某型飛機前起落架高低溫轉(zhuǎn)彎試驗臺液壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

, , (1. 濟南大學(xué) 機械工程學(xué)院， 山東 濟南 250022； 2. 浙江大學(xué) 流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室， 浙江 杭州 10027;. 杭州奧士瑪自動化技術(shù)有限公司, 浙江 杭州 10000; .韋爾庫制冷設(shè)備(北京)有限公司, 北京 100079)

引言

某型飛機前起落架在生產(chǎn)制造廠要進行各種試驗，其中前起落架轉(zhuǎn)彎試驗需要在常溫、高溫、低溫條件下進行耐久性試驗，考核起落架的密封性能及可靠性。要求液壓系統(tǒng)的工作壓力為21 MPa,最大流量為20 L/min，轉(zhuǎn)彎及牽引轉(zhuǎn)彎壽命試驗循環(huán)次數(shù)為27萬次。長時間的試驗是一個高能耗的過程， 高溫試驗需要加熱油液，低溫試驗需要制冷油液。在低溫試驗時，試驗環(huán)境箱始終要處于(-55±2) ℃狀態(tài)。本研究主要在于如何合理設(shè)計高低溫轉(zhuǎn)彎試驗液壓系統(tǒng)，以達到節(jié)能、可靠、高效的設(shè)計結(jié)果。

1 前起落架試驗技術(shù)要求分析

前起落架轉(zhuǎn)彎試驗基本結(jié)構(gòu)原理，如圖1所示。

1.高低溫環(huán)境室 2.試驗型架 3.加載裝置 4.下支座 5.被試前起落架 6.齒輪齒條擺動機構(gòu) 7.轉(zhuǎn)彎操縱油缸

被試前起落架5安裝在試驗型架2中，前起落架上軸固定在試驗型架的支撐座中，下輪軸支撐在下支座4上，向前起落架分流閥輸入高壓油，轉(zhuǎn)彎操縱油缸7在液壓系統(tǒng)的控制下產(chǎn)生往復(fù)運動，齒輪齒條擺動機構(gòu)6轉(zhuǎn)動分流閥，控制進入前起落架雙作用轉(zhuǎn)彎作動筒，使得前起落架輪軸產(chǎn)生最大±45°的轉(zhuǎn)向運動。前起落架緩沖腔注入高壓氣體，前起落架產(chǎn)生垂直作用力加載在加載裝置3上，在牽引轉(zhuǎn)向試驗中，液壓系統(tǒng)通過雙作用作動筒帶動齒輪齒條產(chǎn)生驅(qū)動力矩，發(fā)生±70°轉(zhuǎn)角，最大轉(zhuǎn)彎力矩2200 N·m。加載裝置設(shè)計最大負載轉(zhuǎn)矩為4200 N·m。

高溫試驗時，周圍介質(zhì)溫度為(20±5) ℃，進入分流閥入口處工作液溫度為(90±5) ℃。

低溫試驗時，周圍介質(zhì)溫度及工作液溫度為(-55±2) ℃；試驗過程中允許工作液溫度達到-40～-35 ℃；低溫試驗前，前起起落架應(yīng)經(jīng)過6 h的(-55±2) ℃的預(yù)冷處理，低溫連續(xù)試驗時間要求達到2 h。

試驗臺工作液是15號航空液壓油，具有良好的高溫性能、低溫性能、氧化安定性和液壓傳遞性能，根據(jù)油品標(biāo)準(zhǔn)，40 ℃時運動黏度不小于13.2 mm2/s ，在100 ℃時，運動黏度不小于4.9 mm2/s，-40 ℃時運動黏度不大于600 mm2/s，在-40 ℃以下時，黏度變化率很大，-54 ℃時其運動黏度達到2500 mm2/s，-65 ℃達到凝點。

