某型機(jī)液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)測(cè)量與仿真

胡峰波，王朝暉，左登勇，朱 瑩

(1.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089；2.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710072)

液壓系統(tǒng)是飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)的重要組成部分，為其他機(jī)載子系統(tǒng)提供動(dòng)力支撐[1]。柱塞泵在飛機(jī)液壓系統(tǒng)中應(yīng)用極為普遍[2]。柱塞泵循環(huán)往復(fù)地吸油與排油過(guò)程中，柱塞的周期性運(yùn)動(dòng)使柱塞泵的出口流量具有脈動(dòng)特性，進(jìn)而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的壓力產(chǎn)生脈動(dòng)[3]。壓力脈動(dòng)將會(huì)迫使導(dǎo)管產(chǎn)生耦合振動(dòng)，由此引起的導(dǎo)管斷裂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，使系統(tǒng)無(wú)法工作，甚至引發(fā)飛機(jī)嚴(yán)重事故，飛機(jī)液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)成為威脅飛機(jī)安全的重要問(wèn)題。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要是從優(yōu)化液壓泵結(jié)構(gòu)參數(shù)[4-5]、優(yōu)化液壓系統(tǒng)布局[6-7]、增加脈動(dòng)濾波裝置[8-9]等方面進(jìn)行壓力脈動(dòng)特性研究，從而提出抑制壓力脈動(dòng)的方法。但鮮有人著手于壓力脈動(dòng)測(cè)量方案的研究，在實(shí)際工程應(yīng)用中，傳感器的選型與安裝、測(cè)點(diǎn)的布置與數(shù)量等對(duì)測(cè)量結(jié)果有著顯著影響，高效的測(cè)量方案和高精度的測(cè)量結(jié)果是進(jìn)行壓力脈動(dòng)特性研究的有效補(bǔ)充。蔡亦鋼等[10]采用卡式壓力傳感器設(shè)計(jì)了管道壓力脈動(dòng)試驗(yàn)裝置和測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試；齊曉燕等[11]介紹了一種應(yīng)變片粘貼的具體操作流程以及適用于液壓系統(tǒng)管路應(yīng)力測(cè)試的試驗(yàn)程序、方法及其相關(guān)的數(shù)據(jù)分析應(yīng)用；王勇等[12]在不同工況下設(shè)置多測(cè)點(diǎn)探究壓力脈動(dòng)隨流量變化的規(guī)律；劉志敏等[13]結(jié)合壓力傳感器類型和測(cè)點(diǎn)位置介紹了壓力脈動(dòng)測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。但是對(duì)于工程實(shí)際中壓力脈動(dòng)的測(cè)量方案和影響測(cè)量精度的因素依舊缺乏系統(tǒng)的研究。

采用AMESim軟件對(duì)柱塞泵進(jìn)行元器件級(jí)別的原理建模，從柱塞泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，搭建恒壓變量柱塞泵的仿真模型，系統(tǒng)地從傳感器的選型和安裝、傳感器接頭形式和管道長(zhǎng)度進(jìn)行研究,提高壓力脈動(dòng)測(cè)量精度，為進(jìn)行壓力脈動(dòng)特性研究以及抑制壓力脈動(dòng)奠定基礎(chǔ)。

1 傳感器選型

飛機(jī)地面模擬試驗(yàn)和飛機(jī)機(jī)載試驗(yàn)中，采用高速采集測(cè)量設(shè)備能方便地測(cè)量出飛機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)值，壓力脈動(dòng)測(cè)量設(shè)備主要由高頻壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理器和多通道高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。

飛機(jī)液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)測(cè)量方法主要有兩類：一種是在被測(cè)管上加裝測(cè)壓接頭或支管用于安裝壓力傳感器，直接對(duì)流體的壓力脈動(dòng)進(jìn)行測(cè)量；另一種是非介入式測(cè)量，通過(guò)直接在管壁上測(cè)量應(yīng)變或者振動(dòng)的方法來(lái)間接測(cè)量，一般需要進(jìn)行專業(yè)標(biāo)定，測(cè)量精度不高，不予考慮。直接壓力測(cè)量的傳感器主要包括電學(xué)式壓力傳感器、應(yīng)變片、振動(dòng)筒、硅壓阻等。其中，諧振筒式壓力傳感器是一種高精度、高靈敏度的壓力傳感器，可直接輸出頻率，且與數(shù)字微處理器接口方便，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、民航等領(lǐng)域。此外，需要綜合考慮傳感器的動(dòng)靜態(tài)性能和強(qiáng)度性能。

