航空液压系统管路与元件压力脉冲试验系统的研究

航空液压系统管路与元件压力脉冲试验系统的研究

在液压机系统工作时，如果瞬时速度变高，会产生强烈的压力影响。压力影响可能会导致系统管道断裂和元件失效。为了降低液压冲击的影响,一方面降低系统内压力冲击,另一方面则是提高管路及元件的抗液压冲击能力。管路和元件的抗液压冲击性能是通过液压脉冲试验体现的,尤其是对航空液压元件,都有严格的脉冲试验规范,如SAEARP603(E,F),GJB2837,GJB3849等。液压脉冲设备用于产生符合规范要求的试验用脉冲波形,依据目前飞机液压系统管路和元件脉冲试验的要求,脉冲波形主要是梯形波和水锤波。在为多个型号飞机液压系统元件与管路研制脉冲设备的基础上,本文将两种波形脉冲设备结合起来,研制了一种可以实现水锤波和梯形波等波形的通用液压脉冲设备。图1为液压脉冲设备原理图,图2为脉冲设备液压系统实物照片。液压脉冲设备主要由主油源、控制油源、补油系统、比例溢流阀、蓄能器、比例节流阀、旁路阀、电液换向阀、增压器以及被试件组成。比例溢流阀用于调节试验的额定压力,蓄能器用于补充瞬时流量,比例节流阀和旁路阀用于调节波形的峰值、上升斜率等。在产生水锤波时,换向阀的突然开启引起压力冲击,同时实现压力脉冲的占空比调节。控制油源用于保证在低压试验时电液换向阀的开启速度,补油系统主要用于补充试验段的泄漏。增压器小端至被试件部分称为试验段,按规范要求试件压力监测点应尽量靠近被试件前端。控制系统由工控机、标准接口卡和调理电路组成等。1系统模型1.1脉冲激光节流阀t模型管路一维非恒定流动方程为L1=∂p∂x+ρ∂v∂t+f(x,t)=0L2=∂p∂t+ρc2∂v∂x=0}(1)令L=L1+λL2,并取λ=±1/c,可得1cdpdt+ρdvdt+f(x,t)=0-1cdpdt+ρdvdt+f(x,t)=0}(2)式中:f(x,t)=fs(x,t)+fd(x,t),fs(x,t)为静态摩阻函数,fd(x,t)为动态摩阻函数。取Re≤2000时‚fs(x,t)=8ρμr2v2000<Re<105时,fs(x,t)=0.3164ρ2Re0.25dv|v|105<Re<3×106时,fs(x,t)=(0.0032+0.221Re-0.237)ρ2dv|v|对于动态摩阻函数,采用Trikha公式,有fd(x,t)=4ρμr2(Y1(t)+Y2(t)+Y3(t))Y1(t)=Y1(t-Δt)e-8000Δtμ/r2+40[v(t)-v(t-Δt)]Y2(t)=Y2(t-Δt)e-200Δtμ/r2+8.1[v(t)-v(t-Δt)]Y3(t)=Y3(t-Δt)e-26.4Δtμ/r2+[v(t)-v(t-Δt)]对方程(2),用数值法求解,将管路等分为N-1份,时间步长Δt,t=kΔt,k为正整数。对于管路中第j个节点,可得C+:pj(t)-CL+ΖsQj(t)=0C-:pj(t)-CR-ΖsQj(t)=0}(3)CL=pj-1(t-Δt)+ρcAQj-1(t-Δt)-fs(j-1)(x,t-Δt)cΔt-D1+D2AQj(t-Δt)CR=pj+1(t-Δt)-ρcAQj+1(t-Δt)+fs(j+1)(x,t-Δt)cΔt+D1-D2AQj(t-Δt)Ζs=ρcA+D2AD1=4ρμr2cΔt[Y1(t-Δt)e-8000Δtμ/r2+Y2(t-Δt)e-200Δtμ/r2+Y2(t-Δt)e-26.4Δtμ/r2]D2=196.4cΔtρμr2式中:p,Q为管路横截面上的平均压力和流量;ρ为油液密度;x为沿管路轴线的距离;v为断面平均流速;c为管路中冲击波传播速度;r,d为管路内径和通径;A为管路横截面积;μ为流体的运动粘度。脉冲设备的主连接管路有4段,记为i(i=1,…,4),按顺序分别置于蓄能器、比例节流阀、电液换向阀、增压器和被试件之间。