液壓管路動態(tài)特性分析與試驗

宋玉山，任孝東，任 峰

（1.長春理工大學 空間光電技術(shù)研究所，吉林 長春 130022；2.長春師范大學 工程學院，吉林 長春 130031；3.賽摩電氣股份有限公司 技術(shù)中心，江蘇 徐州 221004）

管路是液壓系統(tǒng)各部件之間的紐帶，整機液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性不僅受到液壓元件性能的影響，而且還會受到連接這些液壓元件的管路性能的影響[1，2]。由于液壓管路存在多物理場、多尺度以及流固耦合非線性等特性，所以液壓管路在設(shè)計時非常復(fù)雜。在航空航天領(lǐng)域，液壓管路的設(shè)計至關(guān)重要。中國民航總局1989～2009年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在飛機元件類故障中，液壓管路故障占 50%[3，4]。

管路具有沿長度方向分布的慣性、容性和阻性，在整機作業(yè)過程中會產(chǎn)生壓力損失、壓力波動與壓力沖擊。主要影響整機液壓系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度以及液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

管路與管接頭內(nèi)存在的壓力波動與壓力沖擊會使執(zhí)行元件等產(chǎn)生振動，而且壓力沖擊產(chǎn)生的峰值壓力可達正常工作的3～4倍，可能會破壞儀表、管路以及液壓元件，降低了液壓系統(tǒng)的可靠性與使用壽命。因此，對壓力波動與壓力沖擊的產(chǎn)生原因進行分析總結(jié)，并采取一定措施進行防治十分必要的。

然而，管路對整車性能的影響并沒有受到設(shè)計人員的重視，并且在整機設(shè)計過程中往往會忽略管路壓力損失、壓力波動與壓力沖擊的影響。因此，對管路性能的研究對整車性能的提高在現(xiàn)階段具有重要的意義。

目前設(shè)計人員對管路設(shè)計方法還是停留在傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計階段，然而若采用傳統(tǒng)手工計算方法進行建模與分析比較困難，而且需要投入大量的人力、物力和時間；使用專業(yè)的液壓仿真軟件則可大大降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期。

AMESim專業(yè)液壓仿真軟件基于功率鍵合圖原理，并且為用戶提供了更加直觀的圖形化建模仿真環(huán)境，帶有大量的液壓元件，具有專用的液壓管路庫，為用戶提供了非常豐富的管道模型、各種角度的彎管和各種形狀的管接頭。該軟件在建立液壓系統(tǒng)數(shù)學模型的過程中充分考慮了液壓油的物理熱性和液壓元件的非線性特性，與其他仿真軟件相比較，具有較大優(yōu)勢，故采用AMESim專業(yè)液壓仿真軟件對管路進行建模仿真。

1 AMESim模型建立及參數(shù)設(shè)置

目前針對液壓管路設(shè)計大多數(shù)利用經(jīng)驗計算，進行動態(tài)仿真時多數(shù)都采用MATLAB中Simulink仿真的方法。雖然能夠完成相應(yīng)的仿真工作，取得一定的仿真成果，但是這種方法在建模過程中對理論分析推導過于依賴，極大限制了其在工程上的應(yīng)用。由于整機的液壓管路比較繁雜，所以對仿真模型的細節(jié)要求非常高，而Simulink針對復(fù)雜系統(tǒng)的仿真分析具有很大的局限性。本文針對這一情況改用AMESim專業(yè)仿真平臺進行仿真分析，有效提高建模及仿真分析的效率及準確性。

本文以某型號飛機典型管路為例，根據(jù)其工作原理及實際結(jié)構(gòu)，運用AMESim仿真軟件建立了整機典型管路的仿真模型，如圖1所示。

圖1 管路AMESim仿真模型

仿真模型中各參數(shù)設(shè)置主要依據(jù)實際結(jié)構(gòu)參數(shù)及實際工況值進行設(shè)定，其中發(fā)動機根據(jù)其外特性曲線設(shè)置，液力變矩器根據(jù)樣本與實驗測得的數(shù)據(jù)進行設(shè)置，充分保證了模型的準確性。其中部分仿真參數(shù)如表1所示。

