淺談飛機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的壓力沖擊問題

高鋒

【摘 要】在飛機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，減少系統(tǒng)中的壓力沖擊，對(duì)于提高飛機(jī)的操縱品質(zhì)和安全性具有重要意義。本文整理了飛機(jī)液壓系統(tǒng)壓力沖擊抑制設(shè)計(jì)需求來源，分析了飛機(jī)液壓系統(tǒng)壓力沖擊的產(chǎn)生機(jī)理，并給出了抑制壓力沖擊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī)液壓系統(tǒng)；壓力沖擊；分析

0 引言

液壓系統(tǒng)為飛機(jī)飛控系統(tǒng)、高升力系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)等系統(tǒng)提供液壓能作為動(dòng)力，是現(xiàn)代大型軍用和民用飛機(jī)中不可或缺的系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的壓力作為其關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)用戶系統(tǒng)的正常操縱有重大影響。因此，在飛機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，減少系統(tǒng)中的壓力沖擊，對(duì)于提高飛機(jī)的操縱品質(zhì)和安全性，具有重要意義。

1 需求來源

1.1 適航條款要求

對(duì)于民用飛機(jī)設(shè)計(jì)，滿足適航條款規(guī)定是基本要求。在CCAR25.1435c（2）液壓系統(tǒng)中，要求“每個(gè)液壓系統(tǒng)必須”“具有確保系統(tǒng)壓力在每一元件的設(shè)計(jì)容量之內(nèi)的措施，以滿足CCAR25.1435（a）（1）至（a）（5）的要求。系統(tǒng)壓力包括瞬態(tài)壓力和由于元件內(nèi)流體體積變化造成的壓力，該元件能夠在變化發(fā)生時(shí)保持密閉足夠長的時(shí)間過程”[1]。

因此液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需避免過大的壓力沖擊，保證系統(tǒng)內(nèi)部和用戶所有元件都在設(shè)計(jì)正常工作壓力范圍內(nèi)工作。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期需確定系統(tǒng)規(guī)范，其中包括對(duì)系統(tǒng)正常壓力范圍和最大壓力沖擊的規(guī)定。該規(guī)范作為整個(gè)系統(tǒng)及元件的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，其中規(guī)定的壓力沖擊范圍必需保證，以避免設(shè)計(jì)過程中反復(fù)更改，影響項(xiàng)目進(jìn)度。

1.3 液壓系統(tǒng)用戶要求

飛機(jī)設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)大型系統(tǒng)工程，在設(shè)計(jì)中是分為許多工作包并行開展的。在設(shè)計(jì)初期，液壓系統(tǒng)用戶會(huì)與液壓系統(tǒng)確定雙方分界面處的壓力沖擊范圍作為設(shè)計(jì)依據(jù)。該要求也是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須保證的[2]。

2 產(chǎn)生機(jī)理分析

飛機(jī)液壓系統(tǒng)壓力沖擊主要來自泵源和用戶動(dòng)作，在壓力沖擊的傳遞過程中，又會(huì)受到管路、油濾、閥、蓄壓器等系統(tǒng)元件的影響，呈現(xiàn)復(fù)雜的特性。下面根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理不同，對(duì)各種壓力沖擊產(chǎn)生機(jī)理和傳遞過程進(jìn)行分析。

2.1 泵的壓力沖擊

飛機(jī)液壓系統(tǒng)一般選用柱塞泵作為主要泵源。流量脈動(dòng)是柱塞泵的固有特性。在柱塞泵及其附近的管路中，柱塞泵流量脈動(dòng)產(chǎn)生的壓力沖擊占主導(dǎo)地位。其壓力沖擊頻率與流量脈動(dòng)頻率相同，在相應(yīng)液壓泵工作過程中持續(xù)存在，呈現(xiàn)高頻持續(xù)沖擊的特性[3-6]。

在傳遞過程中，泵產(chǎn)生壓力沖擊受到管路振動(dòng)特性和外部振動(dòng)（如發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)）的影響。由于油濾的高阻抗，泵產(chǎn)生的壓力沖擊在油濾中衰減明顯。在油濾之后的管路中，泵產(chǎn)生的壓力沖擊已經(jīng)很難測(cè)量到。

