航空液壓系統(tǒng)管路與元件壓力脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)的研究

航空液壓系統(tǒng)管路與元件壓力脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)的研究

在液壓機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)，如果瞬時(shí)速度變高，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力影響。壓力影響可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)管道斷裂和元件失效。為了降低液壓沖擊的影響,一方面降低系統(tǒng)內(nèi)壓力沖擊,另一方面則是提高管路及元件的抗液壓沖擊能力。管路和元件的抗液壓沖擊性能是通過(guò)液壓脈沖試驗(yàn)體現(xiàn)的,尤其是對(duì)航空液壓元件,都有嚴(yán)格的脈沖試驗(yàn)規(guī)范,如SAEARP603(E,F),GJB2837,GJB3849等。液壓脈沖設(shè)備用于產(chǎn)生符合規(guī)范要求的試驗(yàn)用脈沖波形,依據(jù)目前飛機(jī)液壓系統(tǒng)管路和元件脈沖試驗(yàn)的要求,脈沖波形主要是梯形波和水錘波。在為多個(gè)型號(hào)飛機(jī)液壓系統(tǒng)元件與管路研制脈沖設(shè)備的基礎(chǔ)上,本文將兩種波形脈沖設(shè)備結(jié)合起來(lái),研制了一種可以實(shí)現(xiàn)水錘波和梯形波等波形的通用液壓脈沖設(shè)備。圖1為液壓脈沖設(shè)備原理圖,圖2為脈沖設(shè)備液壓系統(tǒng)實(shí)物照片。液壓脈沖設(shè)備主要由主油源、控制油源、補(bǔ)油系統(tǒng)、比例溢流閥、蓄能器、比例節(jié)流閥、旁路閥、電液換向閥、增壓器以及被試件組成。比例溢流閥用于調(diào)節(jié)試驗(yàn)的額定壓力,蓄能器用于補(bǔ)充瞬時(shí)流量,比例節(jié)流閥和旁路閥用于調(diào)節(jié)波形的峰值、上升斜率等。在產(chǎn)生水錘波時(shí),換向閥的突然開(kāi)啟引起壓力沖擊,同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓力脈沖的占空比調(diào)節(jié)?？刂朴驮从糜诒ＷC在低壓試驗(yàn)時(shí)電液換向閥的開(kāi)啟速度,補(bǔ)油系統(tǒng)主要用于補(bǔ)充試驗(yàn)段的泄漏。增壓器小端至被試件部分稱(chēng)為試驗(yàn)段,按規(guī)范要求試件壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量靠近被試件前端。控制系統(tǒng)由工控機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)接口卡和調(diào)理電路組成等。1系統(tǒng)模型1.1脈沖激光節(jié)流閥t模型管路一維非恒定流動(dòng)方程為L(zhǎng)1=?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)為靜態(tài)摩阻函數(shù),fd(x,t)為動(dòng)態(tài)摩阻函數(shù)。取Re≤2000時(shí)?fs(x,t)=8ρμr2v2000<Re<105時(shí),fs(x,t)=0.3164ρ2Re0.25dv|v|105<Re<3×106時(shí),fs(x,t)=(0.0032+0.221Re-0.237)ρ2dv|v|對(duì)于動(dòng)態(tài)摩阻函數(shù),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)]對(duì)方程(2),用數(shù)值法求解,將管路等分為N-1份,時(shí)間步長(zhǎng)Δt,t=kΔt,k為正整數(shù)。對(duì)于管路中第j個(gè)節(jié)點(diǎn),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為管路橫截面上的平均壓力和流量;ρ為油液密度;x為沿管路軸線的距離;v為斷面平均流速;c為管路中沖擊波傳播速度;r,d為管路內(nèi)徑和通徑;A為管路橫截面積;μ為流體的運(yùn)動(dòng)粘度。