參考已有的試驗方法，高溫試驗大都采用油箱油液加熱到試驗溫度，用高溫液壓泵供油，溢流閥等液壓元件也要相應(yīng)的高溫元件，油液長時間處于高溫狀態(tài)，這將大大縮短油品的使用壽命，90 ℃時油液的黏度已經(jīng)低于10 mm2/s，超出了液壓元件的正常使用范圍。低溫試驗方法大都采用儲能延時的方法，把油箱的油液制冷到-50 ℃以下，并且有足夠多的油量，在試驗環(huán)境室里設(shè)置排管，排管內(nèi)的油液由環(huán)境室的低溫進行制冷，高壓泵置于常溫環(huán)境，開始試驗后，試驗油溫度緩慢上升，當(dāng)溫度升高達到-35 ℃時，停止試驗，繼續(xù)對油箱油液制冷，斷續(xù)試驗使得試驗周期很長，油液制冷的同時，環(huán)境室始終制冷，操作人員的工作時間也很長，這樣總體試驗?zāi)芎母?，試驗成本也很高?/p>

常規(guī)液壓元件推薦油液使用溫度是-20～70 ℃，環(huán)境溫度是-40～80 ℃，品質(zhì)較好的柱塞泵油液使用溫度是-30～90 ℃，油液的黏度限制在10～1000 mm2/s范圍內(nèi)，品質(zhì)較好比例溢流閥油液溫度范圍是-30～80 ℃。高溫超過90 ℃時，油液的黏度低、元件熱膨脹、增大配合間隙、內(nèi)泄漏增大、密封件老化快。低溫超過-40 ℃時，油液黏度急劇增大、元件控制性能降低、系統(tǒng)噪聲增大。在高溫和低溫狀態(tài)下，液壓元件的可靠使用壽命大大縮短，這就增大了系統(tǒng)的維護成本，降低了試驗系統(tǒng)的可靠性。

因此，高低溫試驗是一個高能耗的過程，元器件成本高、試驗周期長，如何合理設(shè)計液壓試驗系統(tǒng)、降低能耗、可靠運行，節(jié)能高效是本設(shè)計的目標(biāo)。

2 液壓試驗系統(tǒng)設(shè)計

在調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，提出動態(tài)平衡的設(shè)計方法，就是分析考察高低溫試驗過程，進油溫度與回油溫度之差，按需設(shè)計設(shè)備容量，運行過程按需加熱或制冷，使設(shè)備在不多余耗能的前提下平衡運行，從而達到節(jié)能的效果。

液壓試驗系統(tǒng)分為泵源系統(tǒng)和加載驅(qū)動系統(tǒng)。泵源系統(tǒng)液壓原理圖如圖2所示，加載驅(qū)動系統(tǒng)液壓原理圖如圖3所示。

泵源系統(tǒng)的功能是給被試前起落架提供額定壓力和流量的液壓油，驅(qū)動前起落架循環(huán)轉(zhuǎn)動輸出主動力矩，壽命試驗分為三種狀態(tài)：常溫試驗、高溫試驗、低溫試驗， 每種狀態(tài)又有不同的垂直負載和驅(qū)動力矩下的循環(huán)試驗。根據(jù)不同狀態(tài)試驗要求，泵源系統(tǒng)分為三個液壓泵源：常溫泵8.1，高溫泵8.2，低溫泵32。常溫泵和高溫泵采用了壓力-流量控制變量柱塞泵，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥9.1、9.2控制泵源輸出的流量，電磁溢流閥11.1、11.2調(diào)節(jié)泵出口安全壓力并控制泵源加載與卸載，比例溢流閥16.1、16.2按試驗要求控制試驗壓力。高溫泵輸出的油液經(jīng)高壓加熱器17升溫輸入到被試前起落架。

圖2 泵源系統(tǒng)液壓原理圖

圖3 加載驅(qū)動系統(tǒng)液壓原理圖

低溫泵組由低溫齒輪泵29.1和低溫高壓柱塞泵32及溢流閥34.1組成，低于-40 ℃的油液黏度比較高，柱塞泵不能自吸，采用低溫齒輪泵為柱塞泵供油，溢流閥34.1調(diào)定低溫泵源安全壓力，電磁換向球閥33控制低溫泵源加載與卸載，溢流閥34.2按試驗要求調(diào)節(jié)試驗壓力。低溫齒輪泵29.2向制冷機組38蒸發(fā)器供油循環(huán)制冷。低溫泵組和制冷循環(huán)泵安置于密封保溫箱中，與大氣環(huán)境隔離，箱內(nèi)溫度控制在-10～0 ℃，避免液壓泵體表面結(jié)冰與融化帶來的溫升。

