民用小型飛機(jī)地面液壓保障拖車液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

魏曉斌，韓固勇，楊學(xué)光

(空軍勤務(wù)學(xué)院航材四站系，江蘇徐州221000)

目前，我國(guó)民用直升機(jī)和民用小型飛機(jī)(以下均簡(jiǎn)稱“小型機(jī)”)的發(fā)展呈現(xiàn)日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而與之配套的地面保障設(shè)備和實(shí)施還未完全形成，大部分仍然采用保障大飛機(jī)的地面保障設(shè)備和實(shí)施。而現(xiàn)有的航空地面保障設(shè)備和設(shè)施結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在性能不能完全滿足小型機(jī)保障需求的問題，其中就包括液壓保障。文中研究的地面液壓保障拖車主要擔(dān)負(fù)對(duì)民用直升機(jī)和民用小型飛機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行檢查以及液壓油檢測(cè)、保障，主要是針對(duì)小型機(jī)地面液壓保障需求，對(duì)液壓保障拖車液壓系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，提升小型機(jī)保障效率。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 小型機(jī)對(duì)地面液壓保障拖車的需求

小型機(jī)在地面進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)往往處于停機(jī)狀態(tài)。在此情況下，為了檢查飛機(jī)起落架收放、機(jī)翼活動(dòng)、減速板震動(dòng)、液壓系統(tǒng)的密封性和循環(huán)工作等情況，需要液壓保障拖車提供液壓保障。液壓保障拖車與小型機(jī)液壓系統(tǒng)對(duì)接，向小型機(jī)液壓系統(tǒng)提供一定壓力、流量、溫度和固體顆粒污染度的液壓源，以滿足檢查小型機(jī)液壓系統(tǒng)的工作狀況、密封性和強(qiáng)度的要求。因此，液壓保障拖車也可以看作是一個(gè)向飛機(jī)液壓系統(tǒng)提供液壓能源的地面液壓站，主要需求包括以下3 個(gè)方面:

(1)完成飛機(jī)液壓系統(tǒng)及其相關(guān)裝置的功能和性能檢測(cè);

(2)凈化飛機(jī)液壓系統(tǒng);

(3)為飛機(jī)補(bǔ)充加注航空液壓油。

1.2 液壓保障拖車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

針對(duì)液壓保障拖車的工作特點(diǎn)和需求，為達(dá)到最佳的保障效率和經(jīng)濟(jì)效益，液壓保障拖車液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下原則:

(1)需求性原則。滿足小型機(jī)需求是設(shè)計(jì)的首要點(diǎn)，保障率是其第一考量。液壓保障拖車液壓系統(tǒng)運(yùn)行情況直接影響著小型機(jī)液壓系統(tǒng)的地面檢測(cè)，從而影響小型機(jī)的飛行安全。因此，該液壓系統(tǒng)必須能滿足小型機(jī)液壓系統(tǒng)對(duì)地面液壓能源的基本需求，并且能夠在一定惡劣條件下保持良好的工作特性。

(2)經(jīng)濟(jì)性原則。為在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試制、批量生產(chǎn)和使用、維護(hù)中創(chuàng)造出最大的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)選擇性價(jià)比較高的設(shè)備單元，采用大量的通用件、標(biāo)準(zhǔn)件，從而有效地降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短試驗(yàn)的時(shí)間和制造周期，降低試驗(yàn)費(fèi)用和生產(chǎn)費(fèi)用。

(3)機(jī)動(dòng)靈活性原則。為使小型機(jī)液壓保障設(shè)備可移動(dòng)，便于隨時(shí)、隨地進(jìn)行機(jī)動(dòng)保障，將設(shè)備設(shè)計(jì)成拖車的形式。因此，選用的元件應(yīng)性能可靠、體積小、質(zhì)量輕。

