飞机液压助力器的简介

1、西安航空职业技术学院 毕业设计论文飞机液压助力器的简介【摘要】本文开始主要讲述了飞机液压助力器的的发展史，以及国内外有关飞机液压助力器的发展水平，同时对飞机液压助力器的结构、功能、及其特点进行了简单的介绍；其次介绍了有回力液压助力器和无回里液压助力器的结构特点和作用方式；最后简单的介绍了液压助力器常见故障和一些简单的维修方法。关键词：不可逆助力操纵系统 助力器 液压系统 回力目 录1绪论11.1课题研究背景11.2飞机操纵系统与助力器发展11.2.1机械是操纵系统21.2.2不可逆助力操纵系统31.3国内外飞控系统发展现状32液压助力器原理与连接分析52.1液压助力器原理分析52.2液压助力器

2、连接方式62.2.1有回力连接72.2.2无回力连接73助力器性能分析94液压助力器的维护和修理115总结12结束语13致 谢14文 献151绪论随着飞机的发展其速度和尺寸不断增大，从而使驾驶杆力显著增加，传统依靠简单机械操纵系统减小操纵杆力的方法已不适用。在上世纪50年代不可逆助力操纵系统产生，其核心元件液压助力器使舵面操纵力不再直接传到前面的操纵系统中，驾驶员在操纵时只需克服很小的系统阻力。1.1课题研究背景液压助力器起源于20世纪50年代飞机不可逆助力操纵系统，主要为了解决飞机舵面力矩过大带来驾驶员操纵力不够的问题。它的出现使驾驶员不再直接由机械传动机构操纵舵面，而是操纵助力器再由助力器

3、操纵舵面，这样极大提高了飞机的可操纵性和安全性。液压助力在汽车转向中亦有广泛的应用，根据系统内液流方式的不同，汽车上的液压助力转向系统可分为常压式和常流式两种基本类型。常压式液压助力转向系统的特点是无论方向盘处于何位置与状态，系统的油压均保持在高压，它只被少数的重型汽车采用；而常流式液压助力转向系统中，当油泵处于空转状态中，系统的油压要比常压式小，这种系统现在广泛应用于各种汽车上。不可逆助力操纵系统的出现改善了飞机的性能，但同时带来了新的问题，如飞机的重量增加，尺寸增大，同时飞机技术给其操纵系统提出了更高的要求。解决上述问题主要有两个思路，一是改进飞机操纵系统，如70年代初发展起来的随控布局飞

4、行操纵技术，对飞机性能的改善和空战战术的革新带来巨大影响；另一方面则是对现有的结构、部件等进行优化，液压助力器作为操纵系统重要元件，对操纵系统性能的影响较大。并且，不同类型的飞机对性能要求的侧重面也不一样。因此，研究参数改变对飞机液压助力器动态性能的影响，优化助力器的结构参数，完善相关理论是非常必要的。上述研究的完成将为飞机设计提供良好的依据，并有利于提高飞机的性能。1.2飞机操纵系统与助力器发展飞机操纵系统由主操纵系统与辅助操纵系统组成。主操纵系统用于控制飞机的飞机轨迹及姿态，主要由升降舵（或全动平尾）、副翼和方向舵的操纵机构组成；辅助操纵系统则包括配平调整片、随动补偿片、随动反补偿片、增升

5、装置等。自20世纪初第一架飞机诞生100多年以来，飞机技术得到了长足的进步，而其主操纵系统也不断发展，主要经历了如下四个阶段：简单机械操纵系统（20世纪初至20世纪50年代）、不可逆助力操纵系统（20世纪50年代）、增稳操纵系统（20世纪60年代）以及电传操纵系统阶段（20世纪60年代后期至今）。1.2.1机械是操纵系统图1-1简单机械式操纵系统飞机发展初期，驾驶员通过机械传动装置直接带动舵面偏转。此时飞机操纵系统为机械式操纵系统，其主操纵系统通常分为中央操纵机构（亦称为座舱操纵）与传动机构。中央操纵机构主要由手操纵机构（驾驶杆或驾驶盘）和脚操纵机构（脚蹬）组成。传动机构主要由拉杆、摇臂、钢索

