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               		刘谦1, 张祝新2,*( ), 赵丁选1, 王辉1, 秦占永1
), 赵丁选1, 王辉1, 秦占永1
                  
        
        
        
        
    
收稿日期:2022-06-13
									
				
									
				
									
				
				
											上线日期:2024-01-30
									
			通讯作者:
					基金资助:
        
               		LIU  Qian1, ZHANG  Zhuxin2,*( ), ZHAO  Dingxuan1, WANG  Hui1, QIN  Zhanyong1
), ZHAO  Dingxuan1, WANG  Hui1, QIN  Zhanyong1
			  
			
			
			
                
        
    
Received:2022-06-13
									
				
									
				
									
				
				
											Online:2024-01-30
									
			摘要:
针对现役综合系留和转运系统(Aircraft Ship Integrated Secure and Traverse,ASIST)存在的捕获冲击力大、转运时系统能耗高的问题,设计舰载直升机电驱动助降装置。通过分析助降装置的工况得出助降装置在执行捕获与转运任务时的性能要求,据此给出电驱动助降装置传动系统的设计方案。基于功率键合图理论建立传动系统的动力学模型,并与液压驱动助降装置进行对比仿真实验。仿真结果表明:电驱动助降装置的捕获速度降低约92%,捕获时最大冲击力降低约94%,能够在21kN的外负载作用下执行直升机转运任务,在执行转运任务时能耗降低约29%,该成果对于拓宽ASIST的使用范围、降低系统能耗具有重要意义;所引入的兼顾系统动态特性与能耗特性的建模方法,为其余复杂机械系统的动力学建模提供了参考。
中图分类号:
刘谦, 张祝新, 赵丁选, 王辉, 秦占永. 舰载直升机电驱动助降装置及其关键特性分析[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 241-252.
LIU Qian, ZHANG Zhuxin, ZHAO Dingxuan, WANG Hui, QIN Zhanyong. Electric Landing Assist Device of Shipborne Helicopters and Its Key Characteristics Analysis[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(1): 241-252.
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 | 
|---|---|---|---|
| θ/(°) | 10 | g/(m·s-2) | 9.8 | 
| aX/(m·s-2) | 1 | aZ/(m·s-2) | 0.5 | 
| MH/kg | 6 000 | f | 0.02 | 
| L/m | 7 | LH/m | 0.9 | 
| ρ/(kg·m-3) | 1.29 | vW/(m·s-1) | 12 | 
| AXCW | 20 | LW/m | 0.9 | 
| LE/m | 0.9 | Lbc/m | 3.5 | 
表1 三级海情下的运动参数
Table 1 Motion parameters under level-3 sea conditions
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 | 
|---|---|---|---|
| θ/(°) | 10 | g/(m·s-2) | 9.8 | 
| aX/(m·s-2) | 1 | aZ/(m·s-2) | 0.5 | 
| MH/kg | 6 000 | f | 0.02 | 
| L/m | 7 | LH/m | 0.9 | 
| ρ/(kg·m-3) | 1.29 | vW/(m·s-1) | 12 | 
| AXCW | 20 | LW/m | 0.9 | 
| LE/m | 0.9 | Lbc/m | 3.5 | 
| 名称 | 符号 | 特征方程 | 键合图模型 | 
|---|---|---|---|
| 阻性元件 | R | e(t)=Rf(t) |  | 
| 容性元件 | C | e(t)= |  | 
| 惯性元件 | I | f(t)= |  | 
| 流源 | Sf | f(t)=Sf |  | 
| 势源 | Se | e(t)=Se |  | 
| 转换器 | TF |  | |
| 1结 | 1 |  | |
| 0结 | 0 |  | 
表2 特性方程和键合图模型
Table 2 Characteristic equation and bond graph model
| 名称 | 符号 | 特征方程 | 键合图模型 | 
|---|---|---|---|
| 阻性元件 | R | e(t)=Rf(t) |  | 
| 容性元件 | C | e(t)= |  | 
| 惯性元件 | I | f(t)= |  | 
| 流源 | Sf | f(t)=Sf |  | 
| 势源 | Se | e(t)=Se |  | 
| 转换器 | TF |  | |
| 1结 | 1 |  | |
| 0结 | 0 |  | 
| 传动部件 | 参数 | 数值 | 
|---|---|---|
| 电机 | 输出转速Sf/(rad·s-1) | |
| 转动转化为平动TF/(rad·m-1) | 20.61 | |
| 同步带传动 | 同步带刚度C/(m·N-1) | 1.92×10-7 | 
