一種高集成一體化液壓能源設(shè)計及其密封優(yōu)化

孫華旺， 李興勇， 馬成成， 杜方輝， 蔣蘇蘇， 沈紅祥

（上海航天控制技術(shù)研究所， 上海 201100）

0 前言

隨著來襲目標(biāo)性能的不斷攀升， 戰(zhàn)術(shù)防空導(dǎo)彈也向著高精度、 高速、 高機(jī)動、 遠(yuǎn)距的方向發(fā)展。 除了可在導(dǎo)彈控制策略方面采取一定措施之外， 導(dǎo)彈本身品質(zhì)至關(guān)重要， 其結(jié)構(gòu)外形、 質(zhì)量等直接影響導(dǎo)彈的飛行速度、 機(jī)動過載能力等， 輕質(zhì)、 小型化必然是戰(zhàn)術(shù)防空導(dǎo)彈的發(fā)展方向［1］。 所示典型戰(zhàn)術(shù)防空導(dǎo)彈一般由導(dǎo)引頭、 電子艙、 戰(zhàn)斗部、 發(fā)動機(jī)、 舵機(jī)艙等組成， 在現(xiàn)有發(fā)動機(jī)技術(shù)水平下， 要使導(dǎo)彈具備遠(yuǎn)程防空能力， 增加發(fā)動機(jī)的長度是最直接、 最有效的途徑， 但這會增加導(dǎo)彈的長度和質(zhì)量。 因此， 要保證導(dǎo)彈具有良好的性能， 勢必需要減小舵機(jī)艙段的長度與質(zhì)量， 對導(dǎo)彈舵機(jī)進(jìn)行輕質(zhì)、 小型化設(shè)計［2－4］。

按照能源體制及工作原理劃分， 導(dǎo)彈舵機(jī)主要有液壓、 氣動、 電動3 種形式。 其中， 與氣動、 電動舵機(jī)相比， 液壓舵機(jī)具有功率大、 抗復(fù)雜工況能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［4］， 但其體積較大、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 應(yīng)用于中小彈徑的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈存在一定的難度。 再者， 目前電動舵機(jī)的發(fā)展已逐漸成熟， 液壓舵機(jī)若想要在中小彈徑的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈中具備競爭力， 必須在輕質(zhì)小型化方面取得較大的突破［2］。

目前， 國內(nèi)外使用液壓舵機(jī)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈種類較多， 比較典型的有美國的AIM?7E 空空導(dǎo)彈、 國產(chǎn)的多型導(dǎo)彈等。 現(xiàn)有的液壓舵機(jī)大多數(shù)采用獨(dú)立整件拼裝的液壓能源系統(tǒng)， 各功能相互獨(dú)立， 使得液壓能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繁重、 體積較大［5－6］。

本文作者提出一種高集成一體化的液壓能源設(shè)計， 通過將液壓泵、 油箱、 閥組等融合集成， 實(shí)現(xiàn)體積、 質(zhì)量的降低； 同時通過對液壓能源系統(tǒng)進(jìn)行密封優(yōu)化設(shè)計， 提升系統(tǒng)的容積效率， 在不損失性能的前提下， 實(shí)現(xiàn)液壓能源系統(tǒng)的集成一體化設(shè)計。 此外，對一體化的液壓能源系統(tǒng)采用仿真軟件進(jìn)行仿真分析， 并進(jìn)行樣機(jī)測試試驗(yàn)， 對比分析一體化液壓能源提升液壓泵容積效率的有效性。

1 一體化液壓能源結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 一體化能源總體設(shè)計

液壓能源系統(tǒng)由直流有刷電機(jī)、 變排量液壓泵、自增壓油箱、 能源本體以及測試進(jìn)回油嘴、 低壓安全閥、 高壓安全閥、 油濾等液壓輔件組成。 其液壓原理如圖1 所示。

圖1 一體化能源液壓原理Fig.1 Integrated energy hydraulic principle

為提高能源系統(tǒng)的集成化， 通過取消液壓泵的單獨(dú)泵殼， 將液壓泵芯直接安裝到能源本體上， 由能源本體取代泵殼從而達(dá)到支撐泵芯、 流道連通的功能，同時可以降低能源系統(tǒng)的體積和質(zhì)量。

能源本體高度集成了各液壓元件， 充分利用各個表面作為插裝孔、 法蘭孔的加工面。 為減小體積和質(zhì)量， 各閥類、 接頭類液壓附件設(shè)計成插裝閥， 采用螺紋插裝的方式安裝于能源本體， 油箱、 高低壓輸出接口則采用法蘭對接方式。