表1 傳動系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置

2 仿真與實驗結(jié)果分析

根據(jù)研究分析需要，針對實驗所測量的數(shù)據(jù)類型，所需相關(guān)儀器主要包括數(shù)據(jù)采集儀、壓力傳感器、PC處理終端及精密壓力表。測點布置如圖2所示。

壓力傳感器量程為0～7MPa，流量傳感器量程為100L/min，輸出 1～5V電壓信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出0～7MPa壓力信號和0～100L/min的流量信號。

圖2 液壓管路實驗布置圖

2.1 仿真分析結(jié)果

針對某型號裝載機典型液壓管路進行仿真分析。分別取管徑為6mm、7mm、8mm、9mm、10mm管路進行仿真分析，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

從圖3可以看出，管路直徑改變1mm對管路壓力損失影響較大。例如，在流量為50L/min時，8mm管徑的壓力損失為0.7MPa，9mm管徑的壓力損失為0.5MPa，10mm管徑的壓力損失為0.39MPa，11mm管徑的壓力損失為0.32MPa。

圖3 不同管徑、流量下管路壓力損失值

圖4 不同管路長度、流量下管路壓力損失值

管路長度同樣對沿程壓力損失有重要影響，沿程壓力損失隨管路長度的增加不斷的增大，對系統(tǒng)來說，應(yīng)該選用合適長度的管路，圖4分析比較了各管路長度在不同流量下的壓力損失值。

液壓系統(tǒng)中存在大量的液壓元件，如：液壓泵、各種液壓閥、各種液壓執(zhí)行元件、液壓附件，這些元件具有液阻、液容、液感特性，將在系統(tǒng)中產(chǎn)生復(fù)雜的非線性特性，導致液壓管路振動特性分析及其復(fù)雜。圖5是對幾個典型管路進行單工況仿真分析，仿真結(jié)果顯示：管路的通徑對液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能有較大影響，隨著管路通徑的增加，壓力波動逐漸減小。由圖5可知管路直徑為8mm時，管路內(nèi)壓力峰值達到22MPa，管路直徑為9mm時，管路內(nèi)壓力峰值為17MPa，管路直徑為10mm時，管路內(nèi)壓力峰值最小，壓力峰值為16MPa。

圖5 不同管路直徑下的管路波動與沖擊

2.2 試驗結(jié)果分析

由于管路與管接頭在不同流量下的壓力損失不同，因此在對比分析仿真與實驗時，均采用流量-壓力損失關(guān)系圖進行對比。在測試中，所測得壓力損失包括過渡接頭的壓力損失。因此，在仿真模型中需要將過渡接頭考慮在內(nèi)，再進行對比。以飛機某典型管路與過渡接頭為例進行說明，管路與管接頭的裝配如圖6所示。

圖6 管路與過度接頭裝配圖

通過試驗曲線可知，仿真與試驗結(jié)果比較接近，因此該仿真模型準確度較高，在一定工況下可以根據(jù)仿真結(jié)果指導系統(tǒng)管路設(shè)計。

圖7 仿真與試驗對比曲線1

圖8 仿真與試驗對比曲線2

3 結(jié)論

（1）通過對飛機典型液壓管路的分析研究，運用AMESim仿真軟件建立了飛機液壓系統(tǒng)典型管路的仿真模型，通過試驗測試，驗證了仿真模型的正確性和有效性，為今后研究飛機液壓管路的靜態(tài)與動態(tài)特性提供了理論依據(jù)與分析工具。

（2）利用該模型可以對飛機液壓管路關(guān)鍵參數(shù)的影響特性進行分析。通過調(diào)整參數(shù)，可以分析該參數(shù)對系統(tǒng)的影響，同時也表明了AMESim仿真在整機設(shè)計分析中可以發(fā)揮的重要作用。