| 平动转化为转动TF/(m·rad-1) | 48.52×10-3 | |
| 减速机输入端 | 转动惯量I/(kg·m2) | 4.25×10-3 | 
| 转动阻尼R/(N·m·s) | 4.7×10-2 | |
| 减速机 | 减速比TF | 40 | 
| 丝杆刚度C/(rad·N-1·m-1) | 7.8×10-6 | |
| 减速机输出端 | 转动惯量I/(kg·m2) | 22.95×10-3 | 
| 转动阻尼R/(N·m·s) | 5.3×10-3 | |
| 动滑轮 | 质量I/kg | 35.75 | 
| 转动转化为平动TF/(rad·m-1) | 628.93 | |
| 链传动 | 链条刚度C/(m·N-1) | 1.49×10-9 | 
| 倍行程效应TF | 0.5 | |
| 机械爪 | 摩擦阻尼R/N | 30 | 
| 质量I/kg | 44.328 | |
| 直升机 | 阻力Se/N | 2.1×104 | 
| 质量I/kg | 6×103 | 
表3 电驱动助降装置的传动系统参数
Table 3 Parameters of transmission system for electric landing assist device
| 传动部件 | 参数 | 数值 | 
|---|---|---|
| 电机 | 输出转速Sf/(rad·s-1) | |
| 转动转化为平动TF/(rad·m-1) | 20.61 | |
| 同步带传动 | 同步带刚度C/(m·N-1) | 1.92×10-7 | 
| 平动转化为转动TF/(m·rad-1) | 48.52×10-3 | |
| 减速机输入端 | 转动惯量I/(kg·m2) | 4.25×10-3 | 
| 转动阻尼R/(N·m·s) | 4.7×10-2 | |
| 减速机 | 减速比TF | 40 | 
| 丝杆刚度C/(rad·N-1·m-1) | 7.8×10-6 | |
| 减速机输出端 | 转动惯量I/(kg·m2) | 22.95×10-3 | 
| 转动阻尼R/(N·m·s) | 5.3×10-3 | |
| 动滑轮 | 质量I/kg | 35.75 | 
| 转动转化为平动TF/(rad·m-1) | 628.93 | |
| 链传动 | 链条刚度C/(m·N-1) | 1.49×10-9 | 
| 倍行程效应TF | 0.5 | |
| 机械爪 | 摩擦阻尼R/N | 30 | 
| 质量I/kg | 44.328 | |
| 直升机 | 阻力Se/N | 2.1×104 | 
| 质量I/kg | 6×103 | 
| 传动部件 | 参数 | 数值 | 
|---|---|---|
| 电机 | 输出转速Sf/(rad·s-1) | |
| 齿轮泵 | 转动转化为流量TF/(rad·m-3) | 2.09×106 | 
| 内部泄漏R/(m3·s-1·Pa-1) | 3.21×10-12 | |
| 液压管路 | 内部流阻R/(Pa·s·m-3 | 0.91×1011 | 
| 单向阀 | 内部流阻R/(Pa·s·m-3) | 3.76×109 | 
| 换向阀 | 内部流阻R/(Pa·s·m-3) | 1.03×1010 | 
| 内部泄漏R/(m3·s-1·Pa-1) | 3.3×10-13 | |
| 液压油刚度C/(m3·Pa-1) | 2.51×10-14 | |
| 内部泄漏R/(m3·s-1·Pa-1) | 1.04×10-12 | |
| 液压缸 | 流量转化为平动TF/(m2·s-1) | 5.02×10-3 | 
| 质量I/kg | 46.32 | |
| 摩擦阻尼R/N | 12.6 | |
| 动滑轮 | 质量I/kg | 35.75 | 
| 摩擦阻尼R/N | 25.0 | |
| 链传动 | 链条刚度C/(m·N-1) | 1.49×10-8 | 
| 倍行程效应TF | 0.5 | |
| 机械爪 | 摩擦阻尼R/N | 30 | 
| 质量I/kg | 44.328 | |
| 直升机 | 负载运动阻力Se/N | 2.1×104 | 
| 负载质量I/kg | 6×103 | 
表4 液压驱动助降装置的传动系统参数
Table 4 Parameters of transmission system for hydraulic landing assist device
| 传动部件 | 参数 | 数值 | 
|---|---|---|
| 电机 | 输出转速Sf/(rad·s-1) | |
| 齿轮泵 | 转动转化为流量TF/(rad·m-3) | 2.09×106 | 
| 内部泄漏R/(m3·s-1·Pa-1) | 3.21×10-12 | |
| 液压管路 | 内部流阻R/(Pa·s·m-3 | 0.91×1011 | 
| 单向阀 | 内部流阻R/(Pa·s·m-3) | 3.76×109 | 
| 换向阀 | 内部流阻R/(Pa·s·m-3) | 1.03×1010 | 
| 内部泄漏R/(m3·s-1·Pa-1) | 3.3×10-13 | |
| 液压油刚度C/(m3·Pa-1) | 2.51×10-14 | |
| 内部泄漏R/(m3·s-1·Pa-1) | 1.04×10-12 | |
| 液压缸 | 流量转化为平动TF/(m2·s-1) | 5.02×10-3 | 
| 质量I/kg | 46.32 | |
| 摩擦阻尼R/N | 12.6 | |
| 动滑轮 | 质量I/kg | 35.75 | 
| 摩擦阻尼R/N | 25.0 | |
| 链传动 | 链条刚度C/(m·N-1) | 1.49×10-8 | 
| 倍行程效应TF | 0.5 | |
| 机械爪 | 摩擦阻尼R/N | 30 | 
| 质量I/kg | 44.328 | |
| 直升机 | 负载运动阻力Se/N | 2.1×104 | 
| 负载质量I/kg | 6×103 | 
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