民機液壓系統安全閥下游回油管路動態壓力分析

吳 思

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

民機液壓系統在設計初期就需要確定系統回油管路設計壓力，以支持系統回油管路的設計選型，因此需要考慮液壓系統回油管路壓力較高的各種場景以及分析相應場景下的回油管路動態壓力峰值。

民機液壓系統中泵源通常為恒壓變量柱塞泵，當泵斜盤卡死在最大位置時會導致泵持續大流量輸出，此時液壓泵實際由恒壓變量泵變成了定排量泵，系統壓力迅速升高達到安全閥的開啟壓力后安全閥開啟，泵輸出的高壓油液經安全閥瞬時進入下游回油管路，此場景是液壓系統回油管路壓力可能較高的典型工況之一。本文基于AMESim軟件平臺建立了上述典型場景下系統安全閥下游回油管路動態壓力分析模型，分析了液壓系統中各關鍵元件及參數對安全閥下游回油管路動態壓力的影響，為民機液壓系統設計初期系統回油管路設計壓力確定提供支持。

1 民用飛機液壓系統簡介

民用飛機一般包含多套相互獨立的液壓能源系統，將發動機機械能或者電源電能轉換為液壓能源，通過液壓管路分配至各液壓用戶驅動用戶作動。液壓系統用戶通常包括主飛控、高升力、起落架和剎車等。各套液壓能源系統的功能和組成大致相同，典型民機液壓能源系統通常包括液壓泵、油濾組件、蓄壓器、各類閥件以及液壓管路，如圖1所示。液壓泵作為能源轉換裝置，將機械能或者電能轉換為油液液壓能輸出高壓油。液壓泵出口安裝有單向閥以控制油液流動方向。液壓油濾用以過濾油液中的污染物，保證油液清潔度在一定范圍內，以免影響液壓用戶作動。系統安全閥實際就是溢流閥，保證系統壓力在任何場景下不會過高，當系統壓力高于一定閾值時安全閥開啟使系統泄壓。圖1中的液壓油箱是現在民機液壓系統中常用的自增壓油箱，其工作原理是利用液壓泵輸出的高壓油推動活塞給低壓腔油液增壓。油箱高壓端處安裝有系統蓄壓器和油箱壓力保持閥。油箱壓力保持閥用于保持油箱的增壓壓力，其工作原理為當油箱高壓腔壓力高于一定閾值時，系統蓄壓器可以向系統充壓；當油箱高壓腔壓力低于一定閾值時，壓力保持閥關閉，系統蓄壓器優先保證油箱高壓端的壓力。單向閥，油濾和系統安全閥等液壓元件通常可根據具體需求和安裝位置集成在同一組件中，如圖1所示。

圖1 典型民機液壓系統簡化原理圖

根據液壓系統原理圖分析在液壓泵持續大流量輸出導致安全閥開啟場景下可能對安全閥下游回油管路壓力造成影響的上下游液壓元件包括液壓泵，液壓油箱，系統蓄壓器，壓力保持閥，高壓油濾組件中的單向閥、高壓油濾和安全閥，液壓用戶以及相連管路等，在進行安全閥下游回油管路動態壓力分析建模時上述液壓元件均需考慮。

2 建模簡化因素考慮

在進行安全閥下游回油管路動態壓力分析建模時，考慮做以下幾點簡化：

1)將高壓油濾組件中的單向閥和油濾作為液阻元件處理；

2)液壓泵持續大流量輸出導致安全閥開啟場景下，系統中的大部分液壓油經由安全閥進入油箱，液壓用戶端僅考慮內泄漏流量。考慮將系統中的所有液壓用戶簡化為一個節流口以模擬液壓用戶總的內泄漏特性。

3 安全閥下游回油管路動態壓力分析建模

本文基于AMESim平臺進行安全閥下游回油管路動態壓力分析建模，建模采用的元件均來自軟件中的元件庫，主要包括標準液壓庫(Hydraulic)、液壓元件設計庫(Hydraulic Component Design)、機械庫(Mechanical)和信號控制庫(Signal Control)等。

民機液壓系統安全閥下游回油管路動態壓力分析基礎模型如圖2所示，基礎模型中暫時不考慮高壓油濾組件中的單向閥和油濾，系統蓄壓器和壓力保持閥以及油箱容腔效應，后續進行影響分析時體現。后續進行影響因素分析時均以基礎模型作為對比基線。

