4 ， 6 1 4 4 5 0 ． 【 2 】 徐文灿 ， 张 士宏 ． 流动 状态对 测定气 动元件流 量特 性参数 的 影响[ J 】 ． 液压与气动，2 0 1 3 ， 3 3 1 6 9 7 5 ． 『 3 1 陈乾斌， 史维祥， 李正泉． 关于求解 气动 阀有 效截面积 的 问题 [ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 0 ， 3 0 3 3 3 3 7 ． [ 4 ] S MC 国 有限公 司． 现代实 用气动技 术 第三 版 [ M】 ． 北 京 机械工业出版社． 2 0 0 8 ． [ 5 】 I S O 6 3 5 8 - 1 9 8 9 ，P n e u m a t i c Hu i d P o w e r - C o m p o n e n t s U s i n g C o mp r e s s i b l e Hu i d s De t e r mi n a t i o n o f F l o w- r a t e C h a r a c t e r i s t i c s [ S ] ． 『 6 1 张士宏， 徐文灿 ． 使用 压力对 测定气动 元件 流量 特性参数 的 影响f J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 3 ， 3 3 7 3 0 3 1 ． 41 液 压 气 动 与 4 “ ／ 2 0 1 4年 第 0 4期 塞杆产生相对位移 。 当位移量超过滑 阀的重叠量时 ， 滑 阀就反 向运动。当活塞返 回到原来与驾驶杆相对应 的 既定位置时 ， 滑 阀便关闭通油窗孔 ， 但活塞又在惯性力 作用下反向越过既定位置。如此往复运动的结果 ， 使活 塞连同舵面在既定位置附近发生振动。 图 1 惯 性 力 作 用 下 助 力 器 的 工 作 当滑阀打开窗孔而引进的液压能小于振动所 消耗 的能量时 ， 振动便是衰减的。当引进的液压能大于或等 于消耗的能量时 ． 振动就将持续下去 ， 这种能 自动供 给 能量的振动称为 自激振动 ． 通常也称为舵面的“ 抖动” 故障 2 稳定 性的判别 使舵面发生持续振动的液压助力器 ．其工作是不 稳定 的． 这种故 障现象是不允许存在 的 ， 那么 ， 如何判 别助力器的稳定性呢 2 ． 1 代 数 法判 别稳 定性 由自动学原理可知 。 对于低阶伺服系统 ， 可应用古 尔维茨法判别其稳定性 。例如 ， 对于三阶特征方程 a o s ot sa 2 s a 3 O 稳定条件是 a o 、 a 1 、 、 a 3 为正值 ， 并有 a l a 2 a o a 。 对于作为三阶系统 的助力器基本模 型 ．当作用在 活塞上只有惯性负载时 。 传递 函数式为 警A s 等s s 警 is ＼钮 LA A A ／ 式中 助力器 的液压弹簧刚度 ； E液体的容积弹性系数 ； 矾 飞机 舵面 质量 ； 传动活塞的有效面积 ； 整个 活塞腔 包括从滑阀至活塞的工作 通道 的有效面积 ．_一输 出位移 ； _ _ 一输入位移 ； 机械反馈 比 滑阀位移 与输 出位移 之 比 ； n i机械输入 比 滑 阀位移 与输入位移 i 之 比 其特征方程之系数应有 警 4 A p A p A p 写出稳定条件 、 ． KQ r g f A 4 EL A A 或 V 0 n f 1 实际上 阀系数 K 。 和 K。 均与阀芯打开 的窗孔通油 面积 A u 有关 ． 由滑阀流量方程可知 Q C d A u 、 ／ △ p 考虑到 △ p - p - p 式中p 助力器的进油压力 ； p 助力器的回油压力 ； P L p 负载压差 见 图 1 。 因此 有 0 x v Cd K 一 于是得 ． K 。 一 A 2 p 日 叩 代人判别式 1 并整理后得 鲁 p -p IJ 2 a v 可见 ．归根到底可由滑阀窗孔 的通油面积 的变化 规律来判别稳定性 2 ． 2频 率 法判别 稳 定性 助力器的稳定性 ．是指外部扰 动作用消失后 自动 恢复到原来平衡位置的能力 。可见在讨论稳定性 时， 可 以认为输入量为零 即驾驶杆停止操纵的情况 。这样 ， 助力器只剩下一个反馈 回路 ， 其速度常数 K 应为 一 一K Qnf ． 一 A P 图 2是助力器回路 的波德 图 ． 由 自动学原理可知 。 如果二 阶因子 的谐振峰升高到超过幅值 比为 1这条线 时 ． 