新型低能耗飛機液壓系統(tǒng)低溫試驗方案研究

杜芳莉，董明德，杜海

(1.西安航空學(xué)院 能源與建筑學(xué)院，西安 710077) (2.航空工業(yè)西安飛行自動控制研究所 控制一體化技術(shù)國家級重點實驗室，西安 710065)

0 引 言

液壓元件和系統(tǒng)在低溫環(huán)境中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，對于飛機用液壓系統(tǒng)產(chǎn)品而言，隨著飛行包線內(nèi)高度的提升，其所處周圍的環(huán)境溫度隨之下降[1]。目前的民航客機一般飛行在10 000 m高空左右的空氣對流層到平流層底部，有些軍用飛機甚至飛行在20 000 m的高空，這時機外的外界環(huán)境溫度將降至-56.5 ℃左右。由于低溫環(huán)境會改變飛機用液壓系統(tǒng)原材料的某些物理特性，對于長時間暴露在低溫環(huán)境下的液壓系統(tǒng)產(chǎn)品，可能會造成暫時或永久的損害，從而導(dǎo)致飛機出現(xiàn)較為嚴(yán)重的故障[2]。目前,在低溫環(huán)境下(特別是-60 ℃以下)，國內(nèi)有關(guān)航空液壓元件與系統(tǒng)的試驗研究正在逐步發(fā)展、完善階段[3]。國內(nèi)現(xiàn)有的大部分液壓系統(tǒng)低溫試驗臺普遍存在著系統(tǒng)控制復(fù)雜，降溫速度慢，試驗循環(huán)間隔時間長，人力資源、能源及時間消耗大，效率低等缺點，不能適應(yīng)長時間、大流量的液壓系統(tǒng)檢測試驗要求。而國外相關(guān)機構(gòu)對飛機液壓系統(tǒng)的研究起步早，積累了豐富的技術(shù)資料[4-5]，但在實際工程中，直接應(yīng)用這些技術(shù)仍然存在功耗大、時間不夠長等問題。

針對上述問題，本文通過比對現(xiàn)有的兩種試驗方案，總結(jié)出兩種試驗方案的優(yōu)缺點，在現(xiàn)存試驗方案的基礎(chǔ)上，提出一種新的試驗方案。新的試驗方案將液壓系統(tǒng)的油源及外界環(huán)境的熱源與試驗環(huán)境隔離，完全阻止油源和熱源對試驗環(huán)境的影響，降低保持低溫環(huán)境所需的能耗；同時，通過巧妙設(shè)計流量整流橋結(jié)構(gòu)，將液壓缸連續(xù)往復(fù)運動輸出不同方向的油液，轉(zhuǎn)換為同一方向、連續(xù)長時間的流量輸出的方式，從而滿足長時間、低功耗、大流量的液壓系統(tǒng)低溫試驗的目的。

1 液壓系統(tǒng)進行低溫試驗設(shè)計原則

對于液壓系統(tǒng)進行低溫測試試驗而言，其總體設(shè)計原則為：盡可能將非被試驗元件和裝置放置于低溫試驗環(huán)境之外,從而達到最大可能降低試驗環(huán)境熱量來源，進一步減少低溫試驗環(huán)境的能耗[6-7]；而對于必須放置在低溫箱中的非被試驗液壓元件和裝置，則首先使其經(jīng)過低溫預(yù)篩選,避免對被測液壓系統(tǒng)產(chǎn)品的低溫試驗環(huán)境產(chǎn)生干擾[8-10]。

2 液壓系統(tǒng)低溫試驗設(shè)計方案一

2.1 方案一簡介

低溫試驗方案一的低溫液壓試驗臺原理圖如圖1所示，該試驗臺由低溫泵組、低溫油箱及制冷機組三部分構(gòu)成[11]。

圖1 方案一低溫試驗臺液壓原理圖Fig.1 Hydraulic pressure schematic of low temperature test platform of scheme 1

低溫泵組是由低溫齒輪泵29.1、29.2，低溫高壓柱塞泵32，溢流閥34.1組成。低溫試驗臺的工作過程如下：當(dāng)液壓系統(tǒng)的油溫低于-40 ℃時，由于油液黏度較高，低溫高壓柱塞泵32自吸較為困難，所以需要采用低溫齒輪泵29.1為低溫高壓柱塞泵32供油，溢流閥34.1主要用于調(diào)節(jié)低溫泵源的安全壓力，而電磁換向球閥33則用來控制低溫泵源的加載與卸載，溢流閥34.2的作用是按試驗要求調(diào)節(jié)試驗壓力的大小，低溫齒輪泵29.2則是對制冷機組38的蒸發(fā)器供油進行循環(huán)制冷。在整個低溫試驗過程中，低溫泵組和制冷循環(huán)泵置于密封保溫箱中，從而與大氣環(huán)境隔離。

