飞机液压系统污染性能仿真技术研究 - 文章

飞机液压系统污染性能仿真技术研究

作者：李昆张雷李振水

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摘要：根据液压系统实际工作特性，首先建立液压系统污染动态平衡关系，建立系统污染控制和系统工作寿命之间联动分析构架，进而通过对污染在液压系统中产生的两种最为常见的影响模式：污染磨损和污染卡紧分别进行数学分析，得到用于描述典型液压元件泄漏量和卡紧力计算公式，最后，利用上述研究结果，对某型飞机液压系统进行污染特性建模与仿真，对系统在各级污染条件下的性能进行了动态分析，获得良好效果。
关键词：污染动态平衡；污染磨损；污染卡紧；污染仿真；HyPneu；飞机液压系统

统计数据表明，在液压系统中出现的各种故障约有70～80%是由污染直接导致的[3]，因此，若不对污染问题进行深入研究，液压系统的可靠性和工作寿命将受到非常严重的影响[11][12]。本文通过对颗粒污染在液压系统中的侵入、生成、累积过程进行分析，进而对液压系统中最易出现的污染磨损和污染卡紧特性进行分析，随后，利用上述两种污染特性，对某型飞机液压系统进行污染性能仿真，获得液压系统污染特性条件下的性能变化曲线，结果可用于对系统的可靠性和工作寿命进行评估。

1 液压系统污染性能仿真原理

液压系统污染性能仿真是基于污染控制平衡过程进行的[1]，如图1 所示，在天枰的右端，元件的污染敏感性、工作循环严酷度，以及油液的润滑特性等决定了液压系统的污染耐受程度，系统污染耐受度并不是对单一颗粒尺寸分布而言的，而是针对在液压系统中所有颗粒尺寸分布和颗粒浓度条件下耐受污染程度的描述。在天枰的左端，侵入到系统中的颗粒物将成为系统中的污染物，油滤根据自身的过滤效率来对系统中的颗粒污染物进行过滤，同时，为实现在线污染控制的目标，必须通过有效的监测设备对系统进行监测。对于一个给定的液压系统，在其污染耐受度已经明确的条件下，系统污染程度越低，系统的可靠性和工作寿命则越高。

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图1 污染控制平衡

为能够将污染控制平衡概念应用到污染控制观点中，对液压系统中各种元件的污染敏感度进行了解是非常有必要的。对于污染敏感度，可以通过两种方式对其进行描述：一种是元件内部的工作表面在受到污染影响之后所产生破坏的程度，另一种是对元件运动，或油液流动所造成的妨碍程度[2]。对于元件内部工作表面的破坏作用，一般是通过对元件关键性能参数（CPP）[2]的衰减过程进行测量而进行确定的。对元件工作表面产生影响的过程称为污染磨损，而造成元件运动阻碍的影响过程则被称为污染卡紧。

基于上述描述，通过数学建模，是能够对液压系统在特定污染条件下的性能衰减情况进行仿真计算，并对性能的衰减情况进行有效预测的。

2 液压元件污染特性分析

在进行液压系统污染建模过程中，需对系统内各液压元件进行污染特性建模，基于此，才能建立系统级的污染动态仿真模型。根据上节中污染对于液压元件影响模式分析，需分别对污染磨损、污染卡紧和污染过滤三种液压系统中最常见的污染状态进行建模分析。

1.1 污染磨损过程建模

污染磨损经常出现在有相对运动的表面之间，如在柱塞式液压泵的柱塞和柱塞腔之间，以及在作动筒活塞和作动筒内壁之间等。污染磨损将导致液压元件的工作效率逐渐降低，最终使得元件的工作效率低于系统需求的最低值，此时，就需要对元件进行更换，即元件到寿。

图2表示的为一典型的柱塞-柱塞腔配合表面，利用纳维-斯托克斯公式，对柱塞在工作过程中的泄漏流量变化过程进行建模分析[4]。

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图2 典型运动工作表面

在x方向上，建立柱塞运动方程，如式1。

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对其在x方向上进行二重积分，结合柱塞实际边界条件，得到柱塞速度方程：

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在整个间隙宽度上对泄露流速进行积分：

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式3表明：柱塞与柱塞腔之间产生的泄漏流量由两部分组成，一部分取决于压力梯度(∂p/∂x)，另一部分则取决于运动表面之间相对速度uh。

对于特定应用条件下的液压泵，其参数h，uh，ρ和μ均已知，因此，在压力条件已知条件下，对泄漏流量计算工程进行推导。当泄漏长度为L，顺泄漏方向，对式3进行积分，得到污染磨损泄漏流量计算公式：

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式4可用于计算由于污染磨损所导致的流量衰减，如液压泵输出流量衰减、液压马达的转速衰减、液压作动筒的线性运动速度衰减等。

1.2 污染卡紧过程建模

污染卡紧一般会发生在各种液压控制阀中，由于阀芯停止在一个位置时间较长后，油液中的污染颗粒会在阀芯与阀腔之间的间隙中逐渐堆积，从而造成驱动阀芯的力越来越大。当阀芯与阀腔之间的卡紧力大于阀芯的驱动力之后，阀芯就会产生卡紧，此时，液压阀也就失效了，图3表示的为一典型阀芯、阀套和颗粒污染物之间的影响关系。

