大容積直線式液壓作動筒壓力脈沖試驗的分析與探索

陳育良，王 琨

（中航飛機起落架有限責任公司，湖南 長沙410200）

0 引言

隨著國內大飛機項目不斷上馬，大容積液壓作動筒用得也越來越多。根據相關標準[1]要求，新研制的飛機液壓作動筒、閥、壓力容器首次飛行前必須完成壓力脈沖試驗。目前國內壓力脈沖試驗設備難以滿足大容積液壓作動筒壓力脈沖試驗的要求[2]，大容積液壓作動筒進行壓力脈沖試驗時，一般采取填充剛性介質減少腔體內液體量的辦法，調試壓力脈沖波形達到標準試驗波形的要求。但當作動筒容積大到一定的量時，該方法失效。有人從控制試驗設備角度，探索解決辦法[2-3]。本文從大容積液壓作動筒試驗件本身出發，探索分析了難以調試出符合標準壓力脈沖波形的因素，為解決這一問題提供一定的參考依據。

1 壓力脈沖試驗時瞬間流入腔體液體量理論計算

壓力脈沖試驗時，液體瞬間流入腔體量主要由腔體內液體壓縮量和腔體變形量決定。文中選取大、小容積液壓作動筒全伸長狀態，壓力脈沖試驗規定波形的的峰值下，瞬間流入腔體液體量進行計算。兩作動筒尺寸如圖1、圖2所示。

圖1 大容積液壓作動筒

圖2 對比作動筒

1.1 油液壓縮引起瞬間流入腔體液體量

壓力脈沖試驗波形如圖3[4]所示，取其峰值壓力計算油液壓縮引起瞬間流入腔體液體量。

圖3 壓力脈沖試驗波形

根據一定壓力下，油液體積壓縮量：

▽V＝P×C×V

油液壓縮率（經驗公式）：C=8×10-4（MPa）；P為壓力；V為液體體積；L為作動筒行程。

（1）大容積液壓作動筒無桿腔壓縮量

大容積液壓作動筒無桿腔容積：

V＝ π×D2×L/4=π×1202×580/4=6 559.6 ml

峰值壓力下油液體積壓縮量：

▽V＝P×C×V=31.5×8×10-4×6 559.6=165.3 ml

（2）大容積液壓作動筒無桿腔填充后壓縮量計算

峰值壓力下油液體積壓縮量過大，在無桿腔填充剛性填充物，使無桿內油液剩余720 ml，此時壓力脈沖試驗峰值壓力下油液體積壓縮量：

▽V＝P×C×V=31.5×8×10-4×720=18.1 ml

（3）小容積液壓作動筒無桿腔填充后壓縮量

對比作動同作無桿腔壓縮量

V＝π×D2×L/4=π×582×278/4=734.5 ml

峰值壓力下油液體積壓縮量：

▽V＝P×C×V=31.5×8×10-4×734.5=18.5 ml

1.2 容腔變形引起瞬間流入腔體液體量計算

壓力脈沖試驗峰值壓力下直線式液壓作動筒無桿腔容腔變形引起瞬間流入腔體油液量，主要由徑向變形引起。兩作動筒外筒材料均為：30CrMnSiNi2A.

（1）工程計算容腔變形引起瞬間流入腔體液體量

1）大容積作動筒外筒變形油液流入量計算

行程：L=600 mm；D2=126 mm；D1=120 mm；D2/D1≈ 1，即結構為薄壁圓桶。外筒壁厚t=3 mm，彈性模量E=2.07 GPa，泊松比μ=0.3，外筒內徑Dm=123 mm.

環向變形：▽ι=ι×εθ＝π ×Dm×εθ

=π×123×0.00265=1.024 mm

徑向變形：▽Dm=（▽l+l）/π -Dm

=（1.024+ π × 123）/π -123

＝0.326 mm

徑向變形引起容腔變化量：

▽Vm=▽S×L=π×[（▽Dm+Dm）2-Dm2]×L/4

=π×[（0.326+123）2-1232]×600/4

=37 841.6 mm3≈37.8 ml

2）對比作動筒外筒變形油液流入量計算

行程：L=278 mm；D2=64 mm；D1=58 mm；D2/D1≈1，即結構為薄壁圓桶。

環向變型：▽ι=ι×εθ＝π ×Dm×εθ

=π×61×0.001 32=0.25 30 mm

徑向變形：▽Dm=（▽l+l）/π -Dm

=（0.253 0+ π × 61）/π -61

＝0.081 mm

無桿腔體積變形：

▽Vm=▽S×L=π×[（▽Dm+Dm）2-Dm2]×L/4

=π×[（0.081+61）2-612]×278/4

=2159.1 mm3≈2.159 1 ml

（2）有限元計算

從動筒外筒變形油液流入量計算公式來看，無桿腔體積變形對外筒壁厚變化不太敏感，因此將外筒簡化成厚度均勻的薄壁圓筒，加31.5 MPa的壓力，用ABQUAS軟件進行簡算，結果如1）、2）所示。