脈沖設(shè)備的主連接管路有4段,記為i(i=1,…,4),按順序分別置于蓄能器、比例節(jié)流閥、電液換向閥、增壓器和被試件之間。設(shè)Ni為管路i的節(jié)點(diǎn)數(shù),j-1,j,j+1為管路節(jié)點(diǎn),則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,四段管路邊界有16個(gè)未知數(shù),但只有8個(gè)方程,所以還需依據(jù)連接元件的特性確定出其他的邊界補(bǔ)充方程。1.2qxt型蓄能器出口右端即管路1始端,出口左端為單向閥,忽略出口連接管路損失等,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聯(lián)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初始充氣壓力;Vx0蓄能器容積;Vx當(dāng)前氣體容積;Qx蓄能器輸出流量;n=1;ps,Qs油源壓力與流量。1.3比例節(jié)流閥ss比例節(jié)流閥前端壓力和流量為p1,N1,Q1,N1;后端壓力和流量為p2,1,Q2,1。p1,Ν1=CL1-Ζs1Q1,Ν1p2,1=CR2+Ζs2Q2,1}記Sp1=sign(p1,N1-p2,1),有Q2,1=Q1,Ν1=Q0(τ1+τ0)√Δp01?√|p1,Ν1-p2,1|Sp1聯(lián)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為比例節(jié)流閥相對(duì)開(kāi)口,τ1=iτ/(Ts1s+1);iτ為歸一化的控制電流;Ts1為比例節(jié)流閥時(shí)間常數(shù);Q01為τ1=1,壓差為Δp01時(shí)的閥流量;τ0為折算的旁路閥相對(duì)開(kāi)口。1.4u3000s3-4s3e2sp2-3,1當(dāng)電液換向閥接通后,有p2,Ν2=CL2-Ζs2Q2?Ν2p3,1=CR3+Ζs3Q3?1}記Sp2=sign(p2,N2-p3,1),有Q3,1=Q2,Ν2=Q02τ2√Δp02?√|p2,Ν2-p3,1|Sp2聯(lián)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為單位階躍輸入;Ts2為換向閥時(shí)間常數(shù);Q02為壓差Δp02時(shí)的換向閥最大流量。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)聯(lián)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為增壓器活塞大小端作用面積;Mt,Bt,F為活塞質(zhì)量、阻尼和摩擦力。1.6dp44p4,N4=CL4-Zs4Q4,N4Q4,Ν4=VtEydp4,Ν4dt聯(lián)立求解?可得Q4?Ν4(t)=CL4-p4,Ν4(t-Δt)(EyΔt)/Vt+Ζs4式中:Ey為考慮油液彈性模量和管材變形的等效值;Vt為被試件容積。2脈沖檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)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輸入波形特征參數(shù)梯形波控制參數(shù)主要有上升斜率、高壓和低壓值等。梯形波采用閉環(huán)跟蹤的控制方式,即以試件壓力跟蹤一輸入波形。由于不同的被試件其容積和彈性模量不同,試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性不同,實(shí)際波形一般是不相同的,控制系統(tǒng)計(jì)算出上一個(gè)實(shí)際梯形波的特征參數(shù),調(diào)節(jié)輸入波形參數(shù)使得實(shí)際的梯形波位于規(guī)范規(guī)定的陰影區(qū)范圍內(nèi)。設(shè)輸入波形為p(t),其離散化形式為pk={Ρl,k=0pk-1(1-q1)+Ρhq1,0≤k<tm/Τspk-1(1-q2)+Ρlq2,tm/Τs≤k<Τ/Τs式中:Ts為采樣周期;Pl,Ph,q1,q2,tm為輸入波形的可調(diào)特征參數(shù);Pl,Ph對(duì)應(yīng)實(shí)際波形低壓和高壓值;q1對(duì)應(yīng)實(shí)際波形的上升斜率;q2和tm對(duì)應(yīng)梯形波的下降段。