Исследование динамических процессов в газо-гидравлическом амортизаторе

На рисунке 1 представлена принципиальная схема многокамерного газо-гидравлического амортизатора, который является составной частью стойки шасси летального аппарата (ЛА). Данный агрегат применяется для обеспечения плавности хода при движении ЛА по аэродрому, а также гашения колебаний и ударов при посадке. Основными элементами газо-гидравлического амортизатора являются корпус 1 и поршень 3, совершающий возвратно-поступательного движения внутри последнего. Поршневая А и штоковая B полости амортизатора сообщаются посредством группы отверстий 7, выполненных в поршне 3. В составе конструкции штока поршня 3 имеются газовые полости, отделенные от гидравлических с помощью разделительных поршней 8 и 9. Сообщение гидравлических полостей С и D с поршневой полостью А осуществляется через отверстия 5 и подпружиненного клапана 4 соответственно. 

Принцип работы газо-гидравлического амортизатора заключается в следующем. При отсутствии силы, действующей на шток поршня 3 разделительные поршни 8 и 9 поджаты к упорам давлением со стороны предварительно заряженных газовых полостей H и K. При действии силы F поршень 3 начинает перемещаться, возрастает давление в полости А, из которой жидкость поступает в полости С и D. При достижении давления жидкости в полостях С и D давлений зарядки газовых полостей H и K происходит перемещение разделительных поршней 8 и 9. Таким образом, диссипации энергии внешнего возмущения происходит как за счет потерь при дросселировании жидкости в отверстиях поршня 3, так и за счет сжатия газовых полостей.

Для лучшего понимания взаимосвязи между параметрами компонентов газо-гидравлического амортизатора на рисунке 2 представлена его функциональная схема:

При разработке имитационной модели приняты следующие допущения:

• теплообмен с окружающей средой отсутствует;

• параметры газа внутри полостей являются сосредоточенными;

• процесс дросселирования адиабатический, потери энергии учитываются при помощи коэффициента расхода;

• силы сухого трения подвижных элементов пренебрежимо малы по сравнению с силами давления жидкости и газа.

Внешний вид математической модели, разработанной в программе SimInTech, представлен на рисунке 3. Представленная модель составлена на базе стандартных элементов библиотек "Гидро- и пневмосистемы" и "Механика".

Для верификации результатов составлена аналогичная по структуре модель в программе SimulationX (рисунок 4).

В таблице 1 представлены исходные данные для выполнения расчета на основе разработанных моделей.

Таблица 1. Исходные данные для расчета.

На рисунке 5 представлена характеристика клапана 4, показывающая зависимость площади проходного сечения при его открытии.

Для параметризации модели ииспользуется скрипт, прописываемый в главном окне программы. Фрагмент данного скрипта представлен на рисунке 6.

В качестве сравнительной характеристики амортизатора рассматривается его статическая силовая диаграмма, показывающая зависимость перемещения поршня от прикладываемого усилия. На рисунке 7 представлена статическая характеристика амортизатора, полученная при нагружении штока внешней силой от 0 до 200 кН за время 100 с. Характер изменения силы во времени - линейный.

Анализируя полученные результаты, можно выделить три области:

I - область малых перемещений штока (от 0 до 0.5-1 мм в диапазоне изменения нагрузки от 0 до 30 кН), характеризуемых ростом давления в гидравлических полостях амортизатора до величины зарядки газовой полости низкого давления (полость K). При давлении в поршневой полости 2.4 МПа на 11 секунде происходит открытие предохранительного клапана и продолжается до момента достижения им упоров (рисунок 6).

II и III - области сжатия газовых полостей низкого и высокого давления. При давлении в поршневой полости 3.5 МПа на 15 секунде начинается движение разделительного поршня в камере низкого давления - происходит сжатие газа в полости низкого давления. При давлении в поршневой полости 13 МПа на 57 секунде начинается движение разделительного поршня высокого давления - происходит сжатие газа в полости высокого давления (рисунок 8).

В процессе движение поршня 3 в полостях H и K происходит адиабатное сжатие, в результате которого газ нагревается (рисунок 8).

Динамические процессы, протекающие в амортизаторе при его резком нагружении, идентичны процессам в гидравлических системах с установленными пневмогидравлическими аккумуляторами. На рисунке 10 представлены переходные процессы в амортизаторе, полученные при ступенчатом приложении внешней нагрузки 100 кН в момент времени 1 с. Давление в жидкостной части (в рассматриваемом случае в полости D) возрастает и примерно за 1 мс достигает значения давления зарядки полости K. Весь переходный процесс длится около 5 мс (имеет место колебательный переходный процесс за счет упругих свойств жидкости и газа и наличия массы разделительного поршня), затем давление жидкости плавно по мере сжатия газовой полости K достигает максимального значения, обусловленного прикладываемой нагрузкой.

Для самостоятельного изучения модель амортизатора можно взять здесь.

Более простая модель амортизаотра описана в данной лекции: 3. Частотные характеристики систем автоматического управления (АФЧХ, ЛАХ, ФЧХ) ч. 3.1

Видео с тестированием данной модели, на разные нагрузки, показано как входные параметры влияют на процесс рассчета (замедление скорости вычислений):