民用小型飞机地面液压保障拖车液压系统方案设计

2015-04-25魏晓斌韩固勇杨学光

机床与液压 2015年8期

魏晓斌，韩固勇，杨学光

(空军勤务学院航材四站系，江苏徐州221000)

目前，我国民用直升机和民用小型飞机(以下均简称“小型机”)的发展呈现日益增长的趋势，而与之配套的地面保障设备和实施还未完全形成，大部分仍然采用保障大飞机的地面保障设备和实施。而现有的航空地面保障设备和设施结构复杂，存在性能不能完全满足小型机保障需求的问题，其中就包括液压保障。文中研究的地面液压保障拖车主要担负对民用直升机和民用小型飞机液压系统进行检查以及液压油检测、保障，主要是针对小型机地面液压保障需求，对液压保障拖车液压系统进行方案设计，提升小型机保障效率。

1 设计依据

1.1 小型机对地面液压保障拖车的需求

小型机在地面进行检查时，发动机往往处于停机状态。在此情况下，为了检查飞机起落架收放、机翼活动、减速板震动、液压系统的密封性和循环工作等情况，需要液压保障拖车提供液压保障。液压保障拖车与小型机液压系统对接，向小型机液压系统提供一定压力、流量、温度和固体颗粒污染度的液压源，以满足检查小型机液压系统的工作状况、密封性和强度的要求。因此，液压保障拖车也可以看作是一个向飞机液压系统提供液压能源的地面液压站，主要需求包括以下3 个方面:

(1)完成飞机液压系统及其相关装置的功能和性能检测;

(2)净化飞机液压系统;

(3)为飞机补充加注航空液压油。

1.2 液压保障拖车液压系统设计原则

针对液压保障拖车的工作特点和需求，为达到最佳的保障效率和经济效益，液压保障拖车液压系统的设计应遵循如下原则:

(1)需求性原则。满足小型机需求是设计的首要点，保障率是其第一考量。液压保障拖车液压系统运行情况直接影响着小型机液压系统的地面检测，从而影响小型机的飞行安全。因此，该液压系统必须能满足小型机液压系统对地面液压能源的基本需求，并且能够在一定恶劣条件下保持良好的工作特性。

(2)经济性原则。为在系统的设计、试制、批量生产和使用、维护中创造出最大的经济效益，应选择性价比较高的设备单元，采用大量的通用件、标准件，从而有效地降低设计风险，缩短试验的时间和制造周期，降低试验费用和生产费用。

(3)机动灵活性原则。为使小型机液压保障设备可移动，便于随时、随地进行机动保障，将设备设计成拖车的形式。因此，选用的元件应性能可靠、体积小、质量轻。

(4)产品质量原则。小型机对地面液压能源的要求较高，对液压保障拖车液压系统输出油液的压力、流量、固体颗粒污染度和温度等都有具体的规定，产品的总体质量应能满足小型机的需要。

(5)安全性原则。液压保障拖车工作条件复杂多变，负载变化和冲击振动大，对于其液压系统要求有良好的过载保护措施，防止过载和因外负载冲击对各个液压作用元件的损伤。

2 液压系统方案设计

2.1 液压系统性能参数设计

2.1.1 液压系统输出功能

根据小型机对地面液压保障的需求，文中设计的液压系统将具有以下3 种输出功能:

(1)供压。与小型机对接，向液压系统提供液压动力源，满足飞机液压系统检查需要。

(2)清洗。为使小型机液压系统保持一定的清洁度，需要液压保障拖车对其进行清洗。因此，液压保障拖车中的油过滤器过滤精度应高于小型机液压系统中油过滤器的过滤精度，否则将变成小型机清洗液压保障拖车的液压系统。

(3)加油。当小型机液压系统油液偏少时，液压保障拖车可以对其加注液压油。

此外，液压系统还应具备自循环功能。液压保障拖车在与小型机对接前，要求先进行自循环，以便排除液压系统中的空气、过滤油液中可能存在的污染物，保证油液的清洁度。

2.1.2 液压系统主要性能参数

为满足小型机对地面液压保障的需求，并适当留有输出余量，文中确定小型机航空地面液压保障设备液压系统的主要技术指标如下:

输出压力:0 ～40 MPa (连续可调);

输出流量:0 ～30 L/min (连续可调);

油液工作温度:≤80 ℃;

油液固体颗粒污染度:优于GJB420B-6 级;

工作介质:15 号航空液压油。

2.2 液压系统方案设计

2.2.1设计思路

为使液压保障拖车具有良好的工作性能，且体积较小，现有两点设计思路将作为液压系统设计的主要参考:

(1)采用散热器旁路设计。散热器安装在调压回油的旁路上，该处是全液压系统温度最高点。与安装在主回路相比，采用旁路设置，不仅可以有效降低系统油温，而且也降低了回油阻力，使油液及时回到油箱。

(2)一个液压泵完成多种工作模式。现有的液压保障装备主要是为有人飞机提供液压保障，其输出流量较大，因此采用了一个低压泵和一个高压泵的液压系统设计。而文中设计的保障设备输出流量较小，在设计上可以实现一个液压泵完成多种输出功能。所以，为了简化系统，使保障设备小型化，文中设计的液压系统将采用一个液压泵完成多种工作模式。

综合以上两点，液压保障拖车液压系统设计思路如图1 所示。

图1 液压系统设计思路示意图

根据设备输出功能及相关性能参数，制定了两个液压系统设计方案:方案一以泵控方式为主，即采用容积节流调速回路;方案二在节流调速回路设计的基础上采用阀控与变频调速的复合调速方式。

