閉式變液面液壓油箱吸油的設計與研究

楊超　金曉宏

摘 要：在飛行器進行姿態調整的過程中，液壓油箱也隨之轉動，液面發生變化。若使用固定吸油口的形式吸油，容易發生吸空，對元件和設備的性能產生很大影響，甚至發生事故。為解決吸空問題，提出了一種淹沒式吸油口的方法，即利用“水平面”的特點，浮球和柔性吸油管相結合的方式吸油。并對該方法進行了可靠性的研究，對比了單吸油口和雙油吸口的油管受力。研究發現雙吸油口吸油方式更加穩定有效。該方法的提出將對變液面液壓油箱吸油提供了參考作用。

關鍵詞：姿態調整 轉動油箱 油口吸油 吸空

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0005-03

Abstract：In the process of aircraft for attitude control， hydraulic fuel tank also rotates and liquid level change.If used fixed oil suction mouth in the form of oil absorption，easy to suction air，to produce a great impact on the performance of components and devices，and even lead to accidents.In order to solve the problem of suction air，it presents a method of submerged type oil suction mouth，use the advantage of the characteristics of "a horizontal plane of water"，floating ball and flexible tubing combination of oil absorption. And has carried on the reliability on this method，compared the single oil suction mouth and double oil suction pipe stress.It found that the double suction mouth way of oil absorption is more stable and effectively.The method is put forward to change liquid level hydraulic tank of oil absorption provides a reference.

Key Words：Attitude control；Fuel tank rotate；Oil absorption；Suction air

隨著液壓技術在飛行器上的應用和迅猛發展，對液壓系統的可靠性提出了更高要求。液壓油箱的主要作用是儲存液壓系統所需的油液，并有散熱和分離液壓油中的空氣，沉淀油液中雜質等作用[1]。飛行器液壓系統為了提高抗污染能力并保證泵具有良好的吸油能力，其油箱一般采用閉式系統[2]。飛行器在飛行過程中，其姿態的變化，包括轉動和加速移動，必將引起液壓油箱的轉動[3]。閉式轉動液壓油箱的吸油可靠性成為至關重要的問題。其方法也不盡相同，各有利弊。設計提出一種浮球的新式方法，利用“水平”的概念，水平線以上為空氣，水平線以下為液體。不管油箱怎樣隨飛機器轉動或加速飛行，只要保證吸油口時刻留在水平線以下，即可吸入油液，避免吸入空氣，能夠解決常發生的吸空問題，并對其進行了理論研究和對比分析。

1 模型建立

國內生產的油箱多采用矩形，它既便于制造，又能充分利用空間，并且箱上易于安裝液壓元件，油箱內壓力可達0.05 MP[4]。

建立一個長方體液壓油箱，油箱長為A，寬為B，高為C。外部油管伸入油箱內部，與油箱內部柔性軟管相連。軟性軟管的另一端與浮球相連。吸油孔口為圓孔，距離浮球端較近。浮球形狀如同白紙燈泡，大端為空心，小端為實心。且實心段如同瓶塞，塞入軟管，延伸并與吸油孔口平齊。浮球始終浮在液面上，其重心始終偏向浮球的小端，保證了浮球小端實心體沒入油中。并且在小端柔性管的約束作用和油液的波動作用下，浮球大端沒入油中時重心極度不穩定，進一步保證浮球小端實心體沒入油中。模型處于水平吸油狀態時，液面高度h，吸油孔口與液面的距離為s，主投影如圖1所示，并建立空間直角坐標系O-XYZ，XOZ平面為水平面。

因為飛行器在飛行過程中姿態調整時，只有繞X軸或Z軸旋轉時，才會發生液面變化，繞Y軸旋轉時，不會發生液面變化。為簡化分析與設計，將油箱外部油管安裝在XOZ平面長方形的形心，如圖2所示。因此，不論是繞X軸旋轉，還是繞Z軸旋轉，因吸油原理相同，故只需對油箱繞Z軸旋轉進行分析。當油箱繞Z軸轉動θ角度時，浮球仍然浮在液面上，而吸油孔口依然淹沒在液面以下，油箱狀態如圖3所示，建立新的坐標系，OXYZ。

當飛行器加速平移時，由于油液的慣性，液面會發生傾斜，而浮球的位置還未來得及變化。此時液面的變化將會影響吸油孔口工作，如圖4所示，t時間前后，由于慣性，液面發生變化的示意圖。

2 理論分析

如圖3所示，對油箱繞Z軸旋轉進行分析，轉動時液面相對油箱X、Y的位置角θ發生變化，但相對空間X、Y的位置角θ不變。同時浮球總是浮在液面上，隨著液面一起變化，所以油箱轉動不影響吸油孔口的正常吸油。

如圖4所示，對油箱在隨著飛行器等加速移動時，液面由于慣性，相對空間X、Y的位置角θ發生變化。在解決吸油口吸空問題時，只需要保證油箱在加速度a下，t時間內吸油孔口仍然處于油液當中。假設液壓油箱吸油與回油流量Q相同，那么液壓油箱內液體體積不變，并且閉式油箱油液體積一般為總容積的，即取h=C。在液面相對油箱變化時，設油液表面與油箱的切線長為L，轉角為θ；加速t之后為L，θ。t時間內，兩液面變化最大距離為。

在t時間前后，液面由切線L、L'的平行線和θ=θ-θ構成的直角三角形，如圖5所示。

由此可見：單油口吸油時，軟管受X方向力作用，浮球與軟管會在液面上不停地移動，是不會產生撞擊和振動，不利于液壓系統正常工作；而雙孔口吸油X方向上力相互抵消，能有效解決撞擊和振動問題。Y方向上，浮球和柔管在兩種方式下的受力相同。

4 結語

該研究提出了一種新式變液面吸油的方法，采用了浮球和淹沒式油口的結構，并對其進行了理論分析研究，不僅有效解決了吸空問題，而且還對比研究了單、雙油口的穩定性。研究表明雙油口能有效避免單油口出現的撞擊和振動。

參考文獻

[1] 李玉琳.液壓元件與系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1991.

[2] 黃佑.關于液壓油箱增壓系統的分析及排故方法的研究[C]//中國航空學會液壓氣動專業2001年學術討論會議文集.中國航空學會，2001.

[3] 王紀森，嚴江.飛機燃油油箱轉動試驗臺的設計[J].液壓與氣動，2012（1）：35-38.

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[5] 金曉宏，李遠慧.流體力學（英語教學版）[M].北京：中國電力出版社，2011.