2 傳感器安裝

2.1 測(cè)點(diǎn)選擇

液壓系統(tǒng)的壓力實(shí)際為分布函數(shù)，考慮到壓力波的傳遞、流固耦合等因素，各點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力均有差異，測(cè)點(diǎn)選擇需要根據(jù)分析目的來(lái)確定。從液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，一般在泵出口處的壓力脈動(dòng)最大。對(duì)于管路固支條件不好存在管路振動(dòng)的情況，可能存在流固耦合諧振，一般在管路懸臂較大的管路前后需要加裝壓力測(cè)點(diǎn)和振動(dòng)檢測(cè)。

在測(cè)試方案中一定要經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)仿真預(yù)測(cè)，可以通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算或有限元仿真的方法確定測(cè)試布點(diǎn)方案，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。測(cè)量位置的選擇關(guān)系到測(cè)試結(jié)果是否能正確地反映出系統(tǒng)中壓力脈動(dòng)的真實(shí)情況，不僅應(yīng)考慮根據(jù)不同的振動(dòng)源選取不同的測(cè)量位置,而且應(yīng)盡可能使所選位置能測(cè)量到壓力脈動(dòng)的最大值[14]。測(cè)量位置應(yīng)選擇在離所測(cè)元件最近的地方，同時(shí)考慮安裝和拆卸是否方便。測(cè)量時(shí)將原有接頭更換成三通接頭，用來(lái)連接測(cè)量傳感器。通常，除了在泵出口設(shè)置測(cè)點(diǎn)外，還應(yīng)在管路的彎管處和擴(kuò)散管處布置壓力測(cè)點(diǎn)。在條件允許的情況下盡可能多布置一些壓力測(cè)點(diǎn)，以便分析壓力脈動(dòng)在整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)的分布與傳播情況。

液壓泵壓力脈動(dòng)測(cè)試主要是測(cè)定每個(gè)液壓油泵出口段的壓力脈動(dòng)最大峰值不得超過(guò)系統(tǒng)額定工作壓力的相應(yīng)比例(通常為5%～10%)。由于該驗(yàn)證科目需要測(cè)量高頻的壓力脈動(dòng)信號(hào)，因而壓力測(cè)點(diǎn)應(yīng)該盡可能采用旁路單點(diǎn)直插式或主路多點(diǎn)共用式改裝。同時(shí)這種壓力脈動(dòng)測(cè)試類改裝需要較高的頻響特性指標(biāo)，壓力測(cè)試傳感器應(yīng)選擇帶寬較高的規(guī)格，并且測(cè)試系統(tǒng)需要選擇很高的采樣速率，通常在10 kHz以上；管道的脈動(dòng)特性主要由管壁、油液的材料特性和管道結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。因此，一般應(yīng)在上述參數(shù)發(fā)生變化的管段上布置傳感器。對(duì)于面內(nèi)的橫向脈動(dòng)，除上述因素外，兩支架間管道長(zhǎng)度也是影響管道脈動(dòng)特性的重要因素。因此，應(yīng)將脈動(dòng)傳感器布置在上述參數(shù)發(fā)生變化的管段的中部和兩端，從而全面檢測(cè)系統(tǒng)的脈動(dòng)狀態(tài)；液壓系統(tǒng)中的液壓控制元件、動(dòng)作元件在迅速停止、變速、換向時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大的壓力脈動(dòng)，應(yīng)在液壓流體的入口和出口布置壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量。關(guān)于測(cè)量支管的布置方式，一些學(xué)者用實(shí)驗(yàn)方法研究不同支管布置方式的輸液管路壓力脈動(dòng)問(wèn)題[15]，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于旁路單點(diǎn)直插式改裝具有重要的參考價(jià)值。

2.2 傳感器接頭及短管影響

針對(duì)不同支管角度(30°、60°、90°)、不同支管長(zhǎng)度(10 mm、30 mm、50 mm、70 mm、90 mm)、不同支管直徑(5 mm、10 mm)的三通接頭進(jìn)行脈動(dòng)仿真分析，主管路直徑為10 mm，選用壓力為5 MPa和頻率為2000 Hz，建立圖1所示的三通接頭仿真模型圖。

