大容积直线式液压作动筒压力脉冲试验的分析与探索

陈育良，王 琨

（中航飞机起落架有限责任公司，湖南 长沙410200）

0 引言

随着国内大飞机项目不断上马，大容积液压作动筒用得也越来越多。根据相关标准[1]要求，新研制的飞机液压作动筒、阀、压力容器首次飞行前必须完成压力脉冲试验。目前国内压力脉冲试验设备难以满足大容积液压作动筒压力脉冲试验的要求[2]，大容积液压作动筒进行压力脉冲试验时，一般采取填充刚性介质减少腔体内液体量的办法，调试压力脉冲波形达到标准试验波形的要求。但当作动筒容积大到一定的量时，该方法失效。有人从控制试验设备角度，探索解决办法[2-3]。本文从大容积液压作动筒试验件本身出发，探索分析了难以调试出符合标准压力脉冲波形的因素，为解决这一问题提供一定的参考依据。

1 压力脉冲试验时瞬间流入腔体液体量理论计算

压力脉冲试验时，液体瞬间流入腔体量主要由腔体内液体压缩量和腔体变形量决定。文中选取大、小容积液压作动筒全伸长状态，压力脉冲试验规定波形的的峰值下，瞬间流入腔体液体量进行计算。两作动筒尺寸如图1、图2所示。

图1 大容积液压作动筒

图2 对比作动筒

1.1 油液压缩引起瞬间流入腔体液体量

压力脉冲试验波形如图3[4]所示，取其峰值压力计算油液压缩引起瞬间流入腔体液体量。

图3 压力脉冲试验波形

根据一定压力下，油液体积压缩量：

▽V＝P×C×V

油液压缩率（经验公式）：C=8×10-4（MPa）；P为压力；V为液体体积；L为作动筒行程。

（1）大容积液压作动筒无杆腔压缩量

大容积液压作动筒无杆腔容积：

V＝ π×D2×L/4=π×1202×580/4=6 559.6 ml

峰值压力下油液体积压缩量：

▽V＝P×C×V=31.5×8×10-4×6 559.6=165.3 ml

（2）大容积液压作动筒无杆腔填充后压缩量计算

峰值压力下油液体积压缩量过大，在无杆腔填充刚性填充物，使无杆内油液剩余720 ml，此时压力脉冲试验峰值压力下油液体积压缩量：

▽V＝P×C×V=31.5×8×10-4×720=18.1 ml

（3）小容积液压作动筒无杆腔填充后压缩量

对比作动同作无杆腔压缩量

V＝π×D2×L/4=π×582×278/4=734.5 ml

峰值压力下油液体积压缩量：

▽V＝P×C×V=31.5×8×10-4×734.5=18.5 ml

1.2 容腔变形引起瞬间流入腔体液体量计算

压力脉冲试验峰值压力下直线式液压作动筒无杆腔容腔变形引起瞬间流入腔体油液量，主要由径向变形引起。两作动筒外筒材料均为：30CrMnSiNi2A.

（1）工程计算容腔变形引起瞬间流入腔体液体量

1）大容积作动筒外筒变形油液流入量计算

行程：L=600 mm；D2=126 mm；D1=120 mm；D2/D1≈ 1，即结构为薄壁圆桶。外筒壁厚t=3 mm，弹性模量E=2.07 GPa，泊松比μ=0.3，外筒内径Dm=123 mm.

环向变形：▽ι=ι×εθ＝π ×Dm×εθ

=π×123×0.00265=1.024 mm

径向变形：▽Dm=（▽l+l）/π -Dm

=（1.024+ π × 123）/π -123

＝0.326 mm

径向变形引起容腔变化量：

▽Vm=▽S×L=π×[（▽Dm+Dm）2-Dm2]×L/4

=π×[（0.326+123）2-1232]×600/4

=37 841.6 mm3≈37.8 ml

2）对比作动筒外筒变形油液流入量计算

行程：L=278 mm；D2=64 mm；D1=58 mm；D2/D1≈1，即结构为薄壁圆桶。

环向变型：▽ι=ι×εθ＝π ×Dm×εθ

=π×61×0.001 32=0.25 30 mm

径向变形：▽Dm=（▽l+l）/π -Dm

=（0.253 0+ π × 61）/π -61

＝0.081 mm

无杆腔体积变形：

▽Vm=▽S×L=π×[（▽Dm+Dm）2-Dm2]×L/4

=π×[（0.081+61）2-612]×278/4

=2159.1 mm3≈2.159 1 ml

（2）有限元计算

从动筒外筒变形油液流入量计算公式来看，无杆腔体积变形对外筒壁厚变化不太敏感，因此将外筒简化成厚度均匀的薄壁圆筒，加31.5 MPa的压力，用ABQUAS软件进行简算，结果如1）、2）所示。