加載驅(qū)動系統(tǒng)的功能在轉(zhuǎn)彎試驗中進行轉(zhuǎn)彎操作和施加負載轉(zhuǎn)矩，在牽引轉(zhuǎn)彎試驗中施加轉(zhuǎn)彎力矩和負載轉(zhuǎn)矩。內(nèi)嚙合齒輪泵41最大工作壓力為10 MPa，在操縱轉(zhuǎn)彎試驗狀態(tài)工作壓力為2.5 MPa，在牽引轉(zhuǎn)彎試驗狀態(tài)工作壓力為8 MPa，電動機為3 kW。操縱轉(zhuǎn)彎試驗時，比例方向閥47控制轉(zhuǎn)彎操縱油缸58換向和運行速度，從而控制前起落架轉(zhuǎn)彎角速度，試驗型架上方的限位調(diào)節(jié)螺栓限制轉(zhuǎn)角大小。油液通過減壓閥46減壓輸出0.8 MPa壓力油進入加載油缸53低壓腔，加載油缸高壓腔由比例溢流閥49.1、49.2控制加載壓力，通過齒輪齒條加載機構(gòu)54施加負載力矩。牽引轉(zhuǎn)彎試驗時，壓力油通過調(diào)速閥44、電磁換向閥48，進入牽引轉(zhuǎn)向油缸60，通過齒輪齒條機構(gòu)轉(zhuǎn)動前起落架，最大轉(zhuǎn)角±70°，調(diào)速閥44控制轉(zhuǎn)角速度，換向時間控制可限制正反向轉(zhuǎn)角大小。拉繩式編碼器55測量前起落架轉(zhuǎn)角和角速度。溢流閥加載會使油液溫度上升，當(dāng)連續(xù)試驗油箱溫度超過50℃時，油冷機6.2自動啟動制冷，使油液溫度不超過55℃，當(dāng)溫度低于45 ℃時油冷機油泵運行循環(huán)過濾而不制冷。

3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)前起落架高低溫轉(zhuǎn)彎試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，以高溫轉(zhuǎn)彎試驗為例，如圖4所示，前起落架轉(zhuǎn)角-42.6°～42°循環(huán)，角速度穩(wěn)定在8°/s上下，角速度曲線表明在換向啟動時會出現(xiàn)角速度超調(diào)，這是啟動前沖現(xiàn)象，隨機發(fā)生，前沖發(fā)生時會使供油壓力瞬間下降，計算機控制系統(tǒng)會報警停機，試驗條例要求壓力要穩(wěn)定，為使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，必須調(diào)定泵源供油流量大于一定量的工作流量，使比例溢流閥16.2主閥口始終處在開啟狀態(tài)，現(xiàn)場調(diào)試觀察發(fā)現(xiàn)要大于工作流量4 L/min， 供油壓力趨于穩(wěn)定。轉(zhuǎn)角的大小由操縱油缸58的兩端限位螺釘位置調(diào)定，角速度由比例方向閥47的輸入電流的大小所調(diào)定。

圖4 轉(zhuǎn)彎試驗轉(zhuǎn)角、角速度曲線

圖5表示了試驗進油壓力、作動筒壓差曲線，試驗進油壓力比較穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)彎換向時會有點跳動，作動筒壓差曲線基本穩(wěn)定。

圖5 進油壓力、作動筒壓差曲線

圖6表示了轉(zhuǎn)彎力矩和加載力矩的大小與關(guān)系，轉(zhuǎn)彎力矩(M)與加載力矩(M′)的差值是前起落架垂直負載作用在加載裝置上產(chǎn)生的摩擦力矩造成的，摩擦力矩與液壓加載力矩的和組成了負載力矩。

