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液压体系的矢量设计与使用


轴对称矢量喷管一般采用3个周向等角度置于机匣外壁上的矢量液压作动筒来平移和斜动矢量环,矢量环通过机械连接机构使扩散调节片相对于喷管的纵向中心线对称或非对称地定位,以此来实现俯仰和偏航矢量或获得不同的喷管出口面积:当3个作动筒同步前后平移时,则使A9面积大小发生改变,而A9作动筒非同步地移动时,则使矢量环产生斜动,矢量环的倾斜角度和倾斜方向分别确定了喷管的矢量角和矢量方向。
2应急复位技术及其发展在发动机工作期间,有可能因部件失灵或损伤(例如由于空战格斗)而导致喷管的液压作动系统在某一个或多个不同的工作模式方面失效,如作动系统的供油中断或控制信号中断,这将导致飞机不受控制,因此喷管作动系统都设置有应急复位装置。在系统出现故障时,将A9作动筒置于介于全程伸出和全程缩回之间的中立位置,使扩散调节片在矢量环作用下处于防护姿态,这时喷管处于非矢量状态,从而使飞机可控。
对于喷管液压作动系统的应急复位(也可称为故障防护)问题,最早进行轴对称矢量喷管研究与应用的欧美国家,在这方面的研究是比较深入和成熟的。在现有故障防护技术中,常见的液压故障防护装置有两类:①利用与主作动轴设置的复位式复位作动筒及相关组件,在调用故障模式后,经复位作动筒作用,将主作动筒机械定位于中立位置,喷管置于防护姿态。另外也可采用带有可定位止动销的故障防护作动筒,在应急工作状态下,能够通过该作动筒驱动止动销沿滑动杆移动,阻挡作动环全部收回而停留在中立位置;②采用2套喷管作动系统即冗余系统实现防护,在其中一套系统出现故障时,通过另外一套作动系统实现对喷管的控制,2套系统配置独立的油路和油源。
然而,在上述第1种类型的故障防护系统中,在调用故障模式时,防护装置在飞行控制计算机和矢量电子控制器控制下,由系统油源向故障防护作动筒应急供油,故障防护作动筒活塞杆伸出,阻挡在气动载荷作用下回缩的主作动筒,使回缩的主作动筒停留在中立位置,将喷管置于防护姿态,中立位置由故障防护作动筒活塞的行程确定。但在系统供油中断和丧失控制信号(断电)时,将影响该装置的正常工作,不能有效地保护喷管和飞行安全;同时,由于采用了故障防护作动筒,使得系统的结构尺寸增大,重量增加,从而限制了飞机性能的提高。对于第2类防护系统,在故障模式下仍可获得矢量,同时有效减小了矢量环的负载,极大地提高了发动机工作的可靠性,但冗余系统的使用,使得发动机和飞机整体重量增加,结构也比较复杂。
针对上述技术存在的缺陷,作者提出了一套应急复位液压系统,在一定程度上克服了这些问题。
3应急复位液压系统的设计3.1系统的组成与结构应急复位液压系统由主系统油路A91(1)、故障防护油路A91(2)和应急控制系统组成。主油路A91(1)由电液伺服阀1、作动筒3和2个协调活门2以及进、回油管路构成;应急液压回路A91(2)由伺服滑阀7、单向阀4、蓄能器5、应急活门6、调速阀9、液压锁8、及作动筒3构成;伺服滑阀、减速器11和连接于作动筒尾柄的连杆齿条组件12构成一套机械反馈的应急闭环控制系统,控制应急油路的工作。2套油路并联于油源、回油管和作动筒之间,分别在正常工作和应急工作状态下向作动筒供油。电液伺服阀、协调活门和应急活门采取电液联锁:电液伺服阀和应急活门电磁铁电气联锁,应急活门与协调活门采取液压联锁,即应急活门的出油口与协调活门的控制油口连通,主油路与应急活门控制油口连通。
