L15高教機(jī)液壓脈動(dòng)超標(biāo)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(tuán)，南昌330024）

0 引言

L15飛機(jī)首飛前液壓系統(tǒng)機(jī)上脈動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車(chē)后很短的時(shí)間內(nèi)，第2液壓系統(tǒng)泵出口測(cè)試處出現(xiàn)三次故障：壓力傳感器沖出1次、用于測(cè)試三通接頭斷裂2次。事后分析試驗(yàn)過(guò)程中液壓脈動(dòng)曲線及數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)壓力脈動(dòng)值嚴(yán)重超標(biāo)，從而導(dǎo)致故障發(fā)生。

為此對(duì)YZB-20E液壓泵進(jìn)行裝機(jī)前的地面模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了核實(shí)，同時(shí)將該液壓泵再次安裝在全機(jī)地面模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行0-4000r/min脈動(dòng)掃描，各項(xiàng)表明液壓泵正常，脈動(dòng)數(shù)據(jù)符合要求。

重新回到機(jī)上脈動(dòng)試驗(yàn)上，從實(shí)際脈動(dòng)曲線分析入手，進(jìn)行安裝方式、管路布置、測(cè)試接頭強(qiáng)度調(diào)整等多種方式的嘗試以及反復(fù)的試驗(yàn)對(duì)脈動(dòng)超標(biāo)進(jìn)行了分析與處理。機(jī)上脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試圖如圖1所示。

圖1 脈動(dòng)測(cè)試

液壓泵通過(guò)吸油軟管和自封活門(mén)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(cè)液壓脈動(dòng)為泵出口軟管后脈動(dòng)。根據(jù)航軍標(biāo)要求，液壓系統(tǒng)最大脈動(dòng)值不能超過(guò)系統(tǒng)工作壓力的±10%，高教機(jī)液壓系統(tǒng)工作壓力為21MPa，其最高脈動(dòng)值不能超過(guò)4.2MPa。

1 液壓脈動(dòng)工作原理

由流體力學(xué)可知，流體在管路中運(yùn)動(dòng)時(shí)和管路的相互作用形成阻抗。液壓系統(tǒng)產(chǎn)生液壓脈動(dòng)的根源是泵輸出的脈動(dòng)流量在遇到系統(tǒng)阻抗后產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)。壓力脈動(dòng)會(huì)引起系統(tǒng)的振動(dòng)，當(dāng)泵輸出流量的頻率與管系的固有頻率相等時(shí)形成強(qiáng)烈的脈動(dòng)壓力，使管路系統(tǒng)出現(xiàn)劇烈振動(dòng)。液壓脈動(dòng)對(duì)液壓系統(tǒng)是非常有害的，不僅使系統(tǒng)的動(dòng)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(zāi)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(guān)系式P=Z·Q，脈動(dòng)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(dòng)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(huì)增加液壓系統(tǒng)的脈動(dòng)。

飛機(jī)液壓泵在全機(jī)地面模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)脈動(dòng)符合試驗(yàn)技術(shù)要求，最大脈動(dòng)值△P=3.5MPa，壓力-時(shí)間曲線見(jiàn)圖2所示。

圖2 飛機(jī)泵在全機(jī)地面模擬試驗(yàn)臺(tái)上壓力-時(shí)間曲線

由圖1所示可知，液壓泵通過(guò)自封活門(mén)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(guò)程中吸油順暢，才能保證液壓泵脈動(dòng)流量Q正常。自封活門(mén)對(duì)接中間有一個(gè)O形密封圈，如果O形密封圈發(fā)生損壞，卡在自封活門(mén)對(duì)接部位，將會(huì)造成液壓泵吸油不順暢，同時(shí)使液壓泵輸出流量過(guò)程不順暢，脈動(dòng)流量不穩(wěn)定，液壓脈動(dòng)將可能超標(biāo)。

把飛機(jī)自封活門(mén)拆除檢查，發(fā)現(xiàn)O形密封圈完好，無(wú)磨損或斷裂，將其安裝至地面模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行脈動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明最大液壓脈動(dòng)值△P=3.4MPa，壓力-時(shí)間曲線如圖3所示，液壓泵工作正常，脈動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求?？梢?jiàn)自封活門(mén)在吸油過(guò)程中并沒(méi)有影響液壓泵吸油，同時(shí)液壓泵性能完好，輸出脈動(dòng)流量Q符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 飛機(jī)自封活門(mén)在全機(jī)地面模擬試驗(yàn)臺(tái)上壓力-時(shí)間曲線圖