圖6 轉(zhuǎn)彎力矩、加載力矩曲線

4 高溫試驗分析

由圖2高溫泵回路所示，選用壓力-流量控制變量泵8.2，調(diào)節(jié)變量泵出口節(jié)流閥9.2，泵自動調(diào)節(jié)排量適應(yīng)調(diào)定的流量，按照最大排量最大工作壓力選用11 kW 電動機7.2，高溫試驗時按需調(diào)定輸出流量。電磁溢流閥11.2調(diào)定安全壓力，控制加載和卸載，比例溢流閥16.2調(diào)定試驗進口壓力，壓力油進入高壓加熱管17，控制加熱使加熱管出口溫度達到90℃，采用了PLC溫控模塊，檢測加熱管出口的溫度傳感器20.1，閉環(huán)控制電加熱，調(diào)節(jié)PID參數(shù)，達到了穩(wěn)定控制溫度的要求。圖7表示了高溫轉(zhuǎn)彎試驗連續(xù)244 min 的溫度曲線，試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表1。

圖7表明，采用PLC模塊PID調(diào)節(jié)控制通斷加熱的方式，控制溫度穩(wěn)定，回到油箱的油液經(jīng)循環(huán)冷卻穩(wěn)定在50 ℃上下，調(diào)壓比例溢流閥安裝在加熱之前的位置，液壓泵、比例溢流閥始終工作在正常溫度范圍。試驗回油與溢流回油合流回油箱，再循環(huán)過濾冷卻，使油箱油液溫度穩(wěn)定在70 ℃以下，元器件工作可靠性高， 使高溫試驗可長時間連續(xù)進行， 提高試驗工作效率，降低綜合能耗。統(tǒng)計加熱管通電時間，這個試驗的通電率為35.4%，表明電加熱器實際運行功率為加熱管功率35%左右，設(shè)備還有功率余量，當(dāng)試驗流量增大，其通電率也會增大。采用PID控制方式，穩(wěn)態(tài)誤差小于±0.5 ℃。

圖7 高溫轉(zhuǎn)彎試驗溫度曲線

表1 高溫試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

5 低溫試驗分析

圖2低溫泵回路所示，選用低溫定量柱塞泵32做主泵，變頻電動機31做動力源，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速控制輸出的流量，按照最大流量最大工作壓力選用11 kW電動機28.1，用低溫齒輪泵29.1輔助供油，采用變頻電動機28.1做動力，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速控制輸出的流量，電動機功率為3 kW。溢流閥34.1設(shè)定最高安全壓力，電磁換向球閥33控制主泵加載與卸荷，溢流閥34.2設(shè)定試驗壓力，試驗時處于低溫溢流狀態(tài)，制冷循環(huán)回路選用低溫齒輪泵29.2供油，采用變頻電動機28.2做動力，電機功率為3 kW。

按照制冷原理設(shè)計計算，換熱量公式如下式：

Q=qmc(T1-T2)=ρqc(T1-T2)

式中：Q—— 制冷量，kW

qm—— 介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s

q—— 介質(zhì)流量，m3/s

c—— 介質(zhì)定壓比熱容，kJ/(kg·K),

c=2.1 kJ/(kg·K)

T1—— 試驗回油溫度，℃

T2—— 最低制冷溫度，℃

ρ—— 介質(zhì)密度，kg/m3,ρ=850 kg/m3

試驗回油溫度T1為-32 ℃，最低制冷溫度T2為-50℃， 流量為20 L/min,代入公式計算結(jié)果為10.7 kW。

制冷壓縮機采用2臺半封閉雙級壓縮機，其制冷技術(shù)參數(shù)見表2。配套室外風(fēng)冷式冷凝器，冷凝溫度與環(huán)境溫度有關(guān)，取45 ℃，油液制冷要達到-45～-50 ℃，蒸發(fā)溫度設(shè)定-50 ℃，設(shè)計的工作點制冷量單機6.38 kW，雙機12.76 kW。選擇兩臺壓縮機可以適應(yīng)多工況試驗。兩臺壓縮機可同時工作，當(dāng)制冷平衡點低于-50 ℃時，一臺壓縮機斷續(xù)開停機，減少能耗。