圖1 三通接頭仿真模型圖

輸入為5+0.5sin(4000πt)壓力時(shí)，不同支管長(zhǎng)度的30°、90°三通接頭脈動(dòng)情況分別如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，支管路長(zhǎng)度在10～90 mm內(nèi)變化時(shí)，對(duì)脈動(dòng)測(cè)量誤差幾乎無(wú)影響；輸入為5+0.5sin(4000πt)壓力時(shí),支管直徑分別為5 mm、10 mm的三通接頭脈動(dòng)情況如圖4所示。由圖4可知，測(cè)量支路管徑的變化對(duì)脈動(dòng)測(cè)量誤差的影響不大；輸入為5+0.5sin(4000πt)壓力時(shí),支管角度分別為30°、60°、90°的三通接頭脈動(dòng)情況如圖5所示。由圖5可知，支路角度的變化對(duì)脈動(dòng)測(cè)量誤差的影響不大。圖中1 bar=0.1 MPa。

圖2 不同支管長(zhǎng)度的30°三通接頭脈動(dòng)曲線

圖3 不同支管長(zhǎng)度的90°三通接頭脈動(dòng)曲線

圖4 不同支管直徑的三通接頭脈動(dòng)曲線

圖5 不同支管角度的三通接頭脈動(dòng)曲線

3 基于AMESim的液壓系統(tǒng)仿真建模

AMESim液壓仿真軟件能綜合考慮摩擦、泄漏以及油液自身特性，從元件級(jí)設(shè)計(jì)出發(fā)，構(gòu)建液壓系統(tǒng)的仿真模型，參數(shù)的設(shè)置與更改都十分方便，仿真結(jié)果具有較高的精確度[16]。

液壓系統(tǒng)由3個(gè)完全獨(dú)立的功率源組成，油源1和油源2是主要的飛行控制系統(tǒng)功率源，油源3提供備份和通用系統(tǒng)液壓能源。

油源中包含1個(gè)恒壓變量斜盤(pán)柱塞泵、彈簧式增壓油箱、液位開(kāi)關(guān)、軟管、接口對(duì)應(yīng)供油、回油和殼體回油，以及熱交換模塊。某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)中熱交換模塊共有2個(gè)，分別在主油源1和主油源2中，每個(gè)熱交換模塊都是一個(gè)雙組件單元，由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流的方式從流體中去除熱量。備份油源3主要由1個(gè)彈簧式增壓油箱、1個(gè)熱交換單元和1個(gè)恒壓變量柱塞泵、油濾、單向閥組成。在AMESim中搭建的油源1、油源2和油源3模型如圖6所示。

圖6 油源AMESim模型

油源1和油源2共同為主槳伺服系統(tǒng)、尾槳伺服系統(tǒng)、增穩(wěn)作動(dòng)器提供液壓動(dòng)力，在AMESim中搭建尾槳伺服作動(dòng)器如圖7所示。

圖7 尾槳伺服作動(dòng)器AMESim模型

轉(zhuǎn)換模塊(1,3)的作用是在備份油源3和主油源1之間進(jìn)行液壓能源的切換，當(dāng)主油源1出現(xiàn)故障導(dǎo)致壓力降低，切換閥進(jìn)行切換，使用備份油源3來(lái)替代主油源1對(duì)液壓用戶供壓。轉(zhuǎn)換模塊(1,3)的AMESim模型如圖8所示，轉(zhuǎn)換模塊(2,3)同理。

圖8 轉(zhuǎn)換模塊(1,3)的AMESim模型

為了更好地測(cè)量飛機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)，采用AMESim中HCD庫(kù)細(xì)化泵的內(nèi)部模型。采用柱塞數(shù)為9的斜盤(pán)柱塞泵，泵模型包括恒壓閥、變量機(jī)構(gòu)、斜盤(pán)、柱塞、滑靴、配油盤(pán)，并考慮了斜盤(pán)的泄露，其AMESim模型如圖9所示，圖9中省略號(hào)處省略了7套相同的設(shè)備模型。