6、、滑轮等组成。机械式操纵系统按操纵力的传递结构划分，主要有软式、硬式、混合式三种。软式传动（图1-1(a)）中，操纵力由钢索的张力传递。这种结构的优点是结构简单、轻便。而其缺点是传动时钢索受力后，将产生形变，从而影响飞机的操纵性能。并且舵面容易发生振荡。另外钢索传动中的打滑和摩擦都是软式传动的不利因素。硬式传动（图1-1(b)）中，操纵力由金属杆传递，一般材料为铝管或者钢管，可承受拉力及压力。杆的优点是刚度较大，因此变形小，使飞机的舵面不易产生振荡。传动机械中的铰链点都可以用滚珠轴承。滚珠轴承的优点是摩擦系数小，传动效率高，内部间隙很小。因此，该结构具有较好的操纵灵敏性。软式或混合式传动结构较

7、为简单、重量较小，因此适用于舵面空气动力较小的低速飞机，和对机动性要求较低的运输机；而高速飞机如歼击机等，对灵敏度及生存力要求较高，一般采用硬式传动机构。1.2.2不可逆助力操纵系统随着飞机速度与尺寸的发展，舵面力矩急剧增大，虽然用气动补偿的方法可以减小力矩，但很难在高低速的范围内达到同样效果，此时机械式操纵系统已无法满足使用要求。20世纪50年代初出现了液压助力系统，飞机舵面由液压助力器驱动，驾驶员在操纵时通机械传动机构或其他方法操纵助力器，从而使舵面偏转，此时舵面上的气动载荷不会反传到中央操纵机构上去，而只是传到机体结构上。因此，驾驶员感受到的杆力，是由载荷感觉器传来的，从而很大程度上增强

8、了飞机飞行的稳定性和安全性。不可逆助力操纵系统核心元件为液压助力器与载荷感觉器，此外，还有调整片效应机构及力臂调节器等。载荷感觉器实质是一组弹簧，它的作用是使驾驶员从驾驶杆上间接的感觉模拟空气动力的作用和变化；调整片是来帮助驾驶员在长途飞行中平衡舵面气动载荷，从而减小杆力以减轻驾驶员的疲劳。1.3国内外飞控系统发展现状国外对液压助力器的研究较为丰富Aveiro大学的Ferreira1，Almeida 和 Quintas提出了助力器的半经验模型，模型中的静态参数可直接利用制造商提供的数据或由实验测得，而动态模型参数可由制造商提供的BODE图，利用公认的优化技术得出。该模型易于调节，并且计算较为便

9、捷，但在高频区域仍有改进的空间；韩国先进科技学院的Hyun和Lee利用遗传算法优化液压助力器的反馈增益，得出系统参数如惯性或油压变化时，系统的最佳反馈增益；意大利比萨大学的Rito，Denti和Galatolo对飞机主操纵系统液压助力器的可执行模型进行了开发和实验验证得出一定的研究成果。国内对液压助力器的研究，主要集中于各大航空院校及研究所，取得了一定的研究成果，总体来说还比较少。台南国立成功大学的M-HTsai和CShih研究了液压助力器的过载控制，并对其动态响应进行仿真分析，得出双回路控制结构可应用于离心机的角度控制等结论；海军航空工程学院青岛分院航空机械系的王占勇，祝华远等根据液压助力器

10、的工作原理，建立其传递函数的线性数学模型，并采用古尔维茨判据研究系统稳定性，得出一些提高飞机飞行稳定性的操作建议；西北工业大学的陈召涛、孙秦利用MATLAB/SIMULINK 仿真和优化系统参数，得出当液压助力器的舵面质量减小时，系统达到稳定所需的时间和系统超调量都会减小及系统需要适当的结构阻尼保证稳定性等结论；空军工程学院的徐浩军、陈廷楠建立了ZL-6与ZL-7的数学模型并仿真，得出纵向操纵系统的载荷感觉器硬弹簧刚度增加30%可改进纵摆问题，提高稳定性。2液压助力器原理与连接分析在飞机发展的初始阶段，驾驶员靠自身的体力，通过机械式操纵系统来克服铰链力矩，从而使舵面偏转来操纵飞机。而随着飞机速