1）大容積作動筒外筒變形油液流入量有限元計算

圖4 大容積作動筒簡化外筒徑向變形計算

徑向變形：▽Dm=（▽Rmax+ ▽Rmin）

=（0.190+0.187）＝ 0.377 mm

無桿腔體積變形：

▽Vm=▽S×L=π×[（▽Dm+Dm）2-Dm2]×L/4

=π×[（0.377+123.2）2-123.22]×580/4

=42 380.3 mm3≈42.4 ml

2）小容積作動筒外筒變形油液流入量有限元計算

圖5 小容積作動筒簡化外筒徑向變形計算

徑向變形：▽Dm=（▽Rmax+ ▽Rmin）

=（0.049+0.047）＝ 0.096 mm

其中，▽Rmax表示半徑方向最大變形：▽Rmin為半徑方向最小變形；Dm表示外筒內徑。

則無桿腔體積變形為：

▽Vm=▽S×L=π×[（▽Dm+Dm）2-Dm2]×L/4

=π×[（0.096+61）2-612]×278/4

=2 580.2 mm3≈2.6 ml

2 大、小容積壓力脈沖試驗波形調試對比

大、小容積作動筒全伸長狀態（其中大容積作動筒無桿腔用鋁棒填充，且油液容量與小容積作動筒到全伸長狀態相同）下對無桿腔進行容積壓力脈沖試驗（試驗壓力21 MPa），根據圖3脈沖波形要求，最終調試出的最佳結果見圖6和圖7.

圖6 大容積作動筒最佳壓力脈沖試驗波形

圖7 小容積作動筒最佳壓力脈沖試驗波形

結果顯示：相同試驗條件下，大容積作動筒峰值壓力僅為22.4 MPa，遠低于標準規定要求的31.5 MPa，小容積作動筒峰值壓力為31.7 MPa，略超出標準要求。

3 原因分析

通過以上分析，相同試驗條件下，進行壓力脈沖試驗時，大容積直線式液壓作動筒比小容積直線式液壓作動筒更難調試出標準波形要求的峰值壓力，主要原因如下：

1）相同溫度和壓力下，油液壓縮引起瞬間流入腔體液體量與液體體積大小成正比，因此大容腔液壓作動筒液體量要多于小容腔液壓作動筒液體量。相同時間內，壓力從零達到峰值的瞬間所消耗的脈沖能量，大容腔液壓作動筒要多于小容腔液壓作動筒。

2）大容積作動筒外筒變形較大，一方面變形本身需要吸收更多能量，另一方面大容積作動筒受壓變形導致流入作動筒內腔油液量比小容積作動筒油液流入量多，這也決定試驗時大容積作動筒需要更多脈沖能量。

4 結束語

受外筒結構變形與腔內液體壓縮雙重影響，大容積直線式液壓作動筒進行壓力脈沖試驗時，目前國內設備難以調試出符合標準要求的脈沖波譜。本文計算分析了大、小兩個不同容積直線式液壓作動筒因外筒變形瞬間流入作動筒腔體的油液量；通過試驗驗證了壓力脈沖試驗調試試驗波形過程中，作動筒容積大小與壓力脈沖試驗波形的峰值直接關聯，在此基礎上分析了大容積直線式液壓作動筒進行壓力脈沖試驗時，不易調試出符合標準壓力脈沖試驗波形的原因。為探索國內目前試驗設備調試符合標準要求的脈沖波形以及解決試驗時選用標準壓力脈沖試驗譜提供一定的參考依據。

參考文獻：

[1]王錫張，謝金生，王 振，等.GJB3849-49飛機液壓作動筒、閥、壓力容器脈沖試驗要求和方法[S].解放軍駐320廠軍代室，1999.

[2]李 軍.飛機液壓系統壓力脈沖試驗的機理分析與控制[D].西安：西北工業大學，2007.

[3]袁朝輝，滕炯華.飛機液壓系統壓力脈沖試驗波形控制[J].航空學報，2003，24（5）：395-399.

[4]秦加禮，張吉力，王芝云.HB6090-86飛機Ⅰ、Ⅱ型系統直線式作動筒通用技術條件[S].中華人民共和國航空工業部，1986.