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图3 典型阀芯、阀套和颗粒污染物影响关系

液压阀在装配过程中，要求阀芯和阀套之间留有一定的间隙，间隙的存在，一方面保证了阀芯的运动顺畅，但同时会造成阀芯和阀腔不同心，另一方面，间隙会导致颗粒污染物在间隙处逐渐堆积，从而造成阀芯在运动过程中，运动阻力的逐渐增大。

在考虑阀芯偏心和单个尺寸区间中颗粒污染条件下，作用在阀芯上的阻力计算公式如下[7]：

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其中：Lj为第j个区间中的颗粒尺寸；
Wj第j个区间中的颗粒宽度；
θ为颗粒的颗粒对角线角度；
γ为摩擦角；
hj为第j个环形间隙=Lj/LWR；
Syc为阀腔材料的屈服强度；
Syi为阀芯材料屈服强度；
φj为环形间隙hj的倾斜角度。

所以，在已知工作油液中颗粒尺寸分布的条件下，能够通过式5得到各个尺寸区间中的污染颗粒对于阀芯所产生的阻力，计算公式如式6所示。

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2 某型飞机液压系统污染性能仿真

针对某型飞机液压系统，利用液压系统污染仿真软件HyPneu，对此系统在考虑污染特性条件下的工作特性进行仿真计算。仿真软件HyPneu使用了污染敏感度理论，在液压元件模型中设置污染磨损计算模型和污染卡紧计算模型等，实现液压系统在不同油液污染度条件下的污染性能仿真。

在HyPneu 仿真环境中，根据系统设计原理，建立某型飞机液压系统污染性能仿真模型，如图4 所示。在模型中包括有自供增压油箱、恒压变量液压泵、液压电磁阀、液压马达、油滤，在各种油液污染度等级条件下，分别对系统性能进行仿真计算。

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图 4 飞机液压系统污染性能仿真模型

通过仿真计算，分别得到飞机液压系统油液在GJB420B-5级、7级、9级条件下，系统的性能变化曲线，如图5、图6、图7所示。

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通过仿真结果可知，当系统油液的污染度逐渐提高时，液压泵的高压输出油液将会随着污染磨损的加剧而逐渐减少，同时，伴随着油液污染度的提高，伺服阀在对液压马达进行控制的过程中也逐渐出现迟滞现象，并且，油液污染度越高，伺服阀的迟滞现象越严重。

上述在系统污染性能仿真过程中出现的性能退化过程，与实际系统在污染条件下所表现出的性能变化过程非常吻合[14]。

3 结论

本文首先通过建立液压系统中的污染动态平衡关系，对液压系统的污染敏感度、污染物含量，以及系统可靠性和寿命等进行了分析，随后，针对液压系统中常见的两种由污染导致的污染磨损和污染卡紧现象分别进行了数学建模，并对液压可能产生的影响进行了分析。针对某型飞机液压系统建立污染特性仿真模型，分别在GJB-420B 5级、7级、9级条件下，系统的工作性能进行了仿真分析。通过仿真曲线可知，由于污染物的影响，会同时造成液压泵输出流量的减少，导致系统工作效率下降，同时，伺服阀会出现卡滞现象，使系统出现突发性故障的可能性进一步提高。上述状态与真实系统的相似程度很高[13]，因此，仿真结果可用于对完整系统的污染敏感度进行量化分析，并为系统性能的优化设计提供有效的数据基础。

参考文献
[1] E.C.Fitch, I.T.Hong, HyDraulic System Modeling and simulation, BarDyne, Inc.
[2] E.C.Fitch, I.T.Hong, HyDraulic System Design for Service Assurance BarDyne, Inc.
[3] E.C.Fitch, Fiuld Contamination Control, FES,Inc.
[4] E.C.Fitch, A New Theory for the Contamination Sensivity of Fiuld Power Pumps. Paper No.P72-CC-6. Basic Power Research Program. OSU. 1972.
[5] OSU-P-C4，Accelerated Lift Test Pump Contamination Sensivity sure Compensated. BarDyne, Inc.
[6] The Accelerated Lift Test for Hydraulic Pump, BarDyne, Inc.
[7] Hydraulic Failure Analysis and Prevention, E.C.Fitch, BarDyne, Inc.
[8] MIL-STD-19692, 变量液压泵通用规范
[9] 夏志新，液压系统污染控制，机械工业出版社，1992。
[10] GJB 420A-96 飞机液压用油液固体污染度分级
[11] 郭辉，王平军，飞机液压系统固体颗粒污染分析与控制，机床与液压，2007 年1 月
[12] 冯雷星，杨钰，卢大鹏，飞机液压系统污染控制理论研究，液压与气动，2007 年第1 期
[13] 刘振岗，王占勇，唐有才，孙敬，飞机液压系统污染的分析与控制，航空科学技术，2005 年第4 期
[14] 飞机液压系统污染控的实践和发展蒋德义，蒋勇，航空标准化质量。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/16/2012)


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