L15高教機液壓脈動超標原因分析及解決方法

程仁豐，王小峰，印正峰

（洪都航空工業(yè)集團，南昌330024）

0 引言

L15飛機首飛前液壓系統(tǒng)機上脈動試驗過程中，在發(fā)動機開車后很短的時間內(nèi)，第2液壓系統(tǒng)泵出口測試處出現(xiàn)三次故障：壓力傳感器沖出1次、用于測試三通接頭斷裂2次。事后分析試驗過程中液壓脈動曲線及數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)壓力脈動值嚴重超標，從而導致故障發(fā)生。

為此對YZB-20E液壓泵進行裝機前的地面模擬試驗數(shù)據(jù)進行了核實，同時將該液壓泵再次安裝在全機地面模擬試驗臺上進行0-4000r/min脈動掃描，各項表明液壓泵正常，脈動數(shù)據(jù)符合要求。

重新回到機上脈動試驗上，從實際脈動曲線分析入手，進行安裝方式、管路布置、測試接頭強度調(diào)整等多種方式的嘗試以及反復的試驗對脈動超標進行了分析與處理。機上脈動試驗測試圖如圖1所示。

圖1 脈動測試

液壓泵通過吸油軟管和自封活門從液壓油箱吸油，由泵出口軟管、單向閥、泵出口油濾和蓄壓器給系統(tǒng)供壓，傳感器接頭在泵出口軟管后，所測液壓脈動為泵出口軟管后脈動。根據(jù)航軍標要求，液壓系統(tǒng)最大脈動值不能超過系統(tǒng)工作壓力的±10%，高教機液壓系統(tǒng)工作壓力為21MPa，其最高脈動值不能超過4.2MPa。

1 液壓脈動工作原理

由流體力學可知，流體在管路中運動時和管路的相互作用形成阻抗。液壓系統(tǒng)產(chǎn)生液壓脈動的根源是泵輸出的脈動流量在遇到系統(tǒng)阻抗后產(chǎn)生的壓力脈動。壓力脈動會引起系統(tǒng)的振動，當泵輸出流量的頻率與管系的固有頻率相等時形成強烈的脈動壓力，使管路系統(tǒng)出現(xiàn)劇烈振動。液壓脈動對液壓系統(tǒng)是非常有害的，不僅使系統(tǒng)的動態(tài)特性變劣，影響元件壽命和系統(tǒng)工作，甚至產(chǎn)生共振或諧振使系統(tǒng)元件損壞，甚至使系統(tǒng)陷入癱瘓和產(chǎn)生災難性事故。

2 故障分析

2.1 系統(tǒng)輸入壓力分析

系統(tǒng)入口外的壓力、流量和輸入阻抗之間的有關系式P=Z·Q，脈動流量Q主要取決于油泵特性，在Q一定的情況下系統(tǒng)中壓力脈動幅值的大小取決于系統(tǒng)的輸入阻抗。改變系統(tǒng)的輸入阻抗或由外界因素影響輸入阻抗將會增加液壓系統(tǒng)的脈動。

飛機液壓泵在全機地面模擬試驗臺上進行試驗時脈動符合試驗技術要求，最大脈動值△P=3.5MPa，壓力-時間曲線見圖2所示。

圖2 飛機泵在全機地面模擬試驗臺上壓力-時間曲線

由圖1所示可知，液壓泵通過自封活門吸油才能給液壓系統(tǒng)供壓，液壓泵工作正常必須保證吸油過程中吸油順暢，才能保證液壓泵脈動流量Q正常。自封活門對接中間有一個O形密封圈，如果O形密封圈發(fā)生損壞，卡在自封活門對接部位，將會造成液壓泵吸油不順暢，同時使液壓泵輸出流量過程不順暢，脈動流量不穩(wěn)定，液壓脈動將可能超標。

把飛機自封活門拆除檢查，發(fā)現(xiàn)O形密封圈完好，無磨損或斷裂，將其安裝至地面模擬試驗臺上進行脈動試驗，試驗結果表明最大液壓脈動值△P=3.4MPa，壓力-時間曲線如圖3所示，液壓泵工作正常，脈動符合標準要求。可見自封活門在吸油過程中并沒有影響液壓泵吸油，同時液壓泵性能完好，輸出脈動流量Q符合設計要求。

