飛機液壓油箱傳感器安裝位置變動的可行性分析

劉政宏 金磊 范建博/航空工業西安飛機工業（集團）有限責任公司

0 引言

液壓油箱油量測量的準確性直接影響飛行員對液壓執行系統的操縱，必須保證其提供的是實際油箱油量[1]。液壓油箱的機上安裝應執行設計標準，并且也要考慮傳感器相對油箱的位置，以保證飛行過程中任意盤旋角度下都不會出現低油位告警現象。

針對地勤人員反映液壓油箱油量測量傳感器因空間受限而拆裝困難問題，對油量測量傳感器移位的可行性進行模擬計算及分析。

圖1 液壓油量測量系統工作原理

圖2 液壓油箱及傳感器安裝示意圖

1 油量測量傳感器工作原理

液壓油量測量系統中的傳感器為線性電容式油量傳感器[2-3]，靠法蘭盤安裝在液壓油箱頂部。油量傳感器頭部內加裝信號變換元件，將傳感器感受到的油箱油面高度變換為對應的頻率信號后輸出至液壓油量信號變換器；液壓油量信號變換器對傳感器的輸出信號進行檢測，并按飛機液壓油箱曲線進行計算和數據處理，得到液壓油箱中的油量數據；同時通過總線將液壓油箱油量數據發送至發動機指示/空勤告警系統進行指示。其工作過程如圖1 所示。

2 液壓油量測量傳感器安裝位置

液壓油箱供存貯液壓油用[4]，其形狀近似為圓柱體，通過卡箍安裝于飛機15 框液壓艙內，距飛機中心軸線157mm，油量測量傳感器位于油箱中心上部。液壓油箱總容積為40L，正常加油量22L ～24L，液壓油箱及傳感器的安裝示意圖如圖2 所示。

3 油箱液位—容積（H-V）曲線

液壓油箱在機上處于水平安裝位置，在此狀態下，根據系統供油量需求及油箱尺寸，確定滿油位及低油位時液面相對傳感器的高度以及油箱加油液面相對傳感器高度的分析參數，如圖3 所示。

油箱為圓柱兩端加圓弧（弓形）端蓋油箱，端蓋詳見圖4，可見圓弧端蓋在弓高37mm 內要轉換為圓柱段，其中有4.13mm 的圓柱段和10mm 的過渡段，其他為圓弧端蓋。為分析計算方便，對其進行等效化處理，將圓弧形端蓋等效為直徑與油箱直徑相同且容積不變的圓柱形端蓋。等效過程中用到的圓柱體積公式、圓環體積公式及球體體積公式如下。

其中，r 為圓環截面圓半徑；R 為圓環體的最大截面圓半徑。

圖3 油箱油位分析圖

圖4 端蓋詳圖

其中，h 為弦高；r 為圓球半徑。

由式（1）～式（3）計算得到端蓋體積，用體積按式（1）計算出R 為150mm 時的h 為25.1mm，則液壓油箱等效為半徑R 為150mm、圓柱段高度b為580.2mm 的圓柱體油箱。

對于該液壓油箱，油量為零時對應的油量測量傳感器零位高度H零為295mm；油量為最低油量6.5±0.50L 時對應的油量測量傳感器最低油位告警高度H告警為235±3mm；油量為滿油油量22L 時對應的油量測量傳感器高度H滿為142mm。

對于水平放置的圓柱體液壓油箱，其油量體積計算由油浸潤的扇形面積乘以圓柱高度得出。設扇形對應的圓心角的一半為θ，扇形面積由公式（4）計算，由公式（4）～（6）和圖3 則可計算油箱H-V[5]曲線。

根據圖3 中的弓形HFKE 等效后的矩形HH1K1K，可計算得到油箱H-V 曲線（見圖5），油箱油量隨著傳感器浸油高度的增加而增加。

4 傳感器移位分析

4.1 機上現有安裝情況

現在飛機在液壓油箱測量傳感器上方65mm 處增加一根燃油管，燃油管直徑φ 為104mm，油量測量傳感器安裝中心距燃油管中心51mm，油量測量傳感器安裝法蘭最小尺寸半徑為40mm，安裝相對位置如圖6 所示。由圖可知，油量測量傳感器與燃油管的投影重疊量為41mm，傳感器的拆裝高度需求為335mm，實際高度僅為65mm，因此油量測量傳感器無拆裝空間。

4.2 油量測量傳感器安裝位置的調整

為保證油量測量傳感器有足夠的維護空間，需對其安裝位置進行調整。為此，在不改變液壓油箱位置的情況下，將油箱油量測量傳感器相對液壓油箱安裝位置重新進行設計，將傳感器逆航向右移110mm，更改前后的相對位置如圖7 所示。

4.3 傳感器移位后不同坡度角對油量測量的影響

在飛機巡航飛行時，液壓油箱中的油液液面幾乎不變，此時傳感器不會出現低油位告警現象[6]。現考慮飛機在盤旋狀態下對傳感器測量值的影響（飛機盤旋時正常坡度角為30°，允許最大坡度角為60°），按坡度角范圍要求，對盤旋時油箱空間位置進行模擬，盤旋時油箱姿態變化如圖8 所示。

圖5 油量與油量測量傳感器浸油高度的關系

圖6 油量傳感器拆裝空間示意

圖7 更改前后液壓油箱傳感器相對油箱的位置

圖8 盤旋時液壓油箱姿態變化（順時針右盤右傾，逆時針左盤左傾，順航向視圖）

圖9 各坡度下最低油量點不露出油面時所需的最低油量

根據理論公式，計算不同坡度角下最低油量告警點露出時所需的最小油量，結果如圖9 所示。

從圖9 可以看出：以15L 加油量來分析，改進前，坡度在45°～60°范圍內的左右盤旋狀態下，低油量告警信號會發出；改進后，右盤旋時，坡度在27°～60°范圍內的右盤旋狀態下，低油量告警信號會發出；左盤旋時低油量告警信號不會發出。以22L 加油量來分析，改進前，坡度在0°～60°范圍內的左右盤旋狀態下，低油量告警信號均不會發出；改進后，右盤旋時，坡度在41°～60°范圍內的右盤旋狀態下，低油量告警信號會發出；左盤旋時低油量告警信號不會發出。

因此，當傳感器移位后，飛機的坡度角為41°～60°范圍內時，右盤旋狀態下會出現低油量告警現象，影響飛行員的操縱判斷。

5 總結

根據上述理論分析計算，油箱油量測量傳感器相對油箱的安裝位置直接影響不同飛行姿態下的測量結果，甚至出現空中低油位告警現象，將對空勤人員正常執行飛行任務產生較大影響。因此，液壓系統油量測量傳感器在油箱上的安裝位置應符合飛機設計手冊的設計要求，不能因周圍設備的影響而更改其在油箱上的安裝位置。