11、度及载荷的提高，当铰链力矩达到一定程度，驾驶员自身的力已很难带动舵面偏转。为了减小驾驶员的操纵力及稳定舵面，现代飞机一般均采用助力器来进行助力操作。2.1液压助力器原理分析助力器本质是功率放大装置，将驾驶员的操纵放大到舵面。一般来说，它的输出机械位移与输入指令的机械位移量成正比。助力器主要有电助力器、液压助力器两种。电助力器的工作速度和输出力较小，因此一般只应用于辅助操纵的备用形式或运动速度较缓的系统；液压助力器可承受较大载荷，并能提供较高的工作速度，因此可用于飞机的主操纵系统及辅助操纵系统。液压助力器一般由分配机构（放大机构）、执行机构和反馈机构（比较机构）组成。分配机构起分配油路和改变滑阀

12、开度作用，同时还起到功率放大的作用；执行机构的作用是将液压能转换为机械能带动负载运动；反馈机构则起到反馈输出信号的作用，它比较输入、输出信号，使负载的位移量能符合操纵指令要求。2.1.1助力器一原理分析图2-1为一种典型的液压助力器。它主要由外筒、传动活塞、配油柱塞、连接活门、限动结构及管道开关组成。其中外筒固定在机身上，传动活塞可在外筒内运动，其尾端通过传动机构带动舵面偏转，配油柱塞在传动活塞内，驾驶员通过操纵杆控制配油柱塞，连接活门在应急操纵时使用，限动结构包括限动片和限动架，限定配油柱塞的运动，油路开关打开时，助力器才能工作。（1）工作状态静止时，配油柱塞堵住油路，系统没有压力差，因此传

13、动活塞不能运动。当驾驶员操纵使配油柱塞有向左的位移X时，则缸筒的右腔通过配油柱塞连通来油路，因此传动活塞在两侧压力差的作用下有向左的位移X，从而通过后续机构带动舵面偏转。当驾驶员停止操纵，传动活塞继续移动，当配油柱塞再次堵住油路时，系统达到稳定停止，此时配油柱塞与传动活塞的相对位置回到的初始状态，因此系统的输出位移X大小与X一样。当驾驶员操纵配油柱塞右移时，原理同上。 图2-1典型液压助力器 工作原理（2）应急状态当液压系统因故不能正常工作时，可以关闭液压助力器的油路开关,将进油路堵住。此时连通活门由于两端都是低压，在弹簧的作用下打开。这样传动活塞移动时，两边始终没有压力差。操纵时，分为两个阶

14、段。第一阶段驾驶杆开始移动直到与限动片接触，该阶段传动活塞不动；第二阶段驾驶杆通过限动片带动限动架运动，从而使传动活塞向相同的方向运动，实质和机械操纵系统一样，驾驶员通过机械结构带动舵面偏转。2.2液压助力器连接方式飞机液压助力器在操纵系统的连接方式可分为两种：助力器与回力拉杆并联，助力器串联在系统中。前者称为有回力液压助力系统，后者称为无回力液压助力系统。2.2.1有回力连接图2-2有回力的助力操纵系统如图2-2所示，助力器与回力拉杆并联，舵面传来的载荷p传到摇臂CD，经E点分配后，在C端把一部分力P传到回力连杆，回力连杆则将之传到前端的载荷感觉器及p杆，在D端把一部分力P传到液压助力器。有

15、回力液压系统也称为可逆式液压助力系统。c与d的比例决定该助力系统中回力连杆与助力器承受力的比例，该比例越大，即E点越靠D点，则助力器承受的力越大，而回力连杆传递的力就越小。如果E点和D点重合则力p全部由助力器承受，回力连杆不起作用。这样，可逆式液压助力系统就成了不可逆液压助力系统。小的回力比可以在舵面铰链力矩很大的情况下（如低空、高速飞机中急剧偏转舵面），保证驾驶杆力不致过大。但在舵面力矩较小的时候，会使驾驶杆力很小，几乎没有力的感觉，这给驾驶员操纵飞机带来不利因素，为了解决这一问题，飞机设计师在有回力液压系统中安装了载荷感觉器。载荷感觉器实质上是不同刚度弹簧的组合，形成所需的杆力特性曲线。2

16、.2.2无回力连接图2-3无回力的助力操纵系统无回力连接如图2-3所示，舵面传来的载荷全部由助力器承受。驾驶员感受的力全部由载荷感觉器产生。载荷感觉器和其他一些附件配合工作，能使驾驶杆力随舵面偏转角、飞行速度、高度等条件的变化面变化。高速飞机大多采用无回力助力操纵，主要由于超音速飞机大都采用全动垂尾（全动垂尾指把原来的安定面和舵面整合到一起，即整个垂尾只有一个面，这个面既有安定面的稳定功能，同时也具有舵面的调节功能），而全动垂尾因为要兼顾稳定和舵面功能，对飞机控制系统要求较高，一般超音速飞机将转轴布置在亚音速和超音速焦点之间，若仍采用有回力式液压助力，则将不利于驾驶员获得合适的操纵力感觉，从而

