无限行程液压缓冲器阻拦设计与仿真∗

史 炎 史天成

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室 成都 610031）

1 引言

以航空母舰为基地的舰载机是海军航空兵的主要作战手段之一，是在海洋战场上夺取和保持制空权、制海权的重要力量，舰载机的起降能力是一个航母战斗群战力的重要指标［1］。目前舰载机的降落方式只能使用拦阻索实现着舰［2］，美国现役航母上配置的MK7-3型拦阻装置［3～8］是目前世界上各国海军航母中拦阻能力最大的着舰拦阻装备。整个液压阻拦系统由拦阻索、绞盘机、拦阻机、缓冲器、控制系统等构成［6～8］，因为液压减振器行程有限，钢索在定滑轮组的缠绕比［9］为18∶1，这样可把较长的钢索抽出长度转化为较小的主液压缸的行程。

现阶段的舰载拦阻机零件种类多、结构复杂，作者对“内外气缸式蒸汽弹射器”［10］做了一些改变，获得结构较简单的液压缓冲器，理论上活塞行程无限大，并用刚性杆代替了柔索。本文介绍了无限行程液压缓冲器结构，结合飞机对中拦阻情形，分析了此种拦阻器工作原理。

2 无限行程液压缓冲器结构

为更好地实施舰载机的拦阻，作者设计了无限行程液压缓冲器，结构类似于“内外气缸式蒸汽弹射器”，两者的开合机构控制方式一样，只是活塞稍有差别。内、外气缸及活塞外形参见文献［10］。无限行程液压缓冲器的活塞内部结构如图1所示，活塞端面开有溢流孔和卸荷孔。溢流孔由电磁阀控制孔径的变化，拦阻过程中卸荷孔常闭合。

图2所示为无限行程液压缓冲器双缸对称安装的一种阻拦装置，无限行程液压缓导向板上固定一套前置缓冲器，由一组弹簧、液压缸构成；拦杆铰接在前置缓冲器上，拦杆为V字型可让舰载机钩上后自动对中。同时增加外气缸的长度和内气缸的数量，则活塞行程增加，理论上活塞行程不受限制。

若不想在甲板上开槽，可选用图3方案，无限行程液压缓冲器安装在甲板下方，在甲板上开设两个出索孔，用两组定滑轮实现换向，单缸的钢索长度是活塞行程的两倍。在初始状态及工作过程，钢索始终都处于拉紧状态，用不上绞盘机。

图2方案的工作过程如下，舰载机钩上拦杆后先经过前置缓冲器卸荷再带动活塞前行，开合机构控制内气缸开口与外气缸开口重合或错开；电磁阀在3s内将溢流孔变小，流体流过溢流孔产生热量消耗动能；在流体的压迫下卸荷孔紧闭；停车后，前置缓冲器的弹簧复位并将舰载机弹开，舰载机后退并与拦杆分离。拖车将活塞复位，回退过程中流体顶开卸荷孔的盖板以降低流体阻力。图3方案的工作过程与之相似。

图1 活塞内部结构

图2 弹射器装配方案1

图3 弹射器装配方案2

3 建立模型

因为图2是对称的，取其一半作为研究对象。用SIMPACK系统动力学软件建立活塞、飞机的动力学模型。考虑甲板摩擦力、活塞摩擦力，流体力作用在活塞上，空气阻力、飞机升力、发动机推力作用在飞机上。活塞与飞机用28号元件连接，前置缓冲器用5号力元件表示。动力学模型如图4所示，参数见表1。

图4 动力学模型

表1 主要仿真参数

溢流孔初始孔径为5mm，终止孔径为2mm，由函数表达式模拟电磁阀动作。飞机起降时的空气阻力、飞机升力表达式一样，参照文献［11～15］在仿真环境中列函数表达式。

由于无活塞杆，活塞两端截面积一样，参照文献［16～19］，流体流经小孔的阻尼力为

F为阻尼力（N）；W为活塞截面积（m2）；f为溢流孔截面积（m2）；v为飞机速度（m/s）。

4 分析结果

4.1 着舰速度的影响

着舰速度分别是 100m/s、90m/s、80m/s、70m/s，发动机全程不关闭，着舰拦阻形式为对中拦阻。如图5～6所示，着舰速度越大，阻尼力、飞机加速度越大，单缸拦阻力最大为858.45kN，最大加速度为44.64m/s2。如图7所示，着舰速度越大，飞机速度衰减越快，所需活塞行程越短；着舰速度100m/s，活塞行程123.68 m；着舰速度70m/s，活塞行程128.78 m。不同着舰速度下，活塞行程最多相差5.1 m，拦停距离基本相同。

