基于液固耦合飛機液壓滑閥密封性能分析方法

韓 棟，王智勇，王俊斌，冀江濤，徐明顯

(西安飛機工業(集團)有限責任公司，陜西 西安 710089)

0 引言

飛機起落架液壓滑閥是控制起落架收放的關鍵元件[1-2]。滑閥閥芯與閥體之間存在微小密封間隙，在工作時，液壓油會在壓力作用下通過閥芯與閥體之間的微小間隙產生泄漏。當泄漏量較大時，會嚴重影響飛機液壓系統的工作性能[3]。

滑閥密封性能受到間隙密封結構、供油壓力、液壓油性質、溫度等多種因素的影響[4]。為分析影響滑閥泄漏量的因素，文獻[5]運用仿真方法分別研究了均壓槽數量、分布及深寬比對密封間隙泄漏量的影響。文獻[6]對具有不同結構的迷宮密封進行了流動可視化實驗研究，并利用CFD技術進行了結構優化。文獻[7]利用 AMESim 軟件搭建了內泄漏故障仿真平臺，研究了壓力、間隙高度、遮蓋量等因素對泄漏量的影響。以上研究從間隙密封結構和液壓油進出口壓差等方面對泄漏量進行了分析，并未考慮液壓油的壓力與滑閥閥體的相互耦合作用對系統泄漏量的影響。為此，文獻[8]基于Workbench平臺，利用雙向液固耦合技術研究了油液壓力對滑閥間隙結構變形及泄漏量的影響，該模型泄漏縫隙較大且未帶有均壓槽。對于泄漏縫隙微小的飛機起落架精密液壓滑閥，采用雙向液固耦合的方法會使得計算時間較長且計算結果誤差較大。本文針對上述問題，提出了基于單向液固耦合的飛機精密液壓滑閥的密封性能分析方法。

1 飛機液壓滑閥泄漏問題

飛機液壓滑閥的閥芯和閥體之間可以相對軸向往復運動。滑閥通過閥芯和閥體之間微小間隙形成密封結構。密封結構分為無均壓槽和有均壓槽兩種，如圖1所示。兩種結構參數如表1所示。

圖1 滑閥密封間隙結構圖Fig.1 Structure of seal clearance of sliding valve

表1 滑閥間隙結構參數Tab.1 Structural parameters of sliding valve clearance

液壓滑閥的閥芯和閥體之間存在微小間隙，其內部充滿液壓油，油液形成環形流場。在壓力的作用下，液壓油會通過該間隙產生泄漏。該間隙內流體可等效為同心圓環的液壓流場。一般泄漏量q可由式(1)計算[9-10]：

(1)

液壓油與閥體結構之間存在耦合作用。滑閥閥體及閥芯結構在油液壓力的作用下會產生一定的變形，使得密封縫隙增大，液壓油的通流面積增大，導致液壓油的泄漏量增加。當液壓油壓力較高時，這一影響更為明顯。式(1)在計算泄漏量時并未考慮液壓油與閥體結構間的耦合作用因素，使得計算結果誤差較大。

2 基于單向液固耦合的滑閥泄漏量

2.1 基于單向液固耦合的滑閥泄漏量理論分析

單向液固耦合研究液體域對固體域的作用，閥芯和閥體在縫隙內液體壓力的作用下會產生變形，該變形量與液體壓力、固體域直徑及材料有關。閥芯外壁面徑向位移u1和閥體內壁面徑向位移u2可由式(2)和式(3)計算得到：

(2)

(3)

密封縫隙的徑向尺寸變化量可由閥體和閥芯相對變形綜合值Δh表示：

(4)

根據式(4)可計算滑閥縫隙的綜合變形量，得到變形后的間隙進口和出口參數。考慮液固耦合變形的泄漏量[8]可由式(5)計算得到：

(5)

2.2 基于單向液固耦合的滑閥泄漏量仿真分析

采用單向液固耦合的方法，建立液壓滑閥結構耦合變形仿真分析模型，得到滑閥在不同油液壓力作用下的結構變形，并基于該變形建立滑閥流場仿真分析模型，求解在考慮耦合因素影響下的泄漏量。

1) 滑閥液固耦合變形分析

以圖1所示的兩種滑閥間隙密封結構為對象，建立了包含閥芯和閥體結構以及間隙流場的單向液固耦合分析模型。選取間隙液體內壁面與閥芯外壁面、間隙液體外壁面與閥體內壁面作為液固耦合界面。截取縫隙部分有限元網格如圖2所示。

圖2 密封間隙單向液固耦合分析模型Fig.2 One-way liquid-solid coupling analysis model of sealing clearance

分析時液壓油選用15#航空液壓油，設置密度850 kg·m-3，動力粘度0.019 109 7 kg/m·s，密封間隙出口油壓為0 MPa，密封間隙入口油壓分別設置為5、10、15和20 MPa四種壓力，并計算滑閥結構不同壓力下的變形量。以入口油壓15 MPa為例，得到閥體、閥芯的徑向變形如圖3和圖4所示。