規(guī)范中對(duì)波形的要求是以陰影區(qū)范圍的形式給出的,對(duì)不同的試驗(yàn)件也不可能要求波形一致,但幾個(gè)特征參數(shù)的期望值是可以給定的,如波形參數(shù)的高壓、低壓的額定值可由試驗(yàn)規(guī)范給出。每個(gè)輸入波形特征參數(shù)的調(diào)節(jié)方法略有差異。例如上升斜率的控制,先計(jì)算實(shí)際波形的上升斜率,取上升段10%至90%之間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),(ti,p^i),i=n1,?,n2則上升斜率為S=(n2-n1)∑i=n1n2tip^i-∑i=n1n2ti∑i=n1n2p^i(n2-n1)∑i=n1n2ti2-(∑i=n1n2ti)2設(shè)eˉ為標(biāo)度變換后的期望斜率與實(shí)際上升斜率之差,則通過(guò)q1=q1(1+eˉ),?|e|>δ,qmin<q1<qmax來(lái)調(diào)整實(shí)際上升斜率。圖3為梯形波試驗(yàn)結(jié)果,控制時(shí)換向閥始終接通,旁路關(guān)閉。圖中曲線1高壓為42MPa,低壓值為0,頻率為1Hz,上升斜率520MPa/s;曲線2高壓為32MPa,低壓值為10MPa,頻率為5Hz。2.3脈沖波形的仿真分析水錘波的振蕩頻率在30Hz左右,上升斜率遠(yuǎn)比梯形波大,在上升階段瞬時(shí)流量大,可達(dá)1000L/min,即使采用動(dòng)態(tài)性能好的伺服閥也不可能實(shí)現(xiàn)水錘波波形的點(diǎn)點(diǎn)跟蹤控制,只能利用水錘現(xiàn)象來(lái)產(chǎn)生水錘波。在系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)確定后,水錘波的控制過(guò)程為:(1)計(jì)算上一個(gè)水錘波的特征參數(shù),如峰值、斜率、額定壓力等,判定波形是否在規(guī)范規(guī)定的陰影區(qū)范圍內(nèi);(2)調(diào)節(jié)主油源壓力、比例節(jié)流閥的開(kāi)口、比例換向閥的動(dòng)態(tài)特性等,以保證波形滿足規(guī)范要求。影響脈沖波形的因素較多,在脈沖設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行仿真分析以確定結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù),如蓄能器、調(diào)節(jié)閥等關(guān)鍵元件選型、主要管路尺寸等。圖4和圖5為管路4取不同長(zhǎng)度和通徑時(shí)試件壓力的仿真結(jié)果,仿真時(shí)初始時(shí)刻管路1和管路2內(nèi)各點(diǎn)的壓力等于ps,流量為0,管路3和管路4內(nèi)各點(diǎn)的壓力和流量為0,被試件為6根軟管,長(zhǎng)686mm,通徑10mm。圖4表明,在一定范圍內(nèi)增加L4的長(zhǎng)度不會(huì)使峰值降低,但使得振蕩周期明顯加大,衰減變慢,諧振點(diǎn)增多,波形不光滑。圖5表明,通徑大使得峰值變小,波形不光滑,在一定范圍內(nèi)減小管徑可以增加超調(diào)量,但通徑過(guò)小則會(huì)降低峰值。圖6為不同被試件的水錘波試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)時(shí)被試件均為6根軟管,額定壓力為28MPa。圖6中,曲線1對(duì)應(yīng)軟管為通徑18mm,長(zhǎng)940mm,其超調(diào)為49.6%,上升斜率為1861MPa/s;曲線2對(duì)應(yīng)軟管為通徑4mm,長(zhǎng)457mm,其超調(diào)為49.2%,上升斜率為2050MPa/s;曲線3對(duì)應(yīng)軟管為通徑10mm,長(zhǎng)686mm,其超調(diào)為49.9%,上升斜率為1842MPa/s。圖7為6根通徑18mm軟管的連續(xù)試驗(yàn)中第10次、第2000次、第19000次的試驗(yàn)結(jié)