2.2 機(jī)械震動(dòng)分析

在給定的脈動(dòng)流量激振源下，若系統(tǒng)的阻抗與泵內(nèi)阻抗相等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生諧振造成極大的壓力脈動(dòng)，而管內(nèi)的脈動(dòng)壓力在一定條件下（例如導(dǎo)管彎曲端）會(huì)成為機(jī)械振動(dòng)的激振源。當(dāng)導(dǎo)管的機(jī)械振動(dòng)固有頻率與脈動(dòng)壓力頻率一致時(shí)，就形成機(jī)械共振，如何調(diào)整系統(tǒng)的總阻抗及機(jī)械振動(dòng)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(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的前提。在避開(kāi)諧振方面可用的方法有：改變導(dǎo)管長(zhǎng)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(xì)導(dǎo)管）等等；在避開(kāi)機(jī)械共振方面可從改變導(dǎo)管長(zhǎng)度，卡箍位置和元件固定剛度方面著手，從試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)獲知導(dǎo)管長(zhǎng)度，導(dǎo)管的彎曲程度對(duì)系統(tǒng)的諧振和共振影響最大，改變導(dǎo)管長(zhǎng)度可以調(diào)整諧振點(diǎn)甚至消除諧振，導(dǎo)管彎曲數(shù)越多，共振越厲害，導(dǎo)管盡量避免彎曲。

從故障發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)看，飛機(jī)振動(dòng)強(qiáng)烈，事后檢查強(qiáng)度試驗(yàn)室所測(cè)數(shù)據(jù)，飛機(jī)液壓安裝板振動(dòng)超出設(shè)備量程（150G），液壓泵振動(dòng)50G左右。對(duì)全機(jī)地面模擬試驗(yàn)臺(tái)上液壓泵進(jìn)行零流量脈動(dòng)試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量液壓泵振動(dòng)。測(cè)量結(jié)果顯示液壓泵振動(dòng)為60G左右，脈動(dòng)最大值△P=3.6MPa。壓力傳感器安裝見(jiàn)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(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)。懸臂梁結(jié)構(gòu)中，三通接頭中的A點(diǎn)所受疲勞應(yīng)力最為嚴(yán)重，同時(shí)三通接頭中A點(diǎn)壁厚相對(duì)較小，承受能力較差，因此三通接頭中的A點(diǎn)是整個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)中最為薄弱的環(huán)節(jié)。液壓泵振動(dòng)，同時(shí)脈動(dòng)過(guò)大，當(dāng)導(dǎo)管的機(jī)械振動(dòng)固有頻率與脈動(dòng)壓力頻率一致時(shí)，就形成機(jī)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(diǎn)最為薄弱，當(dāng)出口部分液壓管路的機(jī)械振動(dòng)固有頻率與泵出口的液壓脈動(dòng)壓力頻率一致形成機(jī)械共振時(shí)，可能在三通接頭中A點(diǎn)形成非常大的疲勞應(yīng)力，超出A點(diǎn)壁厚所能承受的最大疲勞強(qiáng)度，使三通接頭A點(diǎn)斷裂，液壓油大量噴出。

減少機(jī)械共振對(duì)飛機(jī)液壓系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)有很大突出作用，可從改變泵出口部分液壓管路、管路長(zhǎng)度、導(dǎo)管彎曲程度和導(dǎo)管彎曲數(shù)著手。同時(shí)選用能耐較高疲勞強(qiáng)度的材料從新制造三通管接頭，替換原用管接頭進(jìn)行脈動(dòng)測(cè)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(dòng)力源的振動(dòng)不傳給液壓導(dǎo)管，因而也降低了噪音；二是降低脈動(dòng)壓力。對(duì)于隔振，由材料力學(xué)可以很容易得出軟管比硬管好這個(gè)結(jié)論，但軟管長(zhǎng)度的選擇對(duì)隔振效果影響最大，若長(zhǎng)度選擇不當(dāng)，將達(dá)不到隔振作用，甚至產(chǎn)生導(dǎo)管的共振；至于降低脈動(dòng)壓力，還不能簡(jiǎn)單下此結(jié)論。