完成能源本體和各液壓附件結(jié)構(gòu)設(shè)計后， 對液壓能源系統(tǒng)進(jìn)行整合設(shè)計。 通過法蘭、 螺紋插裝等方式將各組成部分集成于一體， 如圖2 所示。

圖2 高集成一體化液壓能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of highly integrated hydraulic energy system

圖3 能源本體結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of energy ontology

1.2 能源本體設(shè)計

能源本體是能源系統(tǒng)的核心部件， 有刷電機(jī)、 液壓泵、 油箱、 閥組件等都是以能源本體為核心進(jìn)行安裝。

為了使能源本體結(jié)構(gòu)更加緊湊， 對能源本體采取減重設(shè)計， 整個能源本體呈“T” 形， 液壓泵的支撐結(jié)構(gòu)呈上下分布， 上面安裝低壓安全閥， 便于低壓安全閥泄壓， 底面安裝液壓泵的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和高壓安全閥； 前面作為液壓泵和直流電機(jī)的對接面， 后面作為與油箱的對接面， 分別設(shè)置相應(yīng)的對接法蘭； 前面設(shè)置用于地面測試用的進(jìn)回油自封接口， 與地面油源測試連接操作非常方便； 右面并排設(shè)置了單向閥和油濾； 2 個下平面分別設(shè)置了一組高、 低壓油口及相應(yīng)對接法蘭， 用于對外輸出液壓能源。

能源本體內(nèi)部設(shè)置了油路， 用于將液壓泵及其他液壓輔件進(jìn)行邏輯連通， 油路對外的封堵采用堵頭鉚接的方式， 如圖4 所示， 與橡膠圈密封相比， 該結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計簡單、 操作方便、 可靠性高。

圖4 油路封堵示意Fig.4 Schematic of oil road blockage

1.3 一體化液壓泵源密封設(shè)計

液壓泵的效率是衡量其品質(zhì)的重要參數(shù)， 而影響液壓泵效率的因素主要是液壓泵的內(nèi)泄漏。 液壓泵泄漏環(huán)節(jié)主要包括以下三部分： 液壓泵配流盤與泵腔底面配合間隙， 液壓泵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)活塞與活塞孔配合間隙， 柱塞滑靴組配合間隙［7－11］。

能源本體的泄漏可以通過改變密封形式彌補(bǔ)， 將配流盤和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)活塞的機(jī)械密封改為密封圈動密封， 極大地降低了配流盤、 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的泄漏問題； 而通過對柱塞滑靴組的各泄漏部位進(jìn)行定量計算， 嚴(yán)格把控重要配合參數(shù)， 可將間隙運(yùn)動副固有泄漏量進(jìn)一步降低。

1.3.1 配流盤密封設(shè)計

改進(jìn)前配流盤通過自身端面與泵腔底面貼合， 存在一定的間隙［10］。 通過在配流盤上設(shè)置密封槽， 將間隙配合改進(jìn)為橡膠圈密封配合， 如圖5 所示。

圖5 配流盤靜密封結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of static seal of valve plate

1.3.2 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)活塞密封設(shè)計

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)閥芯的2 個軸肩與能源本體閥芯孔采用間隙配合， 其為機(jī)械密封， 泄漏量較大。 通過在軸肩上設(shè)置密封槽， 將機(jī)械密封改進(jìn)為采用橡膠圈的動密封， 結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)閥芯動密封結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of regulating mechanism spool dynamic seal

1.3.3 柱塞滑靴組密封優(yōu)化

柱塞滑靴組的泄漏量主要組成有： 柱塞與柱塞孔間的泄漏、 滑靴底部油室泄漏、 缸體油窗孔與配流盤間泄漏［10，12－13］。 影響液壓泵柱塞滑靴組泄漏量的主要因素為柱塞與缸體配合間隙、 滑靴與斜盤配合間隙、缸體與配流盤配合間隙。 通過減小運(yùn)動副配合間隙、適當(dāng)優(yōu)化配流盤高低壓油槽尺寸， 可以有效降低配合間隙的泄漏量。

2 仿真驗(yàn)證

2.1 仿真模型建立

建立一體化液壓能源的仿真模型， 對優(yōu)化密封后的一體化液壓能源與獨(dú)立式液壓能源的性能進(jìn)行對比分析。 圖7 所示為一體化液壓能源仿真結(jié)構(gòu)模型， 并在AMESim 中進(jìn)行仿真分析， 系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

表1 AMESim 仿真主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the simulation model in AMESim