表2 半封閉雙級壓縮機相關(guān)技術(shù)參數(shù)

圖8表示了低溫轉(zhuǎn)彎試驗——連續(xù)183 min的溫度曲線，曲線表明了壓縮機的工作狀態(tài)，當(dāng)油箱油液溫度低于-50 ℃時，一臺壓縮機停止工作，一臺壓縮機連續(xù)工作，單機工作時制冷量不能平衡試驗溫度，油箱油液溫度和試驗進口溫度逐漸上升，當(dāng)溫升至-40 ℃時，壓縮機啟動制冷，油箱油液溫度逐漸下降，形成了周期變化，試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表3。

圖8 低溫轉(zhuǎn)彎試驗溫度曲線一

表3 低溫轉(zhuǎn)彎試驗——數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

圖9表示了低溫轉(zhuǎn)彎試驗二連續(xù)530 min的溫度曲線，曲線表明了制冷平衡點高于-50 ℃，2臺壓縮機處于連續(xù)工作狀態(tài)，試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表4。

圖9 低溫轉(zhuǎn)彎試驗溫度曲線二

表4 低溫轉(zhuǎn)彎試驗二數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

低溫泵源是個高能耗的單元，除試驗必需的制冷能耗，還有泵壓、輸送、溢流造成的溫升所需要的制冷能耗，由曲線圖所示，油箱中油液泵壓至試驗進油口溫升6.7 ℃，試驗回油與溢流閥溢流合流回油箱，溫升至-35 ℃，與油箱油液混合以后再循環(huán)制冷，循環(huán)制冷的流量要大于高壓泵流量，合理調(diào)節(jié)循環(huán)流量，高壓泵流量，可以降低制冷的能耗。

油液制冷平衡狀態(tài)滿足試驗溫度要求，就可以長時間連續(xù)運行，突破了以前2 h溫升超限的狀態(tài)，可以實現(xiàn)24 h連續(xù)工作，提高了試驗效率，降低了電能消耗，縮短了人員工作時間。

6 控制系統(tǒng)設(shè)計

在合理設(shè)計液壓系統(tǒng)與制冷加熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了計算機控制與電氣系統(tǒng)，電控系統(tǒng)分為制冷機組控制系統(tǒng)、動力柜、電氣操作臺、PLC控制系統(tǒng)、工控機，試驗檢測控制系統(tǒng)采用總線方式。

制冷機組控制系統(tǒng)采用PLC控制，觸摸屏與按鈕操作，針對油制冷的特點和運行工況，制訂了控制策略，檢測制冷機組各點的狀態(tài)，雙壓縮機錯時啟動與停止，具有安全報警功能，可以設(shè)定溫度控制的上下限，有運行參數(shù)界面、狀態(tài)顯示界面、參數(shù)設(shè)置界面，其運行參數(shù)通過DP網(wǎng)與工控機通訊，工控機顯示相關(guān)數(shù)據(jù)并記錄，運行狀態(tài)界面如圖10所示，一臺壓縮機工作，一臺壓縮機停機關(guān)閉，當(dāng)電動機頻率為48.2 Hz時，相應(yīng)的流量為43 L/min，當(dāng)油液制冷溫度達到-48.7 ℃ 時，內(nèi)循環(huán)壓力為0.53 MPa，根據(jù)試驗記錄，當(dāng)溫度達到-53.4 ℃時，內(nèi)循環(huán)壓力達到0.9 MPa， 說明油液黏度在深冷狀態(tài)下急劇升高，油泵箱溫度為4.4 ℃，油泵箱隔離了環(huán)境溫度和濕度對液壓泵的影響，尤其運行過程沒有結(jié)冰和融化的能耗，當(dāng)箱內(nèi)溫度過低時，啟動電加熱，使箱內(nèi)溫度保持在-10 ～0 ℃， 使泵壓油過程減少升溫消耗， 過低的空氣溫度，雖然能降低能耗，但會使液壓泵的使用壽命縮短。