2.2 用戶動(dòng)作產(chǎn)生的壓力沖擊

液壓系統(tǒng)用戶動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生流量需求，相應(yīng)會(huì)產(chǎn)生壓力波動(dòng)。對(duì)于飛控系統(tǒng)和高升力系統(tǒng)，其作動(dòng)器廣泛采用伺服控制，其產(chǎn)生的壓力沖擊為作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)過程中反復(fù)的高頻沖擊。對(duì)于起落架系統(tǒng)，其選擇閥打開會(huì)造成瞬時(shí)的大流量，對(duì)液壓系統(tǒng)會(huì)造成瞬時(shí)壓力沖擊。

在用戶壓力沖擊向系統(tǒng)傳遞的過程中，壓力沖擊會(huì)與系統(tǒng)中的管路、優(yōu)先閥、蓄壓器、油濾等發(fā)生作用，最終將壓力沖擊傳遞至液壓系統(tǒng)的恒壓變量泵，引起柱塞泵流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的變化，響應(yīng)用戶流量的變化。在液壓系統(tǒng)中，這種壓力沖擊整體呈現(xiàn)靠近用戶端壓力沖擊幅度大，而泵端壓力沖擊幅度小的特性。

對(duì)于飛控系統(tǒng)和高升力系統(tǒng)，其作動(dòng)器廣泛采用伺服控制，伺服閥在收到控制指令后，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)大流量需求，流量需求在系統(tǒng)中形成壓力沖擊。由于伺服閥響應(yīng)很快，可以在短時(shí)間反復(fù)改變流量需求，造成多組變化壓力沖擊。而液壓系統(tǒng)由于管路和元件的存在及泵流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的固有頻率限制，不能實(shí)時(shí)響應(yīng)壓力沖擊。在極端不利的條件下，會(huì)造成壓力沖擊在系統(tǒng)內(nèi)反復(fù)震蕩得到加強(qiáng)，超出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)范圍。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意以下設(shè)計(jì)要點(diǎn)，避免壓力沖擊影響系統(tǒng)性能。

3.1 液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需對(duì)系統(tǒng)主要用戶和系統(tǒng)中主要元件的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)壓力沖擊超出設(shè)計(jì)值。

對(duì)于液壓泵附近的管路，需合理設(shè)計(jì)壓力、吸油和殼體回油管路的長度和管夾布置，使管路各段的固有頻率表避開液壓泵流量脈動(dòng)頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率。柱塞泵流量脈動(dòng)頻率與柱塞泵的柱塞數(shù)和轉(zhuǎn)速有關(guān)。因此在設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)在管路初步設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算液壓泵至油濾間各段管路的固有頻率，并按照各飛行階段中柱塞泵工況計(jì)算流量脈動(dòng)的頻率，使固有頻率避開流量脈動(dòng)基頻和倍頻[7-10]。

對(duì)于液壓系統(tǒng)用戶流量需求變化造成的液壓沖擊，首先應(yīng)當(dāng)提高柱塞泵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，保證在各用戶流量需求出現(xiàn)同向變化的不利情況下，能夠及時(shí)提夠足夠的流量變化。在保證液壓泵具有足夠的流量調(diào)節(jié)能力后，需核算壓力沖擊傳遞過程中管路、優(yōu)先閥、蓄壓器和泵的響應(yīng)速度，避免在壓力沖擊傳遞過程中出現(xiàn)振蕩。

3.2 原理性試驗(yàn)臺(tái)的早期設(shè)計(jì)驗(yàn)證

由于液壓系統(tǒng)壓力沖擊產(chǎn)生和傳遞機(jī)理的復(fù)雜性，僅靠分析和仿真并不能完全暴露設(shè)計(jì)問題。因此在液壓系統(tǒng)原理性試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)規(guī)劃中，需進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，驗(yàn)證液壓系統(tǒng)實(shí)際產(chǎn)生的壓力沖擊在正常范圍內(nèi)，確保項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

4 結(jié)語

飛機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力作為其關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)用戶系統(tǒng)的正常操縱有重大影響。在飛機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，減少系統(tǒng)中的壓力沖擊，對(duì)于提高飛機(jī)的操縱品質(zhì)和安全性，具有重要意義。在飛機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，合理的選取液壓系統(tǒng)壓力沖擊范圍，才能在滿足適航條款和各系統(tǒng)要求的前提下，在重量、布置、性能等方面得到良好的效果。對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的合理設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，是保證飛機(jī)液壓系統(tǒng)壓力沖擊滿足設(shè)計(jì)要求的必要措施。

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[責(zé)任編輯：王楠]