圖3 飛機自封活門在全機地面模擬試驗臺上壓力-時間曲線圖

2.2 機械震動分析

在給定的脈動流量激振源下，若系統(tǒng)的阻抗與泵內(nèi)阻抗相等時，會產(chǎn)生諧振造成極大的壓力脈動，而管內(nèi)的脈動壓力在一定條件下（例如導管彎曲端）會成為機械振動的激振源。當導管的機械振動固有頻率與脈動壓力頻率一致時，就形成機械共振，如何調(diào)整系統(tǒng)的總阻抗及機械振動固有頻率使系統(tǒng)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不發(fā)生共振，是設計液壓系統(tǒng)的前提。在避開諧振方面可用的方法有：改變導管長度，改變泵出口附近的容積（如加裝油慮），采用阻尼管（泵的附近接入一段較細導管）等等；在避開機械共振方面可從改變導管長度，卡箍位置和元件固定剛度方面著手，從試驗經(jīng)驗獲知導管長度，導管的彎曲程度對系統(tǒng)的諧振和共振影響最大，改變導管長度可以調(diào)整諧振點甚至消除諧振，導管彎曲數(shù)越多，共振越厲害，導管盡量避免彎曲。

從故障發(fā)生現(xiàn)場看，飛機振動強烈，事后檢查強度試驗室所測數(shù)據(jù)，飛機液壓安裝板振動超出設備量程（150G），液壓泵振動50G左右。對全機地面模擬試驗臺上液壓泵進行零流量脈動試驗，同時測量液壓泵振動。測量結果顯示液壓泵振動為60G左右，脈動最大值△P=3.6MPa。壓力傳感器安裝見圖4。

圖4 壓力傳感器安裝

從圖4可知：壓力傳感器安裝在三通接頭上，形成一個懸臂梁結構。懸臂梁結構中，三通接頭中的A點所受疲勞應力最為嚴重，同時三通接頭中A點壁厚相對較小，承受能力較差，因此三通接頭中的A點是整個懸臂梁結構中最為薄弱的環(huán)節(jié)。液壓泵振動，同時脈動過大，當導管的機械振動固有頻率與脈動壓力頻率一致時，就形成機械共振。泵出口部分液壓管路系統(tǒng)中壓力傳感器三通接頭中A點最為薄弱，當出口部分液壓管路的機械振動固有頻率與泵出口的液壓脈動壓力頻率一致形成機械共振時，可能在三通接頭中A點形成非常大的疲勞應力，超出A點壁厚所能承受的最大疲勞強度，使三通接頭A點斷裂，液壓油大量噴出。

減少機械共振對飛機液壓系統(tǒng)和結構有很大突出作用，可從改變泵出口部分液壓管路、管路長度、導管彎曲程度和導管彎曲數(shù)著手。同時選用能耐較高疲勞強度的材料從新制造三通管接頭，替換原用管接頭進行脈動測量。

2.3 液壓泵出口軟管分析

在泵的輸出端接一段軟管：一是隔振，可以使油泵及其動力源的振動不傳給液壓導管，因而也降低了噪音；二是降低脈動壓力。對于隔振，由材料力學可以很容易得出軟管比硬管好這個結論，但軟管長度的選擇對隔振效果影響最大，若長度選擇不當，將達不到隔振作用，甚至產(chǎn)生導管的共振；至于降低脈動壓力，還不能簡單下此結論。

1）軟管和硬管（不銹鋼）對脈動的影響

軟管與硬管相比較，軟管的彈性與硬管相比相差很大，在管端容積相同的情況下，由軟管構成的系統(tǒng)阻抗將比不銹鋼管構成的系統(tǒng)阻抗小661倍，雖然由此帶來的脈動削減不是成正比關系，但可以肯定軟管能很好地削減脈動壓力。

泵出口的脈動壓力取決于系統(tǒng)的輸入阻抗，管路的輸入阻抗主要受液容影響。管路的液容是由工作介質(zhì)液容和導管壁的當量液容并聯(lián)組成，兩者相比，前者占主導地位。硬管的當量容積模數(shù)是油液的12倍多，故其合成的有效容積模數(shù)接近油液的容積模數(shù)，所以在統(tǒng)同一轉(zhuǎn)速下，軟管對液壓系統(tǒng)脈動的影響比硬管要小。