(4)產(chǎn)品質(zhì)量原則。小型機(jī)對(duì)地面液壓能源的要求較高，對(duì)液壓保障拖車液壓系統(tǒng)輸出油液的壓力、流量、固體顆粒污染度和溫度等都有具體的規(guī)定，產(chǎn)品的總體質(zhì)量應(yīng)能滿足小型機(jī)的需要。

(5)安全性原則。液壓保障拖車工作條件復(fù)雜多變，負(fù)載變化和沖擊振動(dòng)大，對(duì)于其液壓系統(tǒng)要求有良好的過載保護(hù)措施，防止過載和因外負(fù)載沖擊對(duì)各個(gè)液壓作用元件的損傷。

2 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)性能參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 液壓系統(tǒng)輸出功能

根據(jù)小型機(jī)對(duì)地面液壓保障的需求，文中設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)將具有以下3 種輸出功能:

(1)供壓。與小型機(jī)對(duì)接，向液壓系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力源，滿足飛機(jī)液壓系統(tǒng)檢查需要。

(2)清洗。為使小型機(jī)液壓系統(tǒng)保持一定的清潔度，需要液壓保障拖車對(duì)其進(jìn)行清洗。因此，液壓保障拖車中的油過濾器過濾精度應(yīng)高于小型機(jī)液壓系統(tǒng)中油過濾器的過濾精度，否則將變成小型機(jī)清洗液壓保障拖車的液壓系統(tǒng)。

(3)加油。當(dāng)小型機(jī)液壓系統(tǒng)油液偏少時(shí)，液壓保障拖車可以對(duì)其加注液壓油。

此外，液壓系統(tǒng)還應(yīng)具備自循環(huán)功能。液壓保障拖車在與小型機(jī)對(duì)接前，要求先進(jìn)行自循環(huán)，以便排除液壓系統(tǒng)中的空氣、過濾油液中可能存在的污染物，保證油液的清潔度。

2.1.2 液壓系統(tǒng)主要性能參數(shù)

為滿足小型機(jī)對(duì)地面液壓保障的需求，并適當(dāng)留有輸出余量，文中確定小型機(jī)航空地面液壓保障設(shè)備液壓系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

輸出壓力:0 ～40 MPa (連續(xù)可調(diào));

輸出流量:0 ～30 L/min (連續(xù)可調(diào));

油液工作溫度:≤80 ℃;

油液固體顆粒污染度:優(yōu)于GJB420B-6 級(jí);

工作介質(zhì):15 號(hào)航空液壓油。

2.2 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.2.1設(shè)計(jì)思路

為使液壓保障拖車具有良好的工作性能，且體積較小，現(xiàn)有兩點(diǎn)設(shè)計(jì)思路將作為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要參考:

(1)采用散熱器旁路設(shè)計(jì)。散熱器安裝在調(diào)壓回油的旁路上，該處是全液壓系統(tǒng)溫度最高點(diǎn)。與安裝在主回路相比，采用旁路設(shè)置，不僅可以有效降低系統(tǒng)油溫，而且也降低了回油阻力，使油液及時(shí)回到油箱。

(2)一個(gè)液壓泵完成多種工作模式?，F(xiàn)有的液壓保障裝備主要是為有人飛機(jī)提供液壓保障，其輸出流量較大，因此采用了一個(gè)低壓泵和一個(gè)高壓泵的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而文中設(shè)計(jì)的保障設(shè)備輸出流量較小，在設(shè)計(jì)上可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)液壓泵完成多種輸出功能。所以，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，使保障設(shè)備小型化，文中設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)將采用一個(gè)液壓泵完成多種工作模式。

綜合以上兩點(diǎn)，液壓保障拖車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如圖1 所示。

圖1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路示意圖

根據(jù)設(shè)備輸出功能及相關(guān)性能參數(shù)，制定了兩個(gè)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案:方案一以泵控方式為主，即采用容積節(jié)流調(diào)速回路;方案二在節(jié)流調(diào)速回路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上采用閥控與變頻調(diào)速的復(fù)合調(diào)速方式。