圖2 民機液壓系統安全閥下游回油管路動態壓力分析基礎模型

基礎模型中，液壓泵采用軟件標準液壓庫中的恒壓變量泵模塊和定排量泵模塊雙泵切換運行模式進行建模，恒壓變量泵模塊用于模擬泵正常運行，定排量泵模塊用于模擬泵故障后持續大流量輸出。液壓油箱建模采用軟件液壓元件設計庫中的多個活塞模塊模擬油箱的活塞式增壓原理，設置兩端活塞面積比以保證油箱增壓比。系統安全閥建模采用軟件標準液壓庫中的溢流閥模塊，溢流閥模塊的動態特性設為一階慣性響應。液壓管路建模在選擇管道子模型時需注意，溢流閥下游回油管路子模型需考慮油液的液容、液阻以及慣性波動效應，其它管路只需考慮油液的液容和液阻效應。油液物性參數主要設置液壓油的密度、體積模量和粘度。

仿真時間設置為65 s，計算步長設置為0.000 1 s，容差設置為10。仿真模型運行時設置0 s～50 s為恒壓變量泵模塊轉速增加的時間，50 s～55 s是恒壓變量泵模塊穩定運行的時間，55 s～65 s是定排量泵運行的時間。分析仿真結果時會視情況忽略液壓泵作為恒壓變量泵模式運行的前面部分時間段和壓力達到穩定的后面部分時間段，重點關注壓力處于動態變化的中間一段很短的時間段。

4 安全閥下游回油管路動態壓力仿真分析

4.1 系統中液容和液阻效應對回油管路動態壓力的影響

分別在液壓泵到安全閥的油路上增加節流口以模擬單向閥和油濾的液阻效應，增加用戶節流口油路，在油箱低壓端增加液容模塊以模擬油箱容腔效應，安全閥下游回油管路入口處的動態壓力仿真結果如圖3～圖5所示。分析仿真結果可知系統中的液容和液阻元件都可以降低回油管路動態壓力峰值，在系統設計初期如果很多元件參數還未明確，可考慮忽略部分液容和液阻元件，從更嚴酷的角度支持液壓系統回油管路設計壓力確定。

圖3 液壓泵到安全閥的油路上增加節流口回油管路動態壓力曲線

圖4 增加用戶節流口油路后回油管路動態壓力曲線

圖5 油箱低壓端增壓液容模塊后回油管路動態壓力曲線

4.2 安全閥開啟快慢對回油管路動態壓力的影響

溢流閥模塊的參數設置中，閥的響應時間代表流經閥的流量從零增大到最大流量的時間，即代表閥的開啟速度。分別設置溢流閥一階響應時間為0.01 s、0.03 s、0.05 s、0.08 s、0.1 s，回油管路動態壓力仿真結果如圖6～圖7所示。分析仿真

圖6 溢流閥開啟時間對回油管路動態壓力的影響

圖7 溢流閥開啟時間對回油管路動態壓力的影響

結果可知當溢流閥開啟時間在一定范圍內時，由于溢流閥開啟速度較快，系統內壓力來不及建立，溢流閥開啟速度越快，回油管路動態壓力峰值越低；當溢流閥開啟時間超過一定范圍時，溢流閥開啟速度越慢，回油管路動態壓力峰值越低。

4.3 系統蓄壓器對回油管路動態壓力的影響

在基礎模型中油箱的高壓端增加蓄壓器，回油管路動態壓力仿真結果如圖8所示。分別設置蓄壓器體積為170 in，240 in，300 in，回油管路動態壓力仿真結果如圖9所示。分析仿真結果可知系統中增加蓄壓器回油管路動態峰值明顯降低，蓄壓器體積越大，回油管路動態壓力峰值越低，但變化相對較小。蓄壓器的有無對回油管路動態壓力峰值的影響較大，其體積大小相對來說影響較小。

圖8 增加蓄壓器后回油管路動態壓力曲線

圖9 蓄壓器體積大小對回油管路動態壓力的影響

5 結論

本文針對民機液壓系統中液壓泵持續大流量輸出導致安全閥開啟場景下安全閥下游回油管路的動態壓力進行了仿真分析，分析了液壓系統中液容和液阻元件、安全閥開啟快慢、以及蓄壓器的有無和蓄壓器體積大小對安全閥下游回油管路動態壓力峰值的影響，為民機液壓系統設計初期回油管路設計壓力確定提供理論支撐。