圖3 閥體內壁面變形云圖Fig.3 Deformation nephogram of inner wall of valve body

圖4 閥芯外壁面變形云圖Fig.4 Deformation nephogram of outer wall of valve stem

將不同壓力條件下的閥體、閥芯進出口處的結構變形量整理如表2所示。

表2 不同壓力條件下滑閥閥芯、閥體進出口變形量Tab.2 Deformation of inlet and outlet of valve body and valve stem under different pressure conditions

根據表2可以看出閥芯與閥體的徑向變形量均隨壓差的增加而增加。根據圖3、圖4可以看出，在液體壓力的作用下，閥芯向內收縮，閥體向外擴張，閥芯和閥體的最大變形出現在液壓油進口處，最小變形出現在出口處，泄漏縫隙截面呈圖5所示的錐形結構。

圖5 滑閥密封間隙結構變形示意圖Fig.5 Structural deformation of seal clearance of sliding valve

2) 考慮耦合變形與不考慮耦合變形的液壓滑閥油液泄漏仿真分析

縫隙泄漏量與縫隙寬度有關，而寬度大小主要由閥芯外徑和閥體內徑決定。根據閥芯與閥體的徑向變形量修正液體結構，建立考慮耦合變形和不考慮耦合變形時的縫隙仿真模型并進行仿真計算。液壓油屬性和邊界條件與液固耦合仿真時參數保持一致。考慮耦合變形時的縫隙流體仿真模型如圖6所示。

圖6 考慮液固耦合變形的滑閥密封間隙流場分析模型Fig.6 Fluid analysis model of sealing clearance with liquid-solid coupling deformation

3 計算結果與對比分析

考慮液固耦合變形與不考慮液固耦合變形兩種情況下滑閥的泄漏量與壓差的關系如圖7所示。考慮液固耦合變形前后系統泄漏量數據如表3所示。

圖7 泄漏量隨壓差變化曲線Fig.7 Curves of leakage under different pressures

表3 考慮結構耦合變形前后的系統泄漏量對比Tab.3 Comparison of system leakage considering structural coupling deformation

由圖7可以看出，泄漏量隨壓差的增加而增多，這是由于壓差增加時，縫隙橫截面上流速增大，單位時間內通過縫隙的流量增多[13]。有均壓槽的縫隙泄漏量多于無均壓槽的縫隙，因為均壓槽的存在相當于增加了縫隙寬度，從而使得泄漏量增大。考慮耦合變形之后的泄漏量比不考慮耦合變形時更多，其原因是液固耦合作用產生結構變形，加大了泄漏間隙，改變了縫隙形狀，從而增加了泄漏量。

由表3可以看出，在同等壓差條件下，有均壓槽時密封間隙在考慮耦合變形之后得到的泄漏量增量相較于無均壓槽時更多，因此可知有均壓槽的間隙受液固耦合因素影響更大。

液固耦合產生的結構變形除了導致泄漏量變化，還會影響間隙處油液的壓力分布。以壓差為15 MPa為例，考慮耦合變形前后，密封間隙處液壓油壓力沿滑閥軸向位置的變形曲線如圖8所示。

圖8 間隙液體流場壓力分布曲線Fig.8 Pressure distribution curve of fluid field in sealing clearance

由圖8(a)可以看出，密封間隙處液壓油壓力均沿滑閥軸向由入口向出口逐漸降低，呈線性變化，這與泄漏量理論計算式(1)相符合。當密封間隙有均壓槽時，均壓槽具有平衡壓力的作用，壓力在均壓槽處保持不變[14],如圖8(b)所示。液固耦合因素影響液壓油的壓力分布。無均壓槽時，密封間隙處流場壓力分布曲線呈上凸形式是由于靠近高壓入口處間隙大，壓力下降慢，而靠近低壓出口處間隙小，壓力下降快。有均壓槽時，密封縫隙入口側的壓力曲線斜率小于出口側壓力曲線斜率，同樣是由于高壓側間隙較大導致壓力下降較慢，而偏向低壓區的一側間隙較小，壓力下降較快。

根據式(1)—(5)對無均壓槽間隙泄漏量進行理論計算，將結果與仿真結果列于表4進行對比。結果表明仿真所求得的泄漏量與理論計算求得的泄漏量較為接近，驗證了仿真計算的準確性。

表4 無均壓槽時泄漏量理論值與仿真值的對比Tab.4 Leakage comparison of theoretical value and simulation value considering pressure equalizing slot

4 結論

本文提出了基于單向液固耦合的飛機精密液壓滑閥密封性能分析方法。該方法研究了飛機起落架液壓滑閥密封間隙在不同結構參數、不同壓力及是否考慮液固耦合影響因素條件下的系統泄漏量，獲得了液壓滑閥在不同條件下的密封特性及其變化規律，并通過對比分析驗證了計算結果的正確性。計算對比結果表明：相比無均壓槽密封間隙，有均壓槽時液壓滑閥系統泄漏量更大；液壓油與滑閥結構間的耦合作用會使閥芯及閥體產生變形，形成錐形密封間隙，致使系統泄漏量增大；隨液壓油壓力的增大，由液固耦合影響所導致的系統泄漏量有逐漸增大的趨勢；同時油液壓力分布曲線由線性變為上凸形式曲線。研究表明，基于單向液固耦合的分析方法能夠有效地解決精密液壓滑閥密封性能分析問題，為飛機起落架液壓滑閥密封性能分析提供了有效的分析方法和依據。