1、中国科技期刊数据库 工业 A 1 电子式抗荷调压器特性探究 于世琦1,2 甘俊杰1,2 徐 俊1,2 张亚洲1,2 徐 剑1,2 1.中航工业航宇救生装备有限公司，湖北 襄阳 441003 2.航空防护救生技术航空科技重点实验室，湖北 襄阳 441003 摘要：摘要：本文介绍某型电子式抗荷调节器的结构组成与工作原理，并对其进行了数值计算，采用软件MWorks.Sysplorer 对其进行建模仿真，分析了其活门位移及出口压力特性。通过数值计算和模拟实验，对电子抗调器的活门位移和出口压力进行了分析。根据仿真结果，研究人员对电子抗调器进行了结构优化，改善了其性能。改进后的电子抗调器表现出较小的压力波
2、动，具有稳定的特性。利用仿真结果对该电子抗调器进行结构优化改进，改进后的电子抗调器压力波动小，性能稳定，提升了飞行员的舒适性。目前国内对于电子抗调器的研究还处于初步阶段，本文希望通过仿真与试验研究，为电子抗荷调压器发展提供参考。关键词：关键词：抗荷；仿真；压力 中图分类号：中图分类号：TP2 0 引言 随着飞行器技术的高速发展，现代战斗机的性能得到了巨大的提升，飞行过程中所承受的过载也显著增加，最大可达 9G。然而，人体对过载的承受能力是有限的，训练有素的飞行员只能耐受 6 到 7G 的过载数秒钟，而在 7 到 8G 的过载下，他们只能持续 1 秒钟。对于现代高性能战斗机的飞行员来说，这样短暂
3、的可耐受过载时间是远远不够的，因此必须配备专门的抗过载装备。在航空生理防护装备中，抗荷调压器作为调节抗荷服内压力的装备，占据着重要地位。抗荷调压器是飞机抗荷系统中的重要组成部分，其功能是根据飞机飞行过载的大小，调节抗荷服内的气体压力。通过充气抗荷服，压缩飞行员的下半身，可以减少血液流向下肢和腹腔，从而缓解飞行员脑部供血不足的情况。目前，主要采用的抗荷调压器大多是机械式抗荷调压器。电子抗调器是由电控系统与机械式抗荷调压器结合而成的装备，其工作原理与柱塞式机械抗荷调压器相似，只是活门的驱动力由电机力和过载力组成，因此电子抗调器的响应速度更快，建压更稳定。通过电子控制系统的精确调节，可以根据飞行过载
4、的变化实时调整抗荷服内的气体压力，以更好地保护飞行员的生命安全和健康。电子抗调器的应用可以有效地提高飞行员在高过载环境下的工作效率和生存能力。1 电子抗调器结构与建模 1.1 电子抗调器结构组成 某型电子抗调器结构组成如下图 1 所示，其过载生理防护工作过程为过载传感器实际测得当前飞行过载值，并将其传输到控制器，按照航空过载生理防护要求的压力大小，控制器将此转换为输出电压作用于电机，电机力与过载力同时作用驱动活门运动，活门打开一定的开度，压缩空气经过出口腔流入抗荷服内，建立相应的压力，在此工作过程中，出口腔压力传感器实时监控抗荷调节器出口压。某型电子抗调器内部原理如图 1 所示，采用电机与直接
5、式柱塞活门结构相结合而成。按照机械式抗荷调压器的流量及压力制度进行设计，以此保证在断电时，由于过载力作用在电机与柱塞活门上，仍可对飞行员抗荷服进行充气加压。图 1 电子抗调器内部原理图 中国科技期刊数据库 工业 A 2 由图 2 所示，根据受力平衡可得抗荷调压器柱塞活门受力平衡方程：md2xdt=F+FG Fc Fs Fy FP (1)F=kbNBli=kmi (2)Fc=cdxdt (3)Fs=kx (4)u=E+iR+Ldidt (5)E=kbBlv=kEdxdt （6)FP=SP （7)上述方程中：m 为柱塞活门与电机动子总质量；x为 m 的位移；FG为柱塞活门所受过载力；Fy为弹簧预压
6、缩产生的预紧力；Fc为电机粘性阻尼力；Fs为弹簧随着位移产生的弹力；k为弹簧弹性系数；F为音圈电机产生电机力；N为线圈匝数；l为线圈长度；E为感应电动势；B为磁场强度；kb为感应电动势系数；v为线圈运动速度；c为电机粘性阻尼系数；i为电机通过的电流；R为线圈电阻；L为线圈电感；FP为气压产生的力；S为实际作用面积；P为流经活门气体压力。在上述方程组中，音圈电机的电感 L 较小，可以忽略自感影响。最终音圈电机通过控制加在其上电压来控制活门位移，将上述方程组消除中间变量与忽略项，简化后得：Rkmmd2xdt+(c+kE)dxdt+Rkkmx+Rkm(Ff+Fy FG+FP)=u （8)1.2 活门
7、流量模型 活门与外框之间的最大流通面积为：f=(D2d2)4 （9)公式 2.8 中 f 为最大流通面积；D 为外框刀口处直径；d 为柱塞活门中间细杆处直径。根据理想气体在绝热条件下通过喷管的流量公式：Q=fPTB(c),c cQ=fPTB,c c （10)c=P2P1 （11)(c)=c2/k c(k+1)/k （12)B=2kR(k1)（13)B=B(c)（14)c=PPc=(1+k12M2)k(k1)（15)上述公式中为流量系数；T 为温度；M 为马赫数；c为喷嘴进出口压力比。整理上述方程，将式 2.8 代入，消除中间变量可得流量与活门开度及入口压关系方程：Q=(D2 d2)P4T2kR