设Ni为管路i的节点数,j-1,j,j+1为管路节点,则pi,j(t)=CLi+CRi2Qi,j(t)=CLi-CRi2Ζsi}(4)其中:i=1,…,4;j=1,…,Ni;CLi=pi,j-1(t-Δt)+ρcAiQi,j-1(t-Δt)-fsi,(j-1)(x,t-Δt)cΔt-D1i+D2iAiQi,j(t-Δt)CRi=pi,j+1(t-Δt)-ρcAiQi,j+1(t-Δt)+fsi,(j+1)(x,t-Δt)cΔt+D1i-D2iAiQi,j(t-Δt)按上述方程,四段管路边界有16个未知数,但只有8个方程,所以还需依据连接元件的特性确定出其他的边界补充方程。1.2qxt型蓄能器出口右端即管路1始端,出口左端为单向阀,忽略出口连接管路损失等,可得p1,1(t)Vx(t)n=p0Vnx0Vx(t)=Vx(t-Δt)+ΔtQx(t-Δt)+Qx(t)2{Q1,1(t)=Qx(t)+Qs,p1,1(t)<psQ1,1(t)=Qx(t),p1,1(t)≥ps联立求解,可得Q1,1(t)=[√(0.5ΔtCR1-Ζs1V)2+2ΔtΖs1p0V0-(Ζs1V1+0.5ΔtCR1)]/(ΔtΖs1)V1=Vx(t-Δt)+0.5Δt[Qx(t-Δt)-Qs]式中:p0初始充气压力;Vx0蓄能器容积;Vx当前气体容积;Qx蓄能器输出流量;n=1;ps,Qs油源压力与流量。1.3比例节流阀ss比例节流阀前端压力和流量为p1,N1,Q1,N1;后端压力和流量为p2,1,Q2,1。p1,Ν1=CL1-Ζs1Q1,Ν1p2,1=CR2+Ζs2Q2,1}记Sp1=sign(p1,N1-p2,1),有Q2,1=Q1,Ν1=Q0(τ1+τ0)√Δp01⋅√|p1,Ν1-p2,1|Sp1联立求解,可得Q2,1=Sp12⋅[√k41(Ζs1+Ζs2)2-4k2(CR2-CL1)Sp1-k21(Ζs1+Ζs2)]式中:k1=Q01(τ1+τ0)/√Δp01;τ1为比例节流阀相对开口,τ1=iτ/(Ts1s+1);iτ为归一化的控制电流;Ts1为比例节流阀时间常数;Q01为τ1=1,压差为Δp01时的阀流量;τ0为折算的旁路阀相对开口。1.4u3000s3-4s3e2sp2-3,1当电液换向阀接通后,有p2,Ν2=CL2-Ζs2Q2‚Ν2p3,1=CR3+Ζs3Q3‚1}记Sp2=sign(p2,N2-p3,1),有Q3,1=Q2,Ν2=Q02τ2√Δp02⋅√|p2,Ν2-p3,1|Sp2联立求解,可得Q3‚1=Sp22⋅[k24(Ζs2+Ζs3)2-4k2(CR3-CL2)Sp2-k22(Ζs2+Ζs3)]式中:k2=Q02τ2/Δp02;τ2=u/(Ts2s+1);u为单位阶跃输入;Ts2为换向阀时间常数;Q02为压差Δp02时的换向阀最大流量。1.5抗起毛四3、t3、t3t-t3,t3,t3,t3,t3,t3,t3,t3,t3,t3,t3,t3,t3,t3,t3,t3,t3s1,t3,t3s1,t3s1,t3s1,t3,5.2s1,3,5.2,3,5.2s1,3,5.2s1,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3p3,N3=CL3-Zs3Q3,N3p4,1=CR4+Zs4Q4,1p3,Ν3S1-p4,1S2=ΜtS1dQ3,Ν3dt+BtS1Q3,Ν3+sign(Q3,Ν3)F又dQ3,Ν3dt=Q3,Ν3(t)-Q3,Ν3(t-Δt)ΔtQ4‚1(t)=S2S1Q3‚Ν3(t)联立求解‚可得Q3‚Ν3(t)=CL3S1-CR4S2+ΜtQ3,Ν3(t-Δt)ΔtS1-sign(Q3,Ν3(t-Δt))FΜtΔtS1+BtS1+Ζs4S22S1+Ζs3S1式中:S1,S2为增压器活塞大小端作用面积;Mt,Bt,F为活塞质量、阻尼和摩擦力。1.6dp44p4,N4=CL4-Zs4Q4,N4Q4,Ν4=VtEydp4,Ν4dt联立求解‚可得Q4‚Ν4(t)=CL4-p4,Ν4(t-Δt)(EyΔt)/Vt+Ζs4式中:Ey为考虑油液弹性模量和管材变形的等效值;Vt为被试件容积。