1）大容积作动筒外筒变形油液流入量有限元计算

图4 大容积作动筒简化外筒径向变形计算

径向变形：▽Dm=（▽Rmax+ ▽Rmin）

=（0.190+0.187）＝ 0.377 mm

无杆腔体积变形：

▽Vm=▽S×L=π×[（▽Dm+Dm）2-Dm2]×L/4

=π×[（0.377+123.2）2-123.22]×580/4

=42 380.3 mm3≈42.4 ml

2）小容积作动筒外筒变形油液流入量有限元计算

图5 小容积作动筒简化外筒径向变形计算

径向变形：▽Dm=（▽Rmax+ ▽Rmin）

=（0.049+0.047）＝ 0.096 mm

其中，▽Rmax表示半径方向最大变形：▽Rmin为半径方向最小变形；Dm表示外筒内径。

则无杆腔体积变形为：

▽Vm=▽S×L=π×[（▽Dm+Dm）2-Dm2]×L/4

=π×[（0.096+61）2-612]×278/4

=2 580.2 mm3≈2.6 ml

2 大、小容积压力脉冲试验波形调试对比

大、小容积作动筒全伸长状态（其中大容积作动筒无杆腔用铝棒填充，且油液容量与小容积作动筒到全伸长状态相同）下对无杆腔进行容积压力脉冲试验（试验压力21 MPa），根据图3脉冲波形要求，最终调试出的最佳结果见图6和图7.

图6 大容积作动筒最佳压力脉冲试验波形

图7 小容积作动筒最佳压力脉冲试验波形

结果显示：相同试验条件下，大容积作动筒峰值压力仅为22.4 MPa，远低于标准规定要求的31.5 MPa，小容积作动筒峰值压力为31.7 MPa，略超出标准要求。

3 原因分析

通过以上分析，相同试验条件下，进行压力脉冲试验时，大容积直线式液压作动筒比小容积直线式液压作动筒更难调试出标准波形要求的峰值压力，主要原因如下：

1）相同温度和压力下，油液压缩引起瞬间流入腔体液体量与液体体积大小成正比，因此大容腔液压作动筒液体量要多于小容腔液压作动筒液体量。相同时间内，压力从零达到峰值的瞬间所消耗的脉冲能量，大容腔液压作动筒要多于小容腔液压作动筒。

2）大容积作动筒外筒变形较大，一方面变形本身需要吸收更多能量，另一方面大容积作动筒受压变形导致流入作动筒内腔油液量比小容积作动筒油液流入量多，这也决定试验时大容积作动筒需要更多脉冲能量。

4 结束语

受外筒结构变形与腔内液体压缩双重影响，大容积直线式液压作动筒进行压力脉冲试验时，目前国内设备难以调试出符合标准要求的脉冲波谱。本文计算分析了大、小两个不同容积直线式液压作动筒因外筒变形瞬间流入作动筒腔体的油液量；通过试验验证了压力脉冲试验调试试验波形过程中，作动筒容积大小与压力脉冲试验波形的峰值直接关联，在此基础上分析了大容积直线式液压作动筒进行压力脉冲试验时，不易调试出符合标准压力脉冲试验波形的原因。为探索国内目前试验设备调试符合标准要求的脉冲波形以及解决试验时选用标准压力脉冲试验谱提供一定的参考依据。

参考文献：

[1]王锡张，谢金生，王 振，等.GJB3849-49飞机液压作动筒、阀、压力容器脉冲试验要求和方法[S].解放军驻320厂军代室，1999.

[2]李 军.飞机液压系统压力脉冲试验的机理分析与控制[D].西安：西北工业大学，2007.

[3]袁朝辉，滕炯华.飞机液压系统压力脉冲试验波形控制[J].航空学报，2003，24（5）：395-399.

[4]秦加礼，张吉力，王芝云.HB6090-86飞机Ⅰ、Ⅱ型系统直线式作动筒通用技术条件[S].中华人民共和国航空工业部，1986.