2）軟管長度對共振的影響

在同等條件下接入一段軟管對隔振是有益的，但軟管材料、直徑大小、長短等等不同，它的頻率特性也各不相同。其中尤以軟管長度選擇最為關鍵，若長度選擇不當，將達不到削減脈動壓力的作用，甚至相反產(chǎn)生導管共振。

以飛機液壓系統(tǒng)2系統(tǒng)為例，在全機地面模擬試驗臺上2系統(tǒng)安裝YZB－20E液壓泵，進行零流量0－4000r/min脈動掃描，掃描結果表明最大脈動值△P=3.5Mpa，壓力－時間曲線見圖5。

圖5 2系統(tǒng)在全機地面模擬試驗臺上壓力-時間曲線

為了考證液壓軟管長度對脈動的影響，在2系統(tǒng)軟管后面連接1系統(tǒng)軟管，在同樣的條件下進行脈動掃描，掃描結果表明最大脈動值△P=2Mpa，壓力－時間曲線見圖6。

圖6 2系統(tǒng)軟管加長在全機地面模擬試驗臺上壓力-時間曲線圖

3）軟管結構和安裝方式對共振的影響

導管的彎曲程度和彎曲數(shù)會產(chǎn)生機械共振和諧振，過大的機械共振和諧振會嚴重影響液壓脈動，為了減少機械共振，可從改變導管長度，卡箍位置和元件固定剛度方面著手，同時導管盡量避免彎曲。因此軟管的兩端盡量避免有彎接頭，特別是90度彎曲。

軟管由其本身特性有彈性變形，在管端容積相同的情況下，由軟管構成的系統(tǒng)阻抗將比硬管（不銹鋼）構成的系統(tǒng)小很多，能夠很好的削減脈動壓力。軟管在安裝過程中應盡量保持其彈性，需留有適當?shù)目臻g使導管彈性變形，即導管安裝好后要有適當?shù)膹澢荒軓娦惺蛊渥冎?，減少其彈性。軟管正確安裝如圖7所示。

圖7 軟管正確安裝

3 高教機降低脈動壓力措施

由于高教機需保證首飛，在現(xiàn)有條件下我們采取了以下措施：

1）試驗前，觀察液壓油箱增壓是否正常，保證有充足的氣壓。

2）把泵出口至油慮部分液壓導管全部重新取樣，盡量避免導管彎曲和減少導管彎曲數(shù)，以減少機械共振。

3）選用能耐較高疲勞強度的材料從新制造三通管接頭，替換原用管接頭進行脈動測量。

4）增加與軟管連接的導管長度，保證軟管適當彎曲。

5）取消泵出口導管與框板之間的固定，釋放導管的安裝應力，減少與結構產(chǎn)生耦合振動的可能性。

采取以上措施后，液壓脈動壓力控制在規(guī)定范圍內(nèi)（4.2Mpa），保證了06架高教機順利首飛。

4 建議

1）將軟管兩端彎接頭取消，改成直通接頭。

2）選用跟系統(tǒng)匹配的緩沖瓶，試驗證明緩沖瓶能在一個較寬的頻率范圍內(nèi)對脈動均有削減作用。

3）改變油慮的容量和安裝位置，可以調(diào)整諧振點，甚至消除諧振。

5 結語

根據(jù)液壓傳輸理論，液壓脈動最嚴重區(qū)域為泵源之后一個波長的范圍內(nèi)，而泵至油慮這一區(qū)段正是我們最為關心的區(qū)域。而對于液壓系統(tǒng)的諧振，系統(tǒng)結構和液體壓縮性使內(nèi)因，泵的流量脈動是外因，所以在設計液壓系統(tǒng)時，應使其固有頻率盡量避開激振能量較大的區(qū)域。

[1]邱義林,趙厚恩等.飛機液壓系統(tǒng)脈沖試驗技術研究課題總結,2007.

[2]卜炎.中國機械設計大典.江西：江西科學技術出版社,2002..

[3]王細洋.航空概論.北京:航空工業(yè)出版社,2004.