1）軟管和硬管（不銹鋼）對(duì)脈動(dòng)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(gòu)成的系統(tǒng)阻抗將比不銹鋼管構(gòu)成的系統(tǒng)阻抗小661倍，雖然由此帶來(lái)的脈動(dòng)削減不是成正比關(guān)系，但可以肯定軟管能很好地削減脈動(dòng)壓力。

泵出口的脈動(dòng)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(dǎo)管壁的當(dāng)量液容并聯(lián)組成，兩者相比，前者占主導(dǎo)地位。硬管的當(dāng)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(duì)液壓系統(tǒng)脈動(dòng)的影響比硬管要小。

2）軟管長(zhǎng)度對(duì)共振的影響

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

以飛機(jī)液壓系統(tǒng)2系統(tǒng)為例，在全機(jī)地面模擬試驗(yàn)臺(tái)上2系統(tǒng)安裝YZB－20E液壓泵，進(jìn)行零流量0－4000r/min脈動(dòng)掃描，掃描結(jié)果表明最大脈動(dòng)值△P=3.5Mpa，壓力－時(shí)間曲線見(jiàn)圖5。

圖5 2系統(tǒng)在全機(jī)地面模擬試驗(yàn)臺(tái)上壓力-時(shí)間曲線

為了考證液壓軟管長(zhǎng)度對(duì)脈動(dòng)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(jìn)行脈動(dòng)掃描，掃描結(jié)果表明最大脈動(dòng)值△P=2Mpa，壓力－時(shí)間曲線見(jiàn)圖6。

圖6 2系統(tǒng)軟管加長(zhǎng)在全機(jī)地面模擬試驗(yàn)臺(tái)上壓力-時(shí)間曲線圖

3）軟管結(jié)構(gòu)和安裝方式對(duì)共振的影響

導(dǎo)管的彎曲程度和彎曲數(shù)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械共振和諧振，過(guò)大的機(jī)械共振和諧振會(huì)嚴(yán)重影響液壓脈動(dòng)，為了減少機(jī)械共振，可從改變導(dǎo)管長(zhǎng)度，卡箍位置和元件固定剛度方面著手，同時(shí)導(dǎo)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(gòu)成的系統(tǒng)阻抗將比硬管（不銹鋼）構(gòu)成的系統(tǒng)小很多，能夠很好的削減脈動(dòng)壓力。軟管在安裝過(guò)程中應(yīng)盡量保持其彈性，需留有適當(dāng)?shù)目臻g使導(dǎo)管彈性變形，即導(dǎo)管安裝好后要有適當(dāng)?shù)膹澢?，而不能?qiáng)行使其變直，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(jī)降低脈動(dòng)壓力措施

由于高教機(jī)需保證首飛，在現(xiàn)有條件下我們采取了以下措施：

1）試驗(yàn)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(dǎo)管全部重新取樣，盡量避免導(dǎo)管彎曲和減少導(dǎo)管彎曲數(shù)，以減少機(jī)械共振。

3）選用能耐較高疲勞強(qiáng)度的材料從新制造三通管接頭，替換原用管接頭進(jìn)行脈動(dòng)測(cè)量。

4）增加與軟管連接的導(dǎo)管長(zhǎng)度，保證軟管適當(dāng)彎曲。

5）取消泵出口導(dǎo)管與框板之間的固定，釋放導(dǎo)管的安裝應(yīng)力，減少與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生耦合振動(dòng)的可能性。

采取以上措施后，液壓脈動(dòng)壓力控制在規(guī)定范圍內(nèi)（4.2Mpa），保證了06架高教機(jī)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(yàn)證明緩沖瓶能在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)脈動(dòng)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(diǎn)，甚至消除諧振。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)液壓傳輸理論，液壓脈動(dòng)最嚴(yán)重區(qū)域?yàn)楸迷粗笠粋€(gè)波長(zhǎng)的范圍內(nèi)，而泵至油慮這一區(qū)段正是我們最為關(guān)心的區(qū)域。而對(duì)于液壓系統(tǒng)的諧振，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和液體壓縮性使內(nèi)因，泵的流量脈動(dòng)是外因，所以在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)使其固有頻率盡量避開(kāi)激振能量較大的區(qū)域。

[1]邱義林,趙厚恩等.飛機(jī)液壓系統(tǒng)脈沖試驗(yàn)技術(shù)研究課題總結(jié),2007.

[2]卜炎.中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典.江西：江西科學(xué)技術(shù)出版社,2002..

[3]王細(xì)洋.航空概論.北京:航空工業(yè)出版社,2004.