液压系统的各控制阀(包括单向阀、应急活门、伺服滑阀、液压锁、节流阀、调速阀和协调活门等)全部安装在集成阀体14内,电液伺服阀1和减速装置11安装在集成阀体外侧,集成阀总成安装于作动筒3上,作动筒左侧的尾柄与A9转向环10连接,右端连接在发动机机匣支撑件13上。应急控制系统中的齿条连杆组件的连杆与作动筒尾柄铰接,采集作动筒活塞位移信号后,通过齿条传递给减速器处理,处理后的作动筒位移信号传递给伺服滑阀阀芯,控制伺服滑阀相关阀口的开口量,改变向作动筒对应油腔的供油量。该控制系统采用机械反馈方式,不依赖于电气控制信号,因此在电气故障模式下可正常工作。
3.2系统的工作原理表示了A9液压作动系统的连接关系以及A9作动环的运动关系。3套系统并联于高压油源和回油管之间的应急复位液压系统A91、A92、A93分别控制3个A9作动筒3(1)、3(2)和3(3)的作动,由此改变A9作动环及与之机械连接的扩散调节片的姿态和喷管出口面积。每套应急复位液压系统由电液伺服主系统油路(以A91(1)等表示)和应急复位油路(以A91(2)等表示,也称为故障防护油路)并联组成。正常工作状态下,各系统中的电液伺服主系统油路A91(1)、A92(1)、A93(1)在飞行控制计算机控制下工作,当系统出现故障(如丧失油源压力或电气控制信号),则故障防护油路A91(2)、A92(2)、A93(2)在各自的应急控制系统控制下工作,实现系统的应急复位。
电液伺服主系统油路正常工作期间,主油路经飞行控制计算机控制的电液伺服阀对作动筒供液,推动作动筒工作,当3个A9作动筒同步移动时,作动环10平动,改变喷管出口面积A9的大小,当3个作动筒非同步移动则使作动环斜动,如所示,改变喷管的矢量方向。与此同时主油路经单向阀4对蓄能器5充液。
当主系统油路发生电、液故障时,与电液伺服阀和协调活门采取电液联锁的应急活门开启,调用故障模式,启动应急复位液压油路工作,蓄能器中的应急油液经应急活门进入防护油路,同时,在应急油液压力作用下,主油路中的协调活门关闭,切断电液伺服阀与作动筒的进、回油路。在应急控制系统作用下,与作动筒位移关联的伺服滑阀控制应急油液,经液压锁进入主作动筒的相关油腔,推动作动筒到中立位置,在3个A9作动筒皆到达中立位置后,A9作动环处于应急姿态,如虚线所示位置,扩散调节片置于故障防护姿态,喷管处于非矢量工作状态。此时液压锁在伺服滑阀的控制下,处于关闭状态,蓄能器停止向作动筒供油,液压锁将作动筒锁定在中立位置,并提供足够的偏转刚度。在应急工作状态下,作动筒有杆腔进油时,有可能在气动载荷和液压的共同作用下失速,调速阀可限制回缩过快的作动筒速度,即对3个A9作动筒回复中立位置的最高速度进行限制。
在防护系统工作期间,如果主系统电控信号和油压恢复,在电液联锁的作用下,应急活门关闭,协调活门开启,则2个系统的工作状态进行自动切换,恢复电液伺服主系统的自动控制,防护系统退出控制状态。
3.3系统的特点(1)液压系统应急油路通过1套机械反馈的应急闭环控制系统控制,故障模式下,避免了电气信号缺失的影响,可以产生响应于喷管液压作动系统液压故障信号、控制信号丧失或二者同时丧失等故障防护模式,使喷管故障防护的范围得以扩展,增强了发动机工作的可靠性和飞行的安全性;(2)取消了前面提及的故障防护作动筒结构,简化了A9作动筒的结构、减小了轴向尺寸,一定程度上降低了液压系统的重量;(3)集成化的油路设计,使得系统重量降低;(4)改装量小,对现有喷管结构的改变不大。
4结论经有关设计部门论证,该A9作动筒应急复位系统在国内属于首创,结构创新性和先进性明显,经检索未发现与之相同的应急复位结构,其功能原理达到国际先进水平。经过工程应用设计,可以直接应用于AVEN装置的故障防护。