图5 单缸拦阻力-位移曲线

图6 飞机加速度-位移曲线

图7 飞机速度-位移曲线

4.2 活塞复位性能分析

在拖车的作用下，活塞速度在1s内从静止加速到20m/s，然后匀速运动。上述动力学模型去掉飞机，回退过程中卸荷孔的盖板被流体顶开，将卸荷孔与溢流孔的孔径等效为30mm。计算出无限行程液压缓冲器最大阻尼力为71.8N，活塞复位过程中阻力很小，如图8所示。图9所示，在7s内活塞完成复位，准备下一次拦阻。

5 结语

通过建立无限行程液压缓冲器的数学模型分析了弹射过程的动力学响应，得到以下结果。

1）无限行程液压缓冲器是无源的，适应性强，所用的介质容易得到，极端情况下可以用海水代替。改变溢流孔孔径就可以调节流体阻尼力，对拦阻的飞机重量适用范围广。

图8 无限行程液压缓冲器阻尼力

图9 活塞复位时间

2）通过特别设计，无限行程液压缓冲器可以与内外气缸蒸汽弹射器互换使用，两者的零件可以相互兼容，提高了装备的战场存活率，提供了解决弹射、回收的一揽子方案。

3）溢流孔孔径的变化直接影响拦阻的性能，为了让飞机着舰过程更平稳需要更深入地研究电磁阀的闭合规律。

［1］堵开源.航空母舰与大国兴衰［J］.社会观察，2012，（11）：14-18.

［2］张鑫.舰载机拦阻着舰动力学分析及仿真［D］.西安：西北工业大学，2007.

［3］刘成玉，王斌团.MK7-3拦阻器刚柔耦合动力学建模与 分 析［J］. 机 械 科 学 与 技 术 ，2016，35（10）：1572-1577.

［4］王海东，毕玉泉，杨炳恒，等.MK7—3阻拦装置拦阻特点分析［J］.科学技术与工程，2011，11（9）：2038-2042.

［5］郑茂，王超.液压阻拦机定长冲跑控制规律优化研究［J］. 北京理工大学学报，2014，34（6）：607-612.

［6］朱齐丹，李新飞，吕开东.基于定常冲跑控制的阻拦过程动力学分析［J］.北京理工大学学报，2012，32（3）：281-285.

［7］杨茂胜，毕玉泉，黄葵，王海东，杨炳恒.MK7-3型阻拦装置定长冲跑控制阀结构特点及控制规律［J］.舰船科学技术，2012，34（03）：140-143.

［8］程涛.舰载机阻拦索磁流变阻尼器力学建模研究［D］.沈阳：沈阳航空航天大学，2012.

［9］柳刚，聂宏，任志勇，等.舰载型拦阻装置拦阻性能分析［J］. 中国机械工程，2014，25（9）：1244-1249.

［10］史炎，史天成.内外气缸式蒸汽弹射器设计与仿真［J］.舰船电子工程，2017，37（11）：148-151.

［11］高俊东，崔帅，冯蕴雯，薛小峰.舰载机蒸汽弹射器热力学仿真分析［J］. 机械科学与技术，2013（07）：963-967.

［12］张雷，冯蕴雯，薛小锋，冯元生.舰载机蒸汽弹射动力学仿真分析［J］. 航空计算技术，2012（06）：29-33.

［13］程刚，倪何，孙丰瑞.舰载蒸汽弹射系统建模与仿真研究［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2010（02）：301-305.

［14］余晓军，高翔，钟民军.蒸汽弹射器的动力学仿真研究［J］. 船海工程，2005（03）：1-4.

［15］梁傲，陈辉，张国磊，郭家敏，周科，杨诚.舰载机蒸汽弹射热力学仿真分析［J］.舰船科学技术，2016（17）：136-139.

［16］吴念.结构参数对汽车双筒充气式液压减振器动态性能的影响［D］.成都：西南交通大学，2016.

［17］邢亚琼.汽车液压减振器结构参数对性能的影响［D］.成都：西南交通大学，2016.

［18］吴建斌.液压减振器结构参数对性能的影响［D］.成都：西南交通大学，2015.

［19］李清华.轨道车辆液压减振器结构参数与动力学特性关系的研究［D］.南昌：华东交通大学，2014.