2.2 方案一分析

液壓系統(tǒng)低溫試驗設(shè)計方案一(以下簡稱設(shè)計方案一)分析如下：

(1) 低溫泵源屬于液壓系統(tǒng)中的高能耗單元，除試驗必需的制冷能耗外，還有泵壓、輸送、溢流造成的溫升所需的制冷能耗。從設(shè)計方案一可以看出：除了低溫油箱外，其余所有液壓元器件和管路均沒有放入到低溫環(huán)境中，因此設(shè)計方案一所需的能耗較大。

(2) 通過合理調(diào)節(jié)高壓泵循環(huán)流量，來匹配被試產(chǎn)品的流量需求，從而降低制冷機組的能耗，當(dāng)工作油液的溫度滿足試驗要求時，即可進行長時間的連續(xù)試驗。

(3) 設(shè)計方案一適用于試驗對象無法被獨立放置于低溫箱中的情況，比如飛機整機系統(tǒng)鐵鳥在低溫環(huán)境下的功能、性能試驗。其優(yōu)點是溫度變化范圍可達-60～70 ℃ 、降溫速度比較快。但其投入資金大，維護保養(yǎng)需要浪費大量的精力, 對于試驗量不大、應(yīng)用率不高的應(yīng)用環(huán)境來說經(jīng)濟效益較差。

3 液壓系統(tǒng)低溫試驗設(shè)計方案二

3.1 方案二簡介

該低溫試驗測試臺主要由操作臺架和制冷箱兩部分組成，油缸、儲油缸和單向閥組等均放置在制冷箱內(nèi)[12]。方案二低溫試驗臺液壓原理如圖2所示。

圖2 方案二低溫試驗臺液壓原理圖Fig.2 Hydraulic pressure schematic of low temperature test platform of scheme 2

低溫試驗臺工作過程如下：

(1) 儲油缸充油：先關(guān)閉回油截止閥19，再打開油缸充油截止閥18，等油缸22、33 完全充滿油以后，則關(guān)閉油缸充油截止閥18，再打開回油截止閥19。

(2) 工作油液降溫：切換換向閥21 至左位機能工作，油缸33 中的活塞運行至另一端，關(guān)閉回油截止閥19；換向閥21 斷電，關(guān)閉液壓源，啟動制冷箱降溫，工作油液溫度降低至-30 ℃。

(3) 常溫油推低溫油：打開液壓源，調(diào)節(jié)比例溢流閥17 至測試所需壓力，切換換向閥21 至右位機能工作，在高壓的作用下，液控單向閥26打開，油缸22中的低溫油液依次經(jīng)過液控單向閥26、單向閥28，推動儲油缸30中的低溫油液，通過精密高壓過濾器31，為電液伺服閥低溫試驗提供一定壓力的低溫工作油液[13]。

(4) 低溫供油試驗：低溫試驗油液經(jīng)過電液伺服閥后，再經(jīng)過單向閥34回到油缸33中。油缸22、33中工作油液只需滿足電液伺服閥低溫試驗一個測試周期所需的工作油液量即可。

3.2 方案二分析

液壓系統(tǒng)低溫試驗設(shè)計方案二(以下簡稱設(shè)計方案二)分析如下：

(1) 設(shè)計方案二中低溫工作油液不回油箱，僅限于低溫箱內(nèi)進行循環(huán)，避免工作油液的重復(fù)降溫，使得制冷能耗及成本降低；

(2) 設(shè)計方案二采用常溫油推儲油缸中低溫油的方法，存在一定的弊端，主要表現(xiàn)為：受儲油缸體積的限制，每次進行低溫試驗所需時間以及油液流量均受一定限制，導(dǎo)致該方法無法開展長時間的低溫試驗。

4 液壓系統(tǒng)低溫試驗設(shè)計方案三

通過對現(xiàn)有的兩種試驗方案的敘述和分析，試驗方案一經(jīng)濟效益較差，其優(yōu)點是溫度變化范圍廣；試驗方案二改善了經(jīng)濟效益，但是不能開展長時間的低溫試驗。據(jù)此，本文結(jié)合上述兩種系統(tǒng)的特點，提出一種新的試驗方案，達到節(jié)能、長時間開展試驗的目的。

4.1 方案三簡介

本文對前兩種設(shè)計方案進行優(yōu)化，提出設(shè)計方案三。該方案由兩個部分構(gòu)成：常溫系統(tǒng)部分及低溫系統(tǒng)部分。低溫試驗臺液壓原理如圖3所示。

常溫系統(tǒng)部分主要由高壓柱塞泵、蓄能器、伺服閥以及作動缸組成。該部分構(gòu)成一個常規(guī)的閥控作動系統(tǒng)，通過伺服控制器實現(xiàn)對閥控作動器的閉環(huán)控制。該系統(tǒng)通過改變控制指令輸入信號的頻率及幅值，達到伺服作動系統(tǒng)速度和行程的調(diào)整。在整個低溫加載試驗系統(tǒng)中，該部分的主要作用是為低溫系統(tǒng)提供所需的工作流量和壓力，如圖3所示。

圖3 方案三低溫試驗臺液壓原理圖Fig.3 Hydraulic pressure schematic of low temperature test platform of scheme 3