8、(k 1)(c2k ck+1k),c cQ=(D2 d2)P4T2kR(k 1)(c),c c 2 电子抗调器特性仿真 为了更为直观的分析某型电子抗调器的特性，采用仿真分析软件MWorks.Sysplorer对不同工况条件下抗 荷 调 压 器 充 气 建 压 过 程 进 行 仿 真。MWorks.Sysplorer 是一种基于原理的建模仿真软件，可自定义模型库的定制开发，支持多种建模方式，模型内部可根据实际定义输入参数以及编辑公式。通过仿真分析，模拟不同工况条件下的抗荷调压器充气建压过程，并获得相应的仿真结果。这些结果可以用于评估电子抗调器在不同情况下的性能表现，并为结构优化改进提供参考。通过
9、使用 MWorks.Sysplorer 进行仿真分析，理解和分析某型电子抗调器的特性，为其进一步的研究和开发提供指导。然而，仿真结果的准确性和可靠性仍需要与实际试验数据进行比对和验证，以确保仿真模型的准确性和可信度。3 仿真结果 采用仿真分析软件MWorks.Sysplorer对不同工况条件下电子抗调器建压过程进行动态仿真，本文选取工况为 4G、6G 和 8G 过载下，入口压分别为 300kPa、500kPa、800kPa 条件下仿真结果进行分析。3.1 活门位移特性分析 在 4G、6G、8G 过载下不同入口压下建压的起始到稳定过程柱塞活门位移曲线见下图 2。如图所示，每一竖排图像进行对比发现
10、，活门位移的振幅随着入口压升高而减小，原因为活门流量随着入口处压力增大而增大，方程见式 2.16。在 300kPa下从建压的起始阶段至稳定阶段，4G 过载条件下活门在起始阶段发生振动；在 500kPa 下，4G 与 6G 过载条件下活门在起始阶段发生振动；在 800kPa 下，4G、6G及 8G 过载条件下活门在起始阶段均发生振动。由此可见，随着入口压的增大，活门更容易发生振动，且入口压越大，振动频率越大。中国科技期刊数据库 工业 A 3 图 2 各个过载不同入口压下活门位移曲线 3.2 出口压力特性分析 上在各个过载下不同入口压下建压的起始到稳定过程出口压力曲线如下图 3。图 3 各个过载不
11、同入口压下出口压力曲线 如图所示，在 4G 过载下，随着入口压增大，出口压在建压开始阶段压力波动频率增加。出现此现象的原因为：经研究发现气流遇到障碍发生转向时，根据牛顿经典力学可知，会产生相反作用力作用于柱塞顶部杆与中间连杆台阶处。当入口压力增大时，建压开始阶段活门与壳体间的压力突然增大，使得该反作用力增大，此反作用力推动活门向关闭方向作用，造成出口处实际建压值远小于目标建压值，出口实际值反馈至控制器，使得下一次控制效果出现较大超调，基于此调节过程出现入口压力大时，出口压力产生波动的现象。在建压平稳阶段，由于活门始终处于开关运动过程，造成曲线难以收敛。出口压力图像与活门位移图像相对应。4 结构
12、优化 针对上述出口压力随着入口压增大而产生波动的原因，可以从原理出发进行结构优化，减小上杆与连杆之间差值以减少受力面积，但要求保证F大小不变，而F的大小与实际作用面积S和气压有关,即不改变上下杆径的条件下，适当增大调整中间连接杆部直径，从而减小台阶处投影面积。优化后的各个过载在800kPa 下的出口压力曲线如下图 4。图 4 优化后各个过载 800kPa 下出口压力曲线 由上图可知，适当调整此电子抗调器的活塞连杆处径径可以有效地降低建压过程与稳定阶段的出口压力波动。5 总结 本文针对某型电子抗调器进行数值计算与建模仿真分析，介绍了电子抗调器的基本结构与过载条件下工 作 过 程 的 原 理。通
13、过 使 用 仿 真 分 析 软 件MWorks.Sysplorer 对该电子抗调器的建模仿真，分析了其在工作时的活门位移、出口压力特性并给出了结构优化方案。通过优化活门结构，可以减小抗荷调压器出口压力波动，提高性能稳定性，为今后电子抗调器的发展提供参考。参考文献 1肖华军,航空供氧防护装备生理学M.北京:军事医学科学出版社,2003 2卞泳.加压供氧面罩呼气活门动态特性研究与仿真D.南京：南京航空航天大学,2000.中国科技期刊数据库 工业 A 4 3刘峰.航空个体防护技术与装备M.北京:军事医学科学出版社,2008.4万玉琴.某型航空抗荷调压器机构的Simulink仿真与分析J.中国科技信息
14、,2010,(12):45-46.5李辉.抗荷调压器动态性能研究J.机械工程与自动化,2017(2):87-88.6张岩.一种电子抗调器设计构想J.中国科技信息,2013(22):165-166.7张岩,代警卫,何志良.一种电子式抗荷调压器设计构想J.中国科技信息,2013(22):2.8戴述银.抗荷调压器响应特性技术研究D.北京：北京航空航天大学,2003.9李辉,唐小刚,冯友权.抗荷调压器动态性能研究J.机械工程与自动化,2017(2):2.10曹克强,沈燕良,王建平,等.惯性气动附件动特性研究J.机床与液压,2004,(010):155-156.11严共鸣,赵德春,杨安元.飞机抗荷调压器性能检测仪的研制J.机电产品开发与创新,2014(2):3.12赵智明,王绪奇.飞机抗荷调压器性能检测仪设计J.液压与气动,2011(10):55-56.作者简介：作者简介：于世琦（1995）男，汉族，黑龙江肇东人，设计员，研究方向为航空救生。