圖7 一體化液壓能源仿真模型Fig.7 Integrated hydraulic energy simulation model

2.2 仿真結(jié)果分析

對比液壓能源優(yōu)化前后的輸出流量、 泄漏流量和所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩， 如圖8 所示。

圖8 優(yōu)化前后輸出流量、 泄漏流量（a） 以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩（b） 對比Fig.8 Comparison of output flow， leakage flow （a） and motor torque （b） before and after optimization

由圖8 可知： 通過密封優(yōu)化， 液壓泵的泄漏流量從1.92 L/min 下降至1.47 L/min， 輸出流量提升0.45 L/min， 密封優(yōu)化設(shè)計可以有效提升液壓泵的容積效率； 同時， 電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降了0.27 N·m 左右， 降低了對彈上能源的需求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1 液壓泵性能試驗(yàn)

將3 臺液壓泵泵體安裝在能源本體上， 通過螺堵和壓板將單向閥、 油濾、 高壓安全閥、 低壓安全閥、自增壓油箱、 測試進(jìn)回油的接口封堵， 通過高低壓油口對液壓泵本身進(jìn)行試驗(yàn)， 分別測試集成一體化液壓泵在11.5 L/min 額定流量工況下的液壓泵效率， 2 L/min 小流量工況下的液壓泵效率， 零流量、 22 MPa工況下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩等性能。 圖9 所示為集成一體化液壓泵與傳統(tǒng)獨(dú)立整件液壓泵性能對比。

由圖9 可知： 獨(dú)立式液壓泵在11.5 L/min 額定流量工況下效率為80.5% ～85.3%、 平均效率為82.5%， 集成一體化液壓泵的3 臺樣機(jī)效率分別為86.7%、 86.7%、 86%； 獨(dú)立式液壓泵在2 L/min 小流量工況下效率為55.7% ～62.5%， 平均效率為59.1%， 集成一體化液壓泵的3 臺樣機(jī)效率分別為65.5%、 66.3%、 68.1%； 獨(dú)立式液壓泵在零流量、22 MPa 工況下扭矩為0.48 ～0.55 N·m， 平均扭矩為0.52 N·m， 集成一體化液壓泵的3 臺樣機(jī)零流量轉(zhuǎn)矩為0.45、 0.45、 0.47 N·m。

集成一體化液壓泵與獨(dú)立整件形式的液壓泵性能對比結(jié)果表明： 集成一體化液壓泵額定工況下的效率提高4.24% ～5.09%， 小流量下容積效率提高10.83%～15.23%， 零流量下轉(zhuǎn)動力矩降低9.62%～13.4%。 因此， 集成式液壓泵設(shè)計可以有效提高液壓泵效率。

3.2 液壓能源系統(tǒng)性能試驗(yàn)

將有刷電機(jī)、 液壓泵、 自增壓油箱及液壓輔件等安裝到能源本體， 對整個高集成一體化液壓能源系統(tǒng)進(jìn)行測試。 將能源系統(tǒng)的高低壓油口用堵蓋封堵后直流電動機(jī)通電， 測試一體化液壓能源系統(tǒng)在零流量、22 MPa 下的電機(jī)電流。 圖10 所示為高集成一體化液壓能源與獨(dú)立式能源系統(tǒng)電流對比。

圖10 集成一體化能源系統(tǒng)與獨(dú)立式能源系統(tǒng)電流對比Fig.10 Current comparison of integrated hydraulic energy system and independent hydraulic energy system

獨(dú)立式液壓泵在零流量、 22 MPa 壓力下電機(jī)電流為19.3～20.7 A， 平均電流為20 A； 高集成一體化能源的3 臺樣機(jī)零流量電流分別為19.1、 18.9、18.30 A， 此工況下電機(jī)電流分別降低了4.50%、5.50%、 8.50%。 測試結(jié)果表明： 高集成一體化液壓能源系統(tǒng)可以有效提高系統(tǒng)效率， 降低對彈上能源的需求。

4 結(jié)論

文中提出了一種高集成一體化液壓能源設(shè)計， 通過取消液壓泵的單獨(dú)泵殼、 輔件插裝式安裝等方式以實(shí)現(xiàn)液壓能源小型化； 同時， 針對液壓泵的泄漏位置， 通過動、 靜密封取代間隙密封等方式提升能源系統(tǒng)效率。 仿真與樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明： 高集成一體化液壓能源可有效提升液壓泵容積效率， 降低電機(jī)的電流與扭矩， 以實(shí)現(xiàn)液壓能源效率的提升， 降低對彈上能源的需求。