2脉冲检测和实验2.1ts回收率μ=10cst,c=1095m/s,Vx0=16×10-3m3,d1=d2=d3=0.028m,ρ=833.85kg/m3,Ey=2.435×108Pa,S1=0.0226m2,S2=0.0113m2,F=4000N,Mt=0.6kg,Bt=1000N·s/m,ps=14MPa,Ts1=5.3×10-3s/rad,Ts2=0.016s/rad。2.2输入波形特征参数梯形波控制参数主要有上升斜率、高压和低压值等。梯形波采用闭环跟踪的控制方式,即以试件压力跟踪一输入波形。由于不同的被试件其容积和弹性模量不同,试验系统的动态特性不同,实际波形一般是不相同的,控制系统计算出上一个实际梯形波的特征参数,调节输入波形参数使得实际的梯形波位于规范规定的阴影区范围内。设输入波形为p(t),其离散化形式为pk={Ρl,k=0pk-1(1-q1)+Ρhq1,0≤k<tm/Τspk-1(1-q2)+Ρlq2,tm/Τs≤k<Τ/Τs式中:Ts为采样周期;Pl,Ph,q1,q2,tm为输入波形的可调特征参数;Pl,Ph对应实际波形低压和高压值;q1对应实际波形的上升斜率;q2和tm对应梯形波的下降段。规范中对波形的要求是以阴影区范围的形式给出的,对不同的试验件也不可能要求波形一致,但几个特征参数的期望值是可以给定的,如波形参数的高压、低压的额定值可由试验规范给出。每个输入波形特征参数的调节方法略有差异。例如上升斜率的控制,先计算实际波形的上升斜率,取上升段10%至90%之间的实测数据,(ti,p^i),i=n1,⋯,n2则上升斜率为S=(n2-n1)∑i=n1n2tip^i-∑i=n1n2ti∑i=n1n2p^i(n2-n1)∑i=n1n2ti2-(∑i=n1n2ti)2设e¯为标度变换后的期望斜率与实际上升斜率之差,则通过q1=q1(1+e¯),∀|e|>δ,qmin<q1<qmax来调整实际上升斜率。图3为梯形波试验结果,控制时换向阀始终接通,旁路关闭。图中曲线1高压为42MPa,低压值为0,频率为1Hz,上升斜率520MPa/s;曲线2高压为32MPa,低压值为10MPa,频率为5Hz。2.3脉冲波形的仿真分析水锤波的振荡频率在30Hz左右,上升斜率远比梯形波大,在上升阶段瞬时流量大,可达1000L/min,即使采用动态性能好的伺服阀也不可能实现水锤波波形的点点跟踪控制,只能利用水锤现象来产生水锤波。在系统机械结构确定后,水锤波的控制过程为:(1)计算上一个水锤波的特征参数,如峰值、斜率、额定压力等,判定波形是否在规范规定的阴影区范围内;(2)调节主油源压力、比例节流阀的开口、比例换向阀的动态特性等,以保证波形满足规范要求。影响脉冲波形的因素较多,在脉冲设备设计时必须进行仿真分析以确定结构有关的参数,如蓄能器、调节阀等关键元件选型、主要管路尺寸等。图4和图5为管路4取不同长度和通径时试件压力的仿真结果,仿真时初始时刻管路1和管路2内各点的压力等于ps,流量为0,管路3和管路4内各点的压力和流量为0,被试件为6根软管,长686mm,通径10mm。图4表明,在一定范围内增加L4的长度不会使峰值降低,但使得振荡周期明显加大,衰减变慢,谐振点增多,波形不光滑。图5表明,通径大使得峰值变小,波形不光滑,在一定范围内减小管径可以增加超调量,但通径过小则会降低峰值。图6为不同被试件的水锤波试验结果,试验时被试件均为6根软管,额定压力为28MPa。图6中,曲线1对应软管为通径18mm,长940mm,其超调为49.6%,上升斜率为1861MPa/s;曲线2对应软管为通径4mm,长457mm,其超调为49.2%,上升斜率为2050MPa/s;曲线3对应软管为通径10mm,长686mm,其超调为49.9%,上升斜率为1842MPa/s。图7为6根通径18mm软管的连续试验中第10次、第2000次、第19000次的试验结