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.
![Рисунок 1. Принципиальная схема газо-гидравлического амортизатора
1 - корпус амортизатора; 2, 5, 7 - отверстия в поршне; 3 - основной поршень; 4 - клапан; 6 - пружина; 8, 9 - разделительный поршень
А - поршневая полость; B - штоковая полость; С - гидравлическая полость высокого давления; D - гидравлическая полость низкого давления; H - газовая полость высокого давления; K - газовая полость низкого давления
L1 - максимальный ход основного поршня; L2 - максимальный ход разделительного поршня в камере высокого давления; L3 - максимальный ход разделительного поршня в камере низкого давления; F - сила, действующая на шток гидроцилиндра
Рисунок 1. Принципиальная схема газо-гидравлического амортизатора
1 - корпус амортизатора; 2, 5, 7 - отверстия в поршне; 3 - основной поршень; 4 - клапан; 6 - пружина; 8, 9 - разделительный поршень
А - поршневая полость; B - штоковая полость; С - гидравлическая полость высокого давления; D - гидравлическая полость низкого давления; H - газовая полость высокого давления; K - газовая полость низкого давления
L1 - максимальный ход основного поршня; L2 - максимальный ход разделительного поршня в камере высокого давления; L3 - максимальный ход разделительного поршня в камере низкого давления; F - сила, действующая на шток гидроцилиндра](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/b7b/75a/6f3/b7b75a6f3119730aedc71df45b0825f5.png)
Для лучшего понимания взаимосвязи между параметрами компонентов газо-гидравлического амортизатора на рисунке 2 представлена его функциональная схема:
![Рисунок 2. Функциональная схема взаимосвязи параметров газо-гидравлического амортизатора Рисунок 2. Функциональная схема взаимосвязи параметров газо-гидравлического амортизатора](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c9f/5c0/762/c9f5c07628f8a7f0e0b339f504ad3d79.png)
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".
![Рисунок 3. Внешний вид имитационной модели газо-гидравлического амортизатора в программе SimInTech
1 - блок задания силы; 2 - основной поршень; 3 - поршневая полость; 4 - штоковая полость; 5 - отверстия в поршне, соединяющие поршневую и штоковую полости; 6 - разделительный поршень в камере высокого давления; 7 - газовая полость высокого давления; 8 - разделительный поршень в камере низкого давления; 9 - газовая полость низкого давления; 10 - гидравлическая полость низкого давления; 11 - отверстия в поршне, соединяющие гидравлические полости высокого и низкого давления; 12 - гидравлическая полость высокого давления; 13 - отверстия в поршне, соединяющие поршневую полость в гидравлической полостью высокого давления; 14 - клапанный узел Рисунок 3. Внешний вид имитационной модели газо-гидравлического амортизатора в программе SimInTech
1 - блок задания силы; 2 - основной поршень; 3 - поршневая полость; 4 - штоковая полость; 5 - отверстия в поршне, соединяющие поршневую и штоковую полости; 6 - разделительный поршень в камере высокого давления; 7 - газовая полость высокого давления; 8 - разделительный поршень в камере низкого давления; 9 - газовая полость низкого давления; 10 - гидравлическая полость низкого давления; 11 - отверстия в поршне, соединяющие гидравлические полости высокого и низкого давления; 12 - гидравлическая полость высокого давления; 13 - отверстия в поршне, соединяющие поршневую полость в гидравлической полостью высокого давления; 14 - клапанный узел](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/0d9/0b7/e72/0d90b7e7279cc59bfdd23fef33b2ba5c.png)
Для верификации результатов составлена аналогичная по структуре модель в программе SimulationX (рисунок 4).
![Рисунок 4. Внешний вид имитационной модели в программе SimulationX Рисунок 4. Внешний вид имитационной модели в программе SimulationX](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/f3a/afe/fde/f3aafefdeffbbb5c2ccc040b9509d7f4.png)
В таблице 1 представлены исходные данные для выполнения расчета на основе разработанных моделей.
Таблица 1. Исходные данные для расчета.