2.2.2 方案一

該方案主要采用以DFR1 變量柱塞泵為液壓動(dòng)力源的容積節(jié)流調(diào)速回路設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)串聯(lián)在液壓泵出口的流量控制閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出流量，調(diào)節(jié)遙控比例溢流閥控制系統(tǒng)輸出壓力，方案設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 液壓系統(tǒng)流程示意圖

該方案的工作流程為:

(1)自循環(huán)。液壓保障設(shè)備在與小型機(jī)對(duì)接前，先進(jìn)行自循環(huán)，以便排除液壓系統(tǒng)中的空氣，并過濾油液中可能存在的污染物，保證油液的清潔度。其主要流程為油液從油箱出發(fā)，經(jīng)二位四通換向球閥進(jìn)入柱塞泵，然后流經(jīng)單向閥、油過濾器等，通過溢流閥8 和散熱器回到主回油路完成循環(huán)。

(2)供壓模式。在供壓模式下，系統(tǒng)處于閉式狀態(tài)，從小型機(jī)回流的油液直接進(jìn)入柱塞泵，升壓后經(jīng)過油過濾器、高壓活門返回到小型機(jī)液壓系統(tǒng)。DFR1 變量泵可根據(jù)小型機(jī)負(fù)載所需的壓力和流量自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出壓力和流量，此時(shí)的溢流閥8 作為安全閥，當(dāng)系統(tǒng)壓力過高時(shí)，溢流閥打開，油液經(jīng)溢流閥直接返回，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)卸荷。

(3)清洗模式。設(shè)備在供壓模式下通過油過濾器即可清洗液壓系統(tǒng)，為了更徹底地清洗液壓系統(tǒng)油液，可以將低壓活門通過油管與小型機(jī)相應(yīng)的回油活門對(duì)接，使小型機(jī)上的油液經(jīng)二位四通換向球閥回到設(shè)備油箱，然后，液壓保障設(shè)備再進(jìn)行自循環(huán)將油液清洗干凈，最后，通過加油模式將油液返回小型機(jī)液壓系統(tǒng)。

(4)加油模式。當(dāng)小型機(jī)液壓系統(tǒng)油液偏少時(shí)，液壓保障設(shè)備可以對(duì)其進(jìn)行加油。將低壓活門與小型機(jī)相應(yīng)的回油活門對(duì)接，液壓保障設(shè)備開啟后，油液從油箱出發(fā)，進(jìn)入柱塞泵，通過溢流閥(截止閥打開)，從低壓活門進(jìn)入到小型機(jī)液壓系統(tǒng)。為防止飛機(jī)油箱液壓油進(jìn)入設(shè)備油箱，設(shè)備油箱進(jìn)口處安裝了背壓閥。

2.2.3 方案二

方案二以節(jié)流調(diào)速回路設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用閥控調(diào)速與變頻調(diào)速組成的復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)。變頻器與普通電機(jī)組成的系統(tǒng)動(dòng)力源可以初步調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，而高精度的流量控制則通過調(diào)節(jié)串聯(lián)在供壓回路的比例調(diào)速閥來實(shí)現(xiàn);與液壓泵并聯(lián)的比例溢流閥用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出壓力。該方案的最大優(yōu)點(diǎn)是控制精度較高，同時(shí)，由于采用液壓變頻技術(shù)，系統(tǒng)功率損失也較小。方案設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 液壓系統(tǒng)流程示意圖

該方案的工作流程為:

(1)自循環(huán)。自循環(huán)模式中，油液從油箱出發(fā)，經(jīng)過液壓泵升壓，依次流經(jīng)單向閥、高壓油過濾組、比例溢流閥、散熱器、低壓油過濾器，最后回到油箱，完成自循環(huán)。在完成自循環(huán)的同時(shí)，比例溢流閥調(diào)節(jié)回路壓力，一部分油液通過比例溢流閥流經(jīng)散熱器后回到主回路當(dāng)中，完成旁路的循環(huán)工作。

