淺談飛機液壓系統設計中的壓力沖擊問題

高鋒

【摘 要】在飛機液壓系統設計中，減少系統中的壓力沖擊，對于提高飛機的操縱品質和安全性具有重要意義。本文整理了飛機液壓系統壓力沖擊抑制設計需求來源，分析了飛機液壓系統壓力沖擊的產生機理，并給出了抑制壓力沖擊的設計要點。

【關鍵詞】飛機液壓系統；壓力沖擊；分析

0 引言

液壓系統為飛機飛控系統、高升力系統、起落架系統等系統提供液壓能作為動力，是現代大型軍用和民用飛機中不可或缺的系統。液壓系統的壓力作為其關鍵指標，對用戶系統的正常操縱有重大影響。因此，在飛機液壓系統設計中，減少系統中的壓力沖擊，對于提高飛機的操縱品質和安全性，具有重要意義。

1 需求來源

1.1 適航條款要求

對于民用飛機設計，滿足適航條款規定是基本要求。在CCAR25.1435c（2）液壓系統中，要求“每個液壓系統必須”“具有確保系統壓力在每一元件的設計容量之內的措施，以滿足CCAR25.1435（a）（1）至（a）（5）的要求。系統壓力包括瞬態壓力和由于元件內流體體積變化造成的壓力，該元件能夠在變化發生時保持密閉足夠長的時間過程”[1]。

因此液壓系統設計中需避免過大的壓力沖擊，保證系統內部和用戶所有元件都在設計正常工作壓力范圍內工作。

1.2 系統設計規范要求

液壓系統設計初期需確定系統規范，其中包括對系統正常壓力范圍和最大壓力沖擊的規定。該規范作為整個系統及元件的設計基礎，其中規定的壓力沖擊范圍必需保證，以避免設計過程中反復更改，影響項目進度。

1.3 液壓系統用戶要求

飛機設計作為一項大型系統工程，在設計中是分為許多工作包并行開展的。在設計初期，液壓系統用戶會與液壓系統確定雙方分界面處的壓力沖擊范圍作為設計依據。該要求也是液壓系統設計中必須保證的[2]。

2 產生機理分析

飛機液壓系統壓力沖擊主要來自泵源和用戶動作，在壓力沖擊的傳遞過程中，又會受到管路、油濾、閥、蓄壓器等系統元件的影響，呈現復雜的特性。下面根據產生機理不同，對各種壓力沖擊產生機理和傳遞過程進行分析。

2.1 泵的壓力沖擊

飛機液壓系統一般選用柱塞泵作為主要泵源。流量脈動是柱塞泵的固有特性。在柱塞泵及其附近的管路中，柱塞泵流量脈動產生的壓力沖擊占主導地位。其壓力沖擊頻率與流量脈動頻率相同，在相應液壓泵工作過程中持續存在，呈現高頻持續沖擊的特性[3-6]。

在傳遞過程中，泵產生壓力沖擊受到管路振動特性和外部振動（如發動機振動）的影響。由于油濾的高阻抗，泵產生的壓力沖擊在油濾中衰減明顯。在油濾之后的管路中，泵產生的壓力沖擊已經很難測量到。

2.2 用戶動作產生的壓力沖擊

液壓系統用戶動作會產生流量需求，相應會產生壓力波動。對于飛控系統和高升力系統，其作動器廣泛采用伺服控制，其產生的壓力沖擊為作動器運動過程中反復的高頻沖擊。對于起落架系統，其選擇閥打開會造成瞬時的大流量，對液壓系統會造成瞬時壓力沖擊。

在用戶壓力沖擊向系統傳遞的過程中，壓力沖擊會與系統中的管路、優先閥、蓄壓器、油濾等發生作用，最終將壓力沖擊傳遞至液壓系統的恒壓變量泵，引起柱塞泵流量調節機構的變化，響應用戶流量的變化。在液壓系統中，這種壓力沖擊整體呈現靠近用戶端壓力沖擊幅度大，而泵端壓力沖擊幅度小的特性。

對于飛控系統和高升力系統，其作動器廣泛采用伺服控制，伺服閥在收到控制指令后，會產生瞬時大流量需求，流量需求在系統中形成壓力沖擊。由于伺服閥響應很快，可以在短時間反復改變流量需求，造成多組變化壓力沖擊。而液壓系統由于管路和元件的存在及泵流量調節機構的固有頻率限制，不能實時響應壓力沖擊。在極端不利的條件下，會造成壓力沖擊在系統內反復震蕩得到加強，超出系統的設計范圍。

3 設計要點

在液壓系統的設計中，應注意以下設計要點，避免壓力沖擊影響系統性能。

3.1 液壓系統動態特性設計

液壓系統設計過程中，需對系統主要用戶和系統中主要元件的動態特性進行匹配設計，避免出現壓力沖擊超出設計值。

對于液壓泵附近的管路，需合理設計壓力、吸油和殼體回油管路的長度和管夾布置，使管路各段的固有頻率表避開液壓泵流量脈動頻率和發動機振動頻率。柱塞泵流量脈動頻率與柱塞泵的柱塞數和轉速有關。因此在設計中，應當在管路初步設計時計算液壓泵至油濾間各段管路的固有頻率，并按照各飛行階段中柱塞泵工況計算流量脈動的頻率，使固有頻率避開流量脈動基頻和倍頻[7-10]。

對于液壓系統用戶流量需求變化造成的液壓沖擊，首先應當提高柱塞泵的動態響應能力，保證在各用戶流量需求出現同向變化的不利情況下，能夠及時提夠足夠的流量變化。在保證液壓泵具有足夠的流量調節能力后，需核算壓力沖擊傳遞過程中管路、優先閥、蓄壓器和泵的響應速度，避免在壓力沖擊傳遞過程中出現振蕩。

3.2 原理性試驗臺的早期設計驗證

由于液壓系統壓力沖擊產生和傳遞機理的復雜性，僅靠分析和仿真并不能完全暴露設計問題。因此在液壓系統原理性試驗臺設計和試驗規劃中，需進行動態特性試驗，驗證液壓系統實際產生的壓力沖擊在正常范圍內，確保項目的順利進行。

4 結語

飛機液壓系統的壓力作為其關鍵指標，對用戶系統的正常操縱有重大影響。在飛機液壓系統設計中，減少系統中的壓力沖擊，對于提高飛機的操縱品質和安全性，具有重要意義。在飛機液壓系統設計過程中，合理的選取液壓系統壓力沖擊范圍，才能在滿足適航條款和各系統要求的前提下，在重量、布置、性能等方面得到良好的效果。對液壓系統動態特性的合理設計和試驗驗證，是保證飛機液壓系統壓力沖擊滿足設計要求的必要措施。

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[責任編輯：王楠]