则 由于奈奎斯特图的临界点被包围 ． 于是系统将变 得不稳定 。这样 ， 助力器 回路的稳定条件是 开环频率 特性的幅值 比在 t O C O 时小于 1 ， 即得 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s f No ． 0 4 ． 2 0 1 4 KV 1 或K 3 以u U ， - 村 数 称 尺 ＼ 1 ＼ 对 数 标 挖 O h ⋯一一 | K,, ／ o J h 可见 ． 要使助力器稳定 ． 其条件是速度常数必须小 于相对阻尼系数与 固有频率乘积的两倍 由于液压伺 服 回路 的阻尼系数一般 为 0 ． 1 ～ 0 ． 2 ． 因此 。 速度常数就要 限制在液压固有频率的 2 0 ％～ 4 0 ％以下 。 3 稳定余量 助力器 的稳定性是指助力器工作 中会不会产生持 续不断的振动 。如果在外干扰作用并去除后能稳定下 来则具有稳定性。但我们要求较快稳定下来 ， 则要求伺 服机构都有一定的稳定余量 。其值可用计算或试验方 法求得 。 3 ． 1 由倒频 率 特性 求得 稳定 余 量 助力器的倒频率特性为 器 等 A RiK Q R iK Q 一 4E LA ∞ ] ＼ ni ／ 【 ＼ ／J 4 对于伺 服系统 ． 一般要求振荡性指标 为 1 ． 4 ， 即在 谐振频率 下 ， 应满足 I I ≥ o ．7 l I 。， 这就是说 ． 助力器 的倒频特性曲线 。 不能进入以 0 为圆心 、 以 0 ． 7 为半径 的圆 内 见 图 3 ， 考虑到稳定 余 量 ， 希望 0 0 ---- 4 0 时 ， 倒频 特性的实部 比一 0 ． 7 还要小 些 。 即 等 ㈤ 这个不等式与判别式 1 相 比， 其稳定条件要严格 得 多 』m I ， 0．7 一 一 ／ 、 、 R t f￡o、 、 一 0 ／ oJ 0 一 图 3助力器 的倒频特性 另外 ， 根据经验 ， 为了使倒频特性 曲线永远在 以半 径为 0 ． 7 n f l 以外 ，还必须使倒频特性之虚部最大值 ni ， 大于或等于 。为此 ， 首先须求出最大值 。 即对虚部求 导 ， 并令其等于零 ／ 2＼ f 1 一 I_ o ＼ O h ／ h 即 c c， __ 、 ／ 3 “ 将此值代入虚部 ， 并要求它大于或等于 ， 最后得 i 到 ≥2 ． 6 w 6 综上所述 ， 考虑稳定余量时 ， 助力器 的稳定重要条 件除了满足不等式 5 外 ， 还希望它的固有频率 大于 或等于其作为一阶环节时之截止频率 ∞ 的 2 ． 6倍 。 3 ． 2 由试验作图求得稳定余量 对于已经使用的助力器 ．可通过开环频率特性试 验 ， 来求得其稳定余量。用一定的输入振幅而不同频率 的运动加于输入端 。看其输 出端 的振幅衰减 和相位滞 后 ， 将其结果画出 见 图 4 ， 即求 出稳定余量的大小。 ／ I 稳 。， ， 咖。 0 ／ -2 7 0。 ， ／ ／ 1 I ／ ， ／ ／ 一 相 稳 ／ 图 4 由幅 相 频 翠 特 点 看 稳 定 余 量 4 结束语 性能 良好 的液压助力器 ， 在规定的工作条件下。 飞行 中应满足飞机操纵性的要求 。然而．随着使用时间的增 长 ， 由于环境条件 的变化 ， 或使用维护不当， 助力器的工 作性能会逐渐变差 ， 以致出现各种性能方面的故障。 维护 工作的任务就是在助力器规定的使用寿命范围内．确保 其工作的可靠性。 这就应该做到 一方面应预防这种变化 过早地发生 另一方面是在发现性能变差时， 及时地检查 并采取正确有效的措施． 使它迅速地恢复正常。 参考 文 献 [ 1 】 雷天 觉． 新编 液压工 程手 册[ M ] ． 北 京 北京 理工 大学 出版社， 1 9 9 8 ． [ 2 】 李培滋， 王 占林． 飞机液压传动与伺服控制【 M 】 ． 北 京 国防工业 出版社． 1 9 7 9 ． [ 3 ]3 何存兴． 液压元件【 M 】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 2 ． [ 4 ] 杜来林． 飞机 附件检修[ M 】 ． 北京 航 空工业出版社， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 杜来林． 液压与气动技术[ M] ． 北京 北京大学 出版社， 2 0 0 6 ． 4 3