圖9 恒壓變量柱塞泵的AMESim模型

4 液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)仿真分析

基于AMESim模型，仿真分析相關(guān)部分的壓力脈動(dòng)值。恒壓變量柱塞泵出口壓力曲線和該壓力曲線局部放大圖如圖10所示。由圖10可知，該壓力脈動(dòng)峰峰值最大為13.1 bar。

圖10 恒壓變量柱塞泵出口壓力曲線及局部放大圖

泵出口軟管末端壓力脈動(dòng)局部放大圖如圖11所示。由圖11可知，軟管入口壓力脈動(dòng)即泵出口壓力脈動(dòng)略大于軟管出口脈動(dòng)，軟管出口脈動(dòng)壓力脈動(dòng)為12.86 bar。

圖11 泵出口軟管末端壓力曲線局部放大圖

泵出口單向閥前后壓力脈動(dòng)局部放大圖如圖12所示。由圖12知，單向閥后壓力脈動(dòng)明顯小于泵出口，單向閥前壓力脈動(dòng)同軟管出口，單向閥后壓力脈動(dòng)峰峰值為0.7 bar。

圖12 泵出口單向閥前后壓力曲線局部放大圖

模態(tài)轉(zhuǎn)換閥前后壓力脈動(dòng)局部放大圖如圖13所示。由圖13可知，兩條曲線基本重合，二者的差異與轉(zhuǎn)換閥節(jié)流窗口參數(shù)有關(guān)，但總體脈動(dòng)都比較小，峰峰值為0.71 bar。

圖13 模態(tài)轉(zhuǎn)換閥前后壓力曲線局部放大圖

負(fù)載用戶供油切斷閥前后壓力脈動(dòng)局部放大圖如圖14所示。由圖14可知，兩條曲線基本重合，二者的差異同樣與閥節(jié)流窗口參數(shù)有關(guān)，出口脈動(dòng)減小，峰峰值為0.7 bar。

圖14 負(fù)載供油切斷閥前后壓力曲線局部放大圖

雖然二者穩(wěn)定時(shí)的壓力脈動(dòng)相差較小，但在負(fù)載快速變化流量較大時(shí)，因切斷閥節(jié)流引起的前后壓力與負(fù)載有關(guān)。本仿真案例下的負(fù)載變化情況壓力曲線如圖15所示。舵機(jī)從0.5 s啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)至1.3 s到限位時(shí)結(jié)束。

圖15 供油切斷閥前后壓力時(shí)間響應(yīng)

舵機(jī)伺服閥負(fù)載口的壓力脈動(dòng)局部放大圖如圖16所示，壓力脈動(dòng)峰峰值0.37 bar。伺服閥全開(kāi)狀態(tài)壓力曲線如圖17所示。由圖17可知，在伺服閥閉環(huán)控制狀態(tài)舵機(jī)腔壓力沒(méi)有脈動(dòng)。

圖16 舵機(jī)伺服閥負(fù)載口的壓力脈動(dòng)曲線局部放大圖

圖17 伺服閥全開(kāi)狀態(tài)壓力曲線局部放大圖

通過(guò)仿真分析，可以得出結(jié)論：

① 三通角度、支管長(zhǎng)度和直徑對(duì)測(cè)量誤差均無(wú)明顯影響；

② 泵出口單向閥前后壓力脈動(dòng)差異較大，單向閥后壓力脈動(dòng)減小較多；

③ 至用戶末端，因節(jié)流、管路液阻和容積壓縮性等影響，壓力脈動(dòng)較小。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于AMESim軟件建模仿真，系統(tǒng)地針對(duì)提高飛機(jī)液壓系統(tǒng)壓力脈動(dòng)測(cè)量精度開(kāi)展研究，得出以下結(jié)論：

① 采用直接測(cè)量的方法綜合考慮傳感器的動(dòng)靜態(tài)性能及強(qiáng)度性能進(jìn)行傳感器選型；

② 液壓泵出口壓力脈動(dòng)測(cè)量，測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡可能采用旁路單點(diǎn)直插式改裝，同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)選用高采樣率(通?！?0 kHz)，傳感器高頻響、小容腔；

③ 工程使用中，飛機(jī)液壓系統(tǒng)脈動(dòng)測(cè)量選用較多的為HKM375傳感器，滿足測(cè)量要求。

后續(xù)研究將基于提出的測(cè)量方案，探究壓力脈動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性以及抑制壓力脈動(dòng)的可行性方案。