Наименование параметра |
Обозначение |
Значение |
Основной поршень | ||
диаметр поршня |
d1 |
120 мм |
диаметр штока |
d2 |
105 мм |
максимальный ход |
L1 |
135 мм |
масса |
M1 |
1 кг |
Разделительный поршень в камере высокого давления | ||
внешний диаметр |
d3 |
95 мм |
внутренний диаметр |
d4 |
65 мм |
максимальный ход |
L2 |
300 мм |
масса |
M2 |
0.1 кг |
Разделительный поршень в камере низкого давления | ||
диаметр |
d5 |
58 мм |
максимальный ход |
L3 |
190 мм |
масса |
M3 |
0.1 кг |
Полости, начальный объем | ||
A |
VA0 |
1.57 л |
B |
VB0 |
0.78 л |
C |
VC0 |
0.45 л |
D |
VD0 |
0.5 л |
H |
VH0 |
1.7 л |
K |
VK0 |
0.7 л |
Давление предварительной зарядки газовых полостей | ||
H |
pH0 |
13 МПа |
K |
pK0 |
3.5 МПа |
Процесс изменения давления в газовых полостях |
адиабатный |
|
Начальная температура газа в полостях H и K |
35o C |
|
Отверстия в поршне (поз. 2 рис. 1) | ||
эквивалентный диаметр |
50 мм |
|
Отверстия в поршне (поз. 5 рис. 1) | ||
количество |
6 |
|
диаметр |
1.6 мм |
|
Отверстия в поршне (поз. 7 рис. 1) | ||
количество |
6 |
|
диаметр |
1.6 мм |
|
Клапан | ||
масса |
M4 |
0.1 кг |
жесткость пружины |
J |
30 кН/м |
коэффициент вязкого демпфирования |
D |
10 Нс/м |
давление открытия |
2.3 МПа |
|
площадь проходного сечения |
см. рис. 4 |
На рисунке 5 представлена характеристика клапана 4, показывающая зависимость площади проходного сечения при его открытии.
![Рисунок 5. Площадь проходного сечения клапана при его открытии Рисунок 5. Площадь проходного сечения клапана при его открытии](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/f8a/b17/d58/f8ab17d58b22c4012f38ac8cf62880de.png)
Для параметризации модели ииспользуется скрипт, прописываемый в главном окне программы. Фрагмент данного скрипта представлен на рисунке 6.
![Рисунок 6. Фрагмент скрипта задания исходных данных модели Рисунок 6. Фрагмент скрипта задания исходных данных модели](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/4e3/f5e/32f/4e3f5e32f182a517c3efa4ed35acfdcd.png)
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.
![Рисунок 7. Зависимость перемещения поршня амортизатора от прикладываемого усилия Рисунок 7. Зависимость перемещения поршня амортизатора от прикладываемого усилия](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/17b/a0a/d20/17ba0ad2056b3fcb47170234e711ce81.png)
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).
![Рисунок 8. Диаграмма изменения параметров амортизатора при его нагружении
1 - перемещение клапана 4; 2 - перемещение разделительного поршня 9 камеры низкого давления; 3 - перемещение разделительного поршня 8 камеры высокого давления Рисунок 8. Диаграмма изменения параметров амортизатора при его нагружении
1 - перемещение клапана 4; 2 - перемещение разделительного поршня 9 камеры низкого давления; 3 - перемещение разделительного поршня 8 камеры высокого давления](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/89b/9e1/c68/89b9e1c684db354793f937fec0d0258a.png)
![Рисунок 9. Изменение температура газа в полостях амортизатора при его нагружении Рисунок 9. Изменение температура газа в полостях амортизатора при его нагружении](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c13/b90/f64/c13b90f6491d1605d6f00fd4cf06ae42.png)
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.
![Рисунок 10. Переходные процессы перемещения основного поршня и изменения давления в полости D при ступенчатом нагружении амортизатора Рисунок 10. Переходные процессы перемещения основного поршня и изменения давления в полости D при ступенчатом нагружении амортизатора](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/d7d/a02/ea6/d7da02ea6a8c35d273cfb6c8c503f95e.png)
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):
Goron_Dekar
Вот бы ещё корреляции с измеряемыми параметрами. Всегда не могу отделаться от скепсиса в отношении таких подходов к моделированию, хотя умом понимаю ,что модель работать должна.
petuhoff Автор
Так для этого испытания есть, обычно такие модели потом по результатам коректируют. А иногда и вобще создаются по результатам измерений.
petuhoff Автор
Вот здесь пример метолики как модель, по эксперементу настраивают.
Цифровой двойник системы кондиционирования воздуха (СКВ) самолета https://habr.com/p/495622/