某大型飛機(jī)剎車蓄壓器管路壓力過高的分析與改進(jìn)

(中航通飛研究院有限公司系統(tǒng)部， 廣東珠海 519040)

引言

為了保證大型飛機(jī)剎車系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，很多大型飛機(jī)均配備有剎車蓄壓器[1-4]，同時在剎車蓄壓器供油口處設(shè)置1個單向閥，以免剎車蓄壓器高壓油倒回液壓源系統(tǒng)，在剎車系統(tǒng)非工作期間，剎車蓄壓器所處管路將長時間處于“盲腔”。由于大型飛機(jī)航程大，所跨區(qū)域的環(huán)境溫度變化也會較大，從而引起剎車蓄壓器中氣體壓力的變化[5-6]，進(jìn)而引起剎車蓄壓器所處管路油液壓力的變化，此壓力可能會超過管路的耐壓壓力，給飛機(jī)帶來危害，設(shè)計時應(yīng)重點(diǎn)考慮[7-8]。

1 問題描述

某大型飛機(jī)從北方某城市A轉(zhuǎn)場至南方某城市B的過程中，出現(xiàn)了剎車蓄壓器壓力達(dá)到了29.5 MPa的現(xiàn)象，遠(yuǎn)超出某大型飛機(jī)21 MPa的額定工作壓力。經(jīng)分析研究，此現(xiàn)象是由于城市A，B兩地溫差過大導(dǎo)致。若飛機(jī)起飛、著陸城市的溫差進(jìn)一步擴(kuò)大的話，剎車蓄壓器的管路壓力將超過系統(tǒng)耐壓壓力， 甚至接近統(tǒng)爆破壓力，從而導(dǎo)致管路破壞，剎車系統(tǒng)失效，給飛機(jī)帶來危害。

2 產(chǎn)生原因及機(jī)理分析

2.1 產(chǎn)生原因

某大型飛機(jī)液壓系統(tǒng)的額定工作壓力為21 MPa，其剎車蓄壓器壓力管路設(shè)計原理圖見圖1。從原理圖中可知：受進(jìn)油單向閥的影響，剎車蓄壓器到應(yīng)急剎車閥之間封閉一段液壓油，當(dāng)溫度變化后，該段管路液壓壓力會持續(xù)上升，為保證系統(tǒng)安全，需進(jìn)行計算分析。

圖1 某大型飛機(jī)剎車蓄壓器壓力管路設(shè)計原理圖

2.2 機(jī)理分析

根據(jù)某大型飛機(jī)三維電子樣機(jī)及主要附件參數(shù)計算，得出剎車蓄壓器及其管路主要技術(shù)參數(shù)，見表1。

表1 剎車蓄壓器及其管路技術(shù)參數(shù)

2018年11月，在北方某城市A(地面溫度為-5 ℃)給某大型飛機(jī)剎車蓄壓器充氣，轉(zhuǎn)場著陸至南方某城市B(地面溫度為35 ℃)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律公式可得出[9-10]：

(1)

式中,p0—— 地面充氣壓力，8 MPa

V0—— 氣腔總?cè)莘e，6.069 L

T0—— 地面充氣溫度，-5 ℃

p1—— 4 km高度剎車蓄壓器氣壓，21 MPa

V1—— 4 km高度氣腔容積

T1—— 4 km高度溫度，-29 ℃

p2—— 返回地面剎車蓄壓器壓力

V2—— 返回地面氣腔容積

T2—— 返回地面溫度，35 ℃

計算分為2步，第1步物理過程為：在北方某城市A地面充氣結(jié)束后到飛行到4 km高空溫度穩(wěn)定階段，溫度降低導(dǎo)致氣壓腔壓力降低，同時液壓油冷縮，隨后液壓源系統(tǒng)給剎車蓄壓器充油，直到21 MPa，最終狀態(tài)為壓力21 MPa，溫度-29 ℃(按每上升1 km氣溫下降6 ℃計算)。將最終狀態(tài)帶入式(1)計算得4 km高度氣壓腔容積為V1=2.145 L，液壓油容積V=V0-V1=3.924 L。第2步物理過程為：從城市A高空到城市B地面著陸后直至溫度穩(wěn)定階段，溫度升高導(dǎo)致油液膨脹[11-12]，隨后氣壓腔容積變小，此時溫度升高氣壓變大導(dǎo)致液壓壓力升高。油液膨脹體積公式為：

ΔV=α×ΔT×V

(2)

式中, ΔV—— 膨脹體積，L

α—— 體積膨脹系數(shù)，見表1

V—— 液壓油容積，L

ΔT—— 溫度變化，℃

將數(shù)據(jù)代入式(2)可得：ΔV=0.216 L，得出：V2=2.145 L-0.216 L=1.929 L，代入式(1)得p2=29.48 MPa。此數(shù)值與第1節(jié)中的“出現(xiàn)了剎車蓄壓器壓力達(dá)到了29.5 MPa的現(xiàn)象”問題描述相吻合。

3 改進(jìn)方案及飛行試驗驗證

3.1 改進(jìn)方案

通過上述計算分析，剎車蓄壓器壓力偏高的原因為：剎車蓄壓器壓力管路被進(jìn)油單向閥封閉處于“盲腔”狀態(tài)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，引起剎車蓄壓器中充氣氣體的壓力變化，進(jìn)而影響剎車蓄壓器壓力管路的壓力變化。為了解決此問題，某大型飛機(jī)在剎車蓄壓器壓力管路上加裝了1個安全活門，安全活門開啟壓力為24 MPa，當(dāng)管路上的壓力超過24 MPa時，安全活門開啟，將剎車蓄壓器壓力管路上的壓力卸荷至回油管路，起到了保護(hù)系統(tǒng)的作用。某大型飛機(jī)剎車蓄壓器壓力管路改進(jìn)后的設(shè)計原理圖見圖2。

圖2 某大型飛機(jī)剎車蓄壓器壓力管路改進(jìn)后的設(shè)計原理圖

3.2 改進(jìn)后的飛行試驗驗證

某大型飛機(jī)剎車蓄壓器壓力管路在加裝安全活門后，重新進(jìn)行了從低溫地區(qū)起飛飛行至高溫區(qū)域著陸的試驗，飛行試驗過程中監(jiān)控了剎車蓄壓器壓力管路的壓力，壓力值變化情況如圖3所示。從圖中可以看出當(dāng)剎車蓄壓器壓力管路的壓力上升至24 MPa左右時，安全活門開啟卸壓，有效防止了剎車蓄壓器壓力管路的壓力的持續(xù)上升。

圖3 某大型飛機(jī)剎車蓄壓器壓力管路改進(jìn)后飛行試驗中的壓力值

4 結(jié)論

(1) 某大型飛機(jī)剎車蓄壓器管路為盲腔，在環(huán)境溫度變化情況下，管路壓力會升高；

(2) 某大型飛機(jī)在剎車蓄壓器管路上加裝安全活門后，有效解決了剎車蓄壓器管路壓力持續(xù)上升的問題，保障了剎車系統(tǒng)的正常工作，提高了系統(tǒng)可靠性及使用壽命；

(3) 大型飛機(jī)剎車蓄壓器一般都較大，且所充氣體較多，飛機(jī)在溫度差異較大的兩地跨越飛行時，氣體受溫度的影響引起剎車管路油液壓力的變化，當(dāng)兩地溫差越大，油液壓力變化越大，過大的壓力可能會引起剎車蓄壓器壓力管路破損，進(jìn)而導(dǎo)致剎車系統(tǒng)失效，在飛機(jī)剎車系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮這個因素。