該低溫試驗臺工作過程如下：

(1) 常溫系統(tǒng)作動缸1的活塞通過機械連接與低溫系統(tǒng)的作動缸2的活塞進行固聯(lián)，使得作動缸2跟隨作動缸1運動。根據(jù)輸入指令的幅值和頻率，來控制作動缸1的速度和方向，同時使得作動缸2產(chǎn)生相應(yīng)的運動，從而輸出所需的低溫流量；同時根據(jù)試驗產(chǎn)品的負(fù)載情況產(chǎn)生相應(yīng)的壓力，即作動缸2相當(dāng)于低溫系統(tǒng)中的液壓油源。

(2) 低溫系統(tǒng)部分主要由作動缸2、流量整流橋、低溫蓄能器、冷凍機組、冷凍泵及齒輪泵組成。其工作過程為，由隨動的作動缸2產(chǎn)生低溫流量的輸出，經(jīng)流量整流橋整流，使得最終的輸出為單向流量。該流量經(jīng)過低溫蓄能器后，為被測試的產(chǎn)品提供所需的工作流量。此外，通過補油、冷卻系統(tǒng)為作動缸2提供所需的流量，并將試驗產(chǎn)品的回油進行冷卻，從而保證整個低溫系統(tǒng)持續(xù)工作。

4.2 方案三分析

由以上液壓系統(tǒng)低溫試驗臺設(shè)計原理圖3可以看出，由于常溫作動缸1的活塞與低溫作動缸2的活塞相固連，因此可通過常溫部分作動缸1的運動速度來實現(xiàn)對作動缸2速度的控制，即控制作動缸2低溫流量的輸出。由于低溫作動缸的行程受限，因此在整個系統(tǒng)中需要進行換向，該方案巧妙的在系統(tǒng)中設(shè)計了流量整流橋，并在液壓油路中增加低溫蓄能器，從而確保低溫油液壓力及流量的平穩(wěn)輸出。

該試驗方案的最大特點是將功率級的常溫液壓油源與低溫試驗液壓系統(tǒng)實現(xiàn)物理隔離，即常溫功率級液壓系統(tǒng)的油液不參與低溫系統(tǒng)的工作循環(huán)，最大程度降低了低溫系統(tǒng)的能耗。而低溫測試系統(tǒng)的熱源全部來自測試液壓系統(tǒng)自身節(jié)流作用而產(chǎn)生的熱量，該部分熱量可通過低溫補油、冷卻系統(tǒng)進行在線降溫。通過上述方式從而實現(xiàn)低溫液壓系統(tǒng)長時間、大流量、低能耗的測試試驗。

通過仿真試驗，該方案低溫部分可以滿足對被試產(chǎn)品長時的低溫環(huán)境以及油液下的功能和性能的考核。該方案的顯著特點在于整個試驗中不會引入任何常溫油液，最大程度降低外界對低溫測試系統(tǒng)的影響，可模擬機上產(chǎn)品長時、低溫環(huán)境，從而實現(xiàn)試驗環(huán)境與液壓系統(tǒng)使用環(huán)境的無縫對接。

5 方案對比

本文從試驗所需能耗、系統(tǒng)復(fù)雜程度、試驗成本及其適用范圍，對以上三種液壓系統(tǒng)低溫試驗方案進行對比分析，得出各種方案的優(yōu)缺點如表1所示。

通過分析可得出如下結(jié)論：

(1) 目前，國內(nèi)現(xiàn)有的大部分液壓系統(tǒng)低溫試驗臺普遍存在著系統(tǒng)控制復(fù)雜，降溫速度慢，試驗循環(huán)間隔時間長[14-15]，人力資源、能源及時間消耗大，效率低等缺點，不能適應(yīng)長時間、大流量的液壓系統(tǒng)檢測試驗要求。

(2) 本文提出的液壓系統(tǒng)低溫試驗方案(方案三)相比其它試驗方案能耗大大降低。通過物理隔離的方式，將液壓油源及外界環(huán)境的熱源對試驗環(huán)境的影響完全隔離，從而降低了保持低溫環(huán)境所需的能耗。

(3) 本文提出的液壓系統(tǒng)低溫試驗方案工作效率大幅提高。該方案通過巧妙設(shè)計流量整流橋結(jié)構(gòu)，將液壓缸連續(xù)往復(fù)運動輸出不同方向的油液，經(jīng)過流量整流橋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為同一方向、連續(xù)長時間的流量輸出，滿足了長時間、大流量的檢測試驗要求，極大提高了試驗工作效率。

6 結(jié)束語

本文提出的液壓系統(tǒng)低溫試驗設(shè)計方案三克服了傳統(tǒng)試驗方案能耗大、成本高、效率低、適用范圍窄等缺點，是一種全新的低溫試驗方案。本方案可滿足長時間、低功耗、大流量液壓系統(tǒng)低溫試驗需求，能有效提高液壓系統(tǒng)低溫試驗效率，不僅適用于機載液壓系統(tǒng)的低溫試驗，也可為驗證其他液壓系統(tǒng)產(chǎn)品低溫試驗的可靠性提供一種有效的解決方案。