17、导致操纵失误。装有无回力助力操纵系统的飞机，在飞行中即使放松驾驶杆、舵面在空气动力的作用下也不能自由偏转。因此，只要将液压助力器安装在舵面附近，减少助力器以后的传动机构的连接点，就可减少舵面的活动，从而有效地防止机翼或尾翼颤振。而无回力液压助力系统的缺点是，舵面受阵风载荷后不能自动偏转，这对于结构受力是不利的。3助力器性能分析(1)静态特性参数分析液压助力器静态性能涉及主要理论为流体力学相关理论，流体力学的研究对象是液体，研究流体的宏观运动和平衡以及流体与固体的相互作用、本课题主要涉及理论有压力损失理论及滑阀液动力计算。液压助力器的静态特性，是指助力器在稳定下工作的特性，静态特性包括：助力器的

18、最大输出力F，助力器最大输出速度V，助力器的最大输出位移X。此外，滑阀稳态液动力等对助力器的操纵性能也有影响。当系统油压达大最大且助力器活塞杆的速度很低时，油压全部用于克服负载，此时的载荷，称为最大输出力F；当空载系统油压P最大，且滑阀口全开时，活塞杆有最大速度V；助力器最大输出位移X由助力器的结构尺寸决定。助力器的最大输出力主要由系统油压、助力比和活塞有效作用面积决定，一般来说，随着三个参数的增加，助力器的最大输出力将变大，最大输出力必须克服平尾的最大气动铰链力矩M，设平尾操纵摇臂的半径为r，舵面最大偏角为20，取安全余度为1.2。F=.=1.28.助力器的最大输出位移即工作行程，必须使平尾

19、能偏转到极限位置以保证飞机的舵面操纵性能。(2)助力器的动态特性 液压助力器系统动态特性中最基本的三个性能为稳定性、快速性和准确性。这三方面的性能存在一定的矛盾关系，如提高了系统的响应速度，快速性将得到改善，但同时使系统的振荡加剧，从而稳定性变差，可能造成飞机操纵时的抖动。因此，设计飞机液压助力器相关参数时，应综合考虑。本节定性初步分析助力器的三个性能，之后的章节将结合模型及仿真结果进一步分析。助力器稳定性由于液压助力器系统存在着惯性，当系统的某个结构参数设计不当，或者由于其它外部因素，可能引起系统的振荡而影响它的正常工作，甚至造成事故。系统稳定是液压助力器系统工作的首要条件，助力器稳定性指系

20、统受外界干扰或工作时偏离平衡状态后，自动恢复到原来工作状态的能力。影响液压助力器稳定性的因素有很多，主要可分为系统参数方面及使用、维护方面。系统参数方面有助力系统传递函数的固有频率、支座刚度、负载阻尼的大小。固有频率越大，瞬态稳定性越差，后文将对其进行详细分析；当助力器传动机构有一定的间隙时，合适的支座刚度能提高系统的稳定性；负载阻尼越大，系统的稳定性越好，但同时可能会影响到系统的其他性能。影响助力器稳定性与维护、使用方面有关的因素有传动机构的间隙、油液中的空气、操纵系统。助力器快速性系统的快速性主要指响应速度，也称为反应时间，指当输入量发生变化时，系统消除这种偏差的快速程度。助力器的快速性指

21、助力器有一瞬态输入量时，活塞杆在左右腔压差作用下，带动舵面负载运动运动到平衡位置的能力。显然，流量越大，活塞杆运动速度越大。当滑阀口全开时，助力器液压系统中流量的大小主要由系统油压决定，系统油压越大，活塞杆的运动速度越大；而滑阀口在打开过程中，活塞杆的运动速度逐渐增大。此外，系统的外部负载也影响活塞杆的运动速度，舵面负载越大，活塞杆速度越小。此外，系统的摩擦和密封也影响助力器的响应速度。摩擦力越大，相当于等效负载增加，将减小活塞杆的运动速度，使系统的响应变慢；而传动活塞与外筒壁之间的密封不良及连通活门周围的过大等，将会造成油液的泄漏。当系统存在泄漏时，流量将减小，实际用于推动活塞运动的油液将变