2.2.2 方案一

该方案主要采用以DFR1 变量柱塞泵为液压动力源的容积节流调速回路设计，通过调节串联在液压泵出口的流量控制阀调节系统输出流量，调节遥控比例溢流阀控制系统输出压力，方案设计如图2 所示。

图2 液压系统流程示意图

该方案的工作流程为:

(1)自循环。液压保障设备在与小型机对接前，先进行自循环，以便排除液压系统中的空气，并过滤油液中可能存在的污染物，保证油液的清洁度。其主要流程为油液从油箱出发，经二位四通换向球阀进入柱塞泵，然后流经单向阀、油过滤器等，通过溢流阀8 和散热器回到主回油路完成循环。

(2)供压模式。在供压模式下，系统处于闭式状态，从小型机回流的油液直接进入柱塞泵，升压后经过油过滤器、高压活门返回到小型机液压系统。DFR1 变量泵可根据小型机负载所需的压力和流量自动调节输出压力和流量，此时的溢流阀8 作为安全阀，当系统压力过高时，溢流阀打开，油液经溢流阀直接返回，实现系统卸荷。

(3)清洗模式。设备在供压模式下通过油过滤器即可清洗液压系统，为了更彻底地清洗液压系统油液，可以将低压活门通过油管与小型机相应的回油活门对接，使小型机上的油液经二位四通换向球阀回到设备油箱，然后，液压保障设备再进行自循环将油液清洗干净，最后，通过加油模式将油液返回小型机液压系统。

(4)加油模式。当小型机液压系统油液偏少时，液压保障设备可以对其进行加油。将低压活门与小型机相应的回油活门对接，液压保障设备开启后，油液从油箱出发，进入柱塞泵，通过溢流阀(截止阀打开)，从低压活门进入到小型机液压系统。为防止飞机油箱液压油进入设备油箱，设备油箱进口处安装了背压阀。

2.2.3 方案二

方案二以节流调速回路设计为基础，采用阀控调速与变频调速组成的复合调速系统。变频器与普通电机组成的系统动力源可以初步调节系统流量，而高精度的流量控制则通过调节串联在供压回路的比例调速阀来实现;与液压泵并联的比例溢流阀用于调节系统输出压力。该方案的最大优点是控制精度较高，同时，由于采用液压变频技术，系统功率损失也较小。方案设计如图3 所示。

图3 液压系统流程示意图

该方案的工作流程为:

(1)自循环。自循环模式中，油液从油箱出发，经过液压泵升压，依次流经单向阀、高压油过滤组、比例溢流阀、散热器、低压油过滤器，最后回到油箱，完成自循环。在完成自循环的同时，比例溢流阀调节回路压力，一部分油液通过比例溢流阀流经散热器后回到主回路当中，完成旁路的循环工作。

(2)供压模式。供压模式中，二位三通阀处于图中下位工作。油液从油箱出发，经过液压泵升压，依次流经单向阀、高压油过滤组、比例流量控制阀，经高压活门进入小型机液压系统;从小型机液压系统回流的油液经低压活门进入设备液压系统中，经二位三通阀和低压油过滤器回到油箱中。供压模式中，通过控制变频器调节电动机转速从而调节液压泵输出流量，通过调节比例调速阀和溢流阀精确控制系统输出的流量和压力。

(3)清洗模式。清洗模式的油液循环和供压模式相同，唯一不同的是，清洗过程中系统输出的流量更大，而且是变流量，输出压力则比供压模式小。通过不断的循环，使油液中的颗粒物被油过滤器过滤下来，达到清洗小型机液压系统的目的。

(4)加油模式。加油模式中，二位三通阀处于上位工作。油液从油箱出发，经过液压泵升压，依次流经单向阀、高压油过滤组、比例流量控制阀和二位三通阀，最后经低压活门进入到小型机液压系统的油箱中。

3 方案的比较与选择

上述两种设计方案采用的流量控制方式有所不同，液压系统性能比较见表1。

表1 两种方案性能比较

方案一采用泵控方式，选择具有负载敏感特点的DFR1 型液压泵，该泵能实现对输出压力和流量的双重控制，其输出流量只与流量控制阀的开度有关，而不受负载速度变化的影响。采用DFR1 泵，除了流量控制阀有一定的压降外，基本没有其他节流和溢流损失，系统效率高、发热少。但DFR1 泵的流量控制效果比压力控制差，控制精度没有阀控高。另外，包括DFR1 泵在内的大部分变量泵由于受其变量调节原理的限制，只有当工作压力在2 MPa 以上才能对输出流量和压力进行有效的调节，不符合文中液压系统的设计需要;且变量柱塞泵存在不可避免的泄漏现象，对于低输出流量控制效果较差，有可能液压泵的输出流量比自身正常的泄漏量还小。

方案二采用阀控调速与变频调速的复合调速方式，具有控制精度高、功率损失小和系统响应快等优点。该方案采用的复合调速方式能有效避免单一调速方式的缺点，更能将二者的优点相结合。变频器与普通电机构成的系统动力源，可以方便地控制电机转速，即调节液压泵输出流量，能有效减少系统节流损失和溢流损失。比例调速阀和比例溢流阀的采用能克服单纯使用变频调速方式控制精度低和低速特性差的缺点，尤其在微流量和小压力输出的情况下，能快速精确地控制系统输出流量和压力。

经过对比分析，可以看出:方案一不适合文中设计需要，而控制精度高、功率损失小和系统响应快的方案二更适合设计需要。所以，将选择方案二作为小型机液压保障拖车液压系统的设计方案。