(2)供壓模式。供壓模式中，二位三通閥處于圖中下位工作。油液從油箱出發(fā)，經(jīng)過液壓泵升壓，依次流經(jīng)單向閥、高壓油過濾組、比例流量控制閥，經(jīng)高壓活門進(jìn)入小型機(jī)液壓系統(tǒng);從小型機(jī)液壓系統(tǒng)回流的油液經(jīng)低壓活門進(jìn)入設(shè)備液壓系統(tǒng)中，經(jīng)二位三通閥和低壓油過濾器回到油箱中。供壓模式中，通過控制變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)液壓泵輸出流量，通過調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥和溢流閥精確控制系統(tǒng)輸出的流量和壓力。

(3)清洗模式。清洗模式的油液循環(huán)和供壓模式相同，唯一不同的是，清洗過程中系統(tǒng)輸出的流量更大，而且是變流量，輸出壓力則比供壓模式小。通過不斷的循環(huán)，使油液中的顆粒物被油過濾器過濾下來，達(dá)到清洗小型機(jī)液壓系統(tǒng)的目的。

(4)加油模式。加油模式中，二位三通閥處于上位工作。油液從油箱出發(fā)，經(jīng)過液壓泵升壓，依次流經(jīng)單向閥、高壓油過濾組、比例流量控制閥和二位三通閥，最后經(jīng)低壓活門進(jìn)入到小型機(jī)液壓系統(tǒng)的油箱中。

3 方案的比較與選擇

上述兩種設(shè)計(jì)方案采用的流量控制方式有所不同，液壓系統(tǒng)性能比較見表1。

表1 兩種方案性能比較

方案一采用泵控方式，選擇具有負(fù)載敏感特點(diǎn)的DFR1 型液壓泵，該泵能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出壓力和流量的雙重控制，其輸出流量只與流量控制閥的開度有關(guān)，而不受負(fù)載速度變化的影響。采用DFR1 泵，除了流量控制閥有一定的壓降外，基本沒有其他節(jié)流和溢流損失，系統(tǒng)效率高、發(fā)熱少。但DFR1 泵的流量控制效果比壓力控制差，控制精度沒有閥控高。另外，包括DFR1 泵在內(nèi)的大部分變量泵由于受其變量調(diào)節(jié)原理的限制，只有當(dāng)工作壓力在2 MPa 以上才能對(duì)輸出流量和壓力進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，不符合文中液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要;且變量柱塞泵存在不可避免的泄漏現(xiàn)象，對(duì)于低輸出流量控制效果較差，有可能液壓泵的輸出流量比自身正常的泄漏量還小。

方案二采用閥控調(diào)速與變頻調(diào)速的復(fù)合調(diào)速方式，具有控制精度高、功率損失小和系統(tǒng)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。該方案采用的復(fù)合調(diào)速方式能有效避免單一調(diào)速方式的缺點(diǎn)，更能將二者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。變頻器與普通電機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)動(dòng)力源，可以方便地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，即調(diào)節(jié)液壓泵輸出流量，能有效減少系統(tǒng)節(jié)流損失和溢流損失。比例調(diào)速閥和比例溢流閥的采用能克服單純使用變頻調(diào)速方式控制精度低和低速特性差的缺點(diǎn)，尤其在微流量和小壓力輸出的情況下，能快速精確地控制系統(tǒng)輸出流量和壓力。

經(jīng)過對(duì)比分析，可以看出:方案一不適合文中設(shè)計(jì)需要，而控制精度高、功率損失小和系統(tǒng)響應(yīng)快的方案二更適合設(shè)計(jì)需要。所以，將選擇方案二作為小型機(jī)液壓保障拖車液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

采用閥控調(diào)速與變頻調(diào)速的復(fù)合調(diào)速方式設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)，大大提高地面液壓保障的工作效率，能夠滿足小型機(jī)的液壓保障需求。