圖10 制冷機組運行狀態(tài)界面

試驗控制系統(tǒng)由工控機柜、操作臺和動力柜組成。PLC的CPU模塊安裝在操作臺內(nèi)，動力柜和制冷機組控制箱內(nèi)裝有分布式IO模塊。工控機、PLC的CPU模塊和分布式IO模塊以ProfilBus-DP現(xiàn)場總線相聯(lián)接，采用工控機為上位機、PLC為下位機的主從控制。

在操作臺上有各種壓力、溫度、位移等試驗數(shù)據(jù)的顯示儀表，可以手動控制電機的啟停、調(diào)節(jié)電液比例閥的控制電流。

在工控機上有參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、動畫模擬、報表打印等功能，試驗軟件實現(xiàn)試驗全過程控制。試驗軟件分為主界面，分項運行界面。主界面有常溫操縱、高溫操縱、低溫操縱、報表打印項目供選擇，每個操縱試驗界面有操縱試驗、控制臺、參數(shù)設(shè)置、自動設(shè)置界面。低溫操縱試驗界面如圖11所示，上方區(qū)域顯示試驗相關(guān)的壓力、壓差、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角速度、溫度、試驗循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，左上角顯示報警點內(nèi)容，左下方動畫顯示前起落架的轉(zhuǎn)動位置狀態(tài)和轉(zhuǎn)角，右中區(qū)域顯示了電動機運行狀態(tài)，運行、加載狀態(tài)顯示綠色，低溫試驗又有變頻運行或直接運行狀態(tài)，右下區(qū)域是試驗數(shù)據(jù)區(qū)域，實時記錄顯示相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)。

圖11 低溫操縱試驗界面

控制臺界面如圖12所示，上方數(shù)字顯示區(qū)域與電氣操作臺上的儀表顯示同步，下方區(qū)域與電氣操作臺上的按鈕、旋鈕一一對應(yīng)，帶數(shù)字的方塊與比例閥控制電位器和變頻電位器對應(yīng)，用數(shù)字控制方式，啟動狀態(tài)顯示綠色，停止?fàn)顟B(tài)顯示紅色。選擇手動方式時，工控機界面按鈕不起作用，系統(tǒng)由電氣操作臺控制，用于設(shè)備調(diào)試。選擇自動方式時，電氣操作臺除了停止按鈕還起作用外，其他按鈕、開關(guān)、電位計不再起作用，控制可以在工控機界面屏幕操作，試驗運行中不易誤操作，運行可靠。

圖12 控制臺界面

參數(shù)設(shè)置界面針對不同的試驗項目列出了對應(yīng)的參數(shù)名稱，根據(jù)試驗要求設(shè)定控制數(shù)值或上下限，參數(shù)設(shè)置界面可以分別設(shè)定 “報警”與 “停機”的條件，以區(qū)別處理不同的異常情況。

報表打印界面可以調(diào)取歷史試驗記錄，輸出打印規(guī)定格式報表。

7 結(jié)論

在充分分析了系統(tǒng)工況和技術(shù)要求的前提下，各動力單元裝機容量設(shè)計合理，試驗過程根據(jù)實際工況設(shè)定流量與壓力，變排量和變頻方式輸出相應(yīng)的流量，電液比例溢流閥、比例方向閥控制試驗工作壓力和運行速度，大大減少動力能耗，制熱與制冷系統(tǒng)的設(shè)計，遵循動態(tài)平衡的設(shè)計思想，高溫試驗按需制熱，平衡運行，低溫系統(tǒng)是制冷系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的匹配，減少液壓泵壓與管路輸送過程的溫升，制冷與溫升相平衡，實現(xiàn)了長時間連續(xù)試驗的目標(biāo)。經(jīng)過產(chǎn)品壽命試驗過程，證實該高低溫液壓系統(tǒng)的設(shè)計達到了節(jié)能、高效、可靠的目標(biāo)。

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