22、少，同时是系统压力也随着泄漏的发生而减小，因此泄漏将严重影响助力器的快速性。而由于加工误差造成阀口通道的不对称等问题，同样对助力器的灵敏性有影响。助力器准确性助力器系统的准确性所描述是工作过程结束后输出位移与输入位移之间的偏差程度，这一性能主要是指系统的稳态误差。液压助力器的准确性，也称为灵敏性，是指在它在工作时，活塞杆随着系统有输入位移而迅速作跟随运动的能力。由助力器工作原理分析可知，要使活塞运动，活塞杆的运动必然落后于输入杆的运动，通常把这一差值称为助力器的跟随误差。误差越小，助力器灵敏性越好，但是这一差值又是助力器工作所必需的。影响助力器的准确性因素可分为系统参数及维护方面。系统结构参数

23、包括助力器阀口形式、助力比等。而维护方面主要指系统的摩擦与密封，显然摩擦和泄漏将使系统稳态误差变大。4液压助力器的维护和修理液压助力器工作的好坏与助力器本身.液压系统和操纵系统传动机构三方面的因素有关。为了使液压助力器经常处于良好状态，必须做好以下三方面维护工作。(1)在液压助力器方面，应保持露部分清洁；按照规定检查密封情况；定期检查和清洗进口油滤。如果发现油滤脏污，应拆下助力器检查其内部清洁情况，助力器内部不清洁，则应送修理厂分解清洗，必要时应更换系统油液。安装助力器时，要注意保持其位置准确，各活动连接接头应无紧涩现象，以保证配油柱塞和传动活塞的运动不会受到卡滞。(2)在液压系统方面，主要应

24、保持供压部分的工作性能正常，并要防止空气进入系统；如果助力器有两个供压部分还要保持其自动转换装置的工作良好。（3）在操纵系统传动机构方面，则应保持活动间隙符合规定，并应保障配油柱噻和传动活塞的运动在整个行程内都不会受到妨碍。此外，飞行前试车时，必须打开助力器的工作开关，检查助力器的工作是否正常。驾驶杆在整个活动范围内来回运动时，必须平稳，无冲动摆动现象，而且从两极端位置返回中立位置的速度应当相等。然后关闭开关，操纵驾驶杆，检查连通活门的工作。这时，驾驶杆的运动仍应平稳，而且操纵起来不十分费力。需要注意的是，液压助力器是由精密度较高的零件组合而成的附件，只有在修理厂才能进行分解修理和清洗。液压助

25、力器各零件的尺寸和形状、零件间的配合间隙、零件表面的光洁度和密封装置的密封性等，都直接影响着助力器的工作性能。因此在修理工作中，应切实按工艺规程施工，严防碰伤和挤坏零件，并且要防止污物、金属屑进入助力器。为了保证修理质量，对修理好的助力器，必须按照规定在实验设备上进行调试和检验：调整配油柱噻的长度；检查配油柱噻的交叠量和不灵敏范围；检查助力器的内部和外部密封性；检查传动活塞所能承受的最大载荷和运动速度；检查配油柱噻和传动活塞的摩擦力；检验助力器外筒的强度等。5总结随着飞机向高速、重载发展，飞机操纵系统的性能要求也越来越高，为了提高飞机的可操纵性、稳定性和抗干扰性等，飞机操纵系统从最初的简单机械

26、式操纵系统，发展到现在的电传及光传操纵系统等，同时，对操纵系统助力的核心元件液压助力器的性能也提出的更高的要求。液压助力器使飞行员能间接操纵舵面，但同时也带来了操纵误差、飞机纵摆、助力器与舵机碰撞等问题。国内外针对这些问题，作了一定的分析研究，但仍不全面，本文主要介绍了飞机液压助力器的结构、工作原理，及在飞机操纵系统中的连接方式。在此基础上，结合流体力学的相关理论，分析和计算助力器的静态性能，并与实际的性能曲线相比较；结合工程传动控制技术的相关理论，分析了助力器的动态性能，特别是稳定性、快速性、准确性三方面，定性分析影响稳、快、准的因素。结束语通过这为期八周的论文写作，让我受益匪浅，特别是在不断寻找有关自己写的论文的资料的时候，让我明白了无论在做什么事的时候，都要有一定的恒心和耐心