某型液压柱塞泵壳体回油特性试验研究*

2023-03-11李东林杨书华高火金

机电工程 2023年2期

邱华,李东林,2*,赵峰,杨书华,高火金

(1.新乡航空工业(集团)有限公司,河南新乡 453049;2.河南科技大学机电工程学院,河南洛阳 471003)

0 引言

大型飞机的研发制造能力是国家航空实力的重要体现,关系到国家重大战略需求,因而被列为国家重大科技专项。

液压系统是大型飞机的核心子系统,被誉为飞机的“血管和肌肉”,其功能是为舵面操纵、起落架收放、机轮刹车、舱门启闭等关键作动系统提供动力[1]。航空液压柱塞泵是飞机液压系统的核心部件,在系统中扮演着类似于“心脏”的重要角色,为系统提供压力和流量[2，3]。

由于受高空中低温、低气压等环境因素的影响,现代飞机液压系统通常使用增压油箱(增压压力通常为0.3 MPa～0.5 MPa),构成闭式液压系统,以满足航空液压柱塞泵的吸入要求[4]。在巡航状态下,大型飞机的作动系统由于长时间不动作,航空液压柱塞泵不能通过高压出口带走热量,泵的壳体回油是其散热的唯一途径,成为影响飞机液压系统安全的关键因素。

在柱塞泵的使用过程中,柱塞泵需要面对油箱增压压力和管路流阻等造成的高回油压力,因此,要求柱塞泵具有较强的壳体回油压力,同时在系统设计上应具有较低的回油管路流阻。然而,因壳体回油不畅,致使液压泵内部摩擦热量无法带出,液压泵内部因热量积聚而温度升高,导致液压泵产生故障的情况时有发生[5]。

因此,研究航空液压柱塞泵的壳体回油特性,对于飞机液压系统的设计和使用维护具有重要意义。

在使用方面,研究人员分析了壳体回油能力对航空液压柱塞泵的重要性。

陈金华等人[6]研究了入口内置增压泵、出口集成缓冲瓶、壳体回油腔设置主动抽油泵等,对发动机驱动泵寿命的影响,指出了壳体回油能力对发动机驱动泵寿命的重要性,并提出了保证壳体回油的解决措施;但是该研究并未量化计算壳体回油压力-流量特性。张文超等人[7]研究了柱塞泵3对摩擦副对回油流量的影响,并得出结论,即配流盘的磨损对泄漏量的影响程度最为关键;但该研究未考虑缸体倾覆对壳体回油的影响。

在机理方面,航空液压柱塞泵的壳体回油是由配流副、柱塞副和滑靴副的泄漏造成的,因此,国内外学者都对三大摩擦副的泄漏特性进行了深入的研究。

BAKER J E[8]研究了柱塞泵配流副密封间隙对其泄漏和黏性功率损失的影响,并提出了一种可降低功率损失的配流盘微结构;但该研究没有分析配流副泄漏对泵壳体回油能力的影响。WANG Z等人[9]研究了柱塞泵倾斜缸体配流副油膜的形态和压力分布;但是,研究中并未考虑壳体回油压力对油膜形态和压力分布的影响。胡敏[10]研究了轴向柱塞泵柱塞副油膜的润滑承载机理;但没有分析柱塞副泄漏对泵壳体回油能力的贡献。QIAN D等人[11]在对燃油泵柱塞副泄漏进行研究时,考虑了偏心、弹性变形和温度等因素对高压燃油泵柱塞副泄漏的影响;但未考虑高壳体回油压力对柱塞副泄漏的影响。王亚军[12]研究了轴向柱塞泵滑靴副的滑靴不同结构参数对其压力分布的影响,并对滑靴结构参数进行了优化;但其涉及的边界条件中,未考虑壳体回油压力的影响。

很多学者在研究中指出,壳体回油能力对航空柱塞泵具有重要作用,并分析了三大摩擦副的泄漏规律,但是较少考虑高壳体回油压力对其泄漏的影响。

笔者以某型航空液压柱塞泵为对象,在求解配流副润滑模型的基础上,考虑缸体倾斜角度和高壳体回油压力等因素的影响,分别建立配流副、柱塞副和滑靴副泄漏模型,研究缸体倾斜角度、油液温度、壳体回油压力等工况参数,对各摩擦副泄漏量的影响,并对壳体回油压力-流量特性进行深入分析。

1 摩擦副模型

1.1 摩擦副几何结构

某规格型号航空液压柱塞泵配流副的结构如图1所示。

图1 液压柱塞泵配流副结构R1—内密封带内半径;R2—高压区内密封带外半径;R2′—低压区内密封带外半径;R3—高压区外密封带内半径;R3′—低压区外密封带外半径;R4—外密封带外半径;θls—低压区起点张角;θle—低压区终点张角;θhs—高压区起点张角;θhe—高压区终点张角;θ0—缸体配流窗口夹角

由图1可知:缸体端面和配流盘表面紧密贴合组成了配流副,缸体端面均布9个腰型通流窗口,通流窗口两侧为内外密封带;配流盘包括低压区腰型槽和高压区腰型槽。

配流副结构参数的名称和取值如表1所示。

表1 配流副结构参数值

1.2 配流副的润滑模型

为了精确分析配流副泄漏特性,首先需要建立其润滑模型。为了便于计算,笔者对配流副润滑模型做以下假设:

(1)配流副间隙油液流动特性为层流;

(2)配流副油液为理想牛顿液体,油液密度不随压力及温度变化;

(3)油液满足近壁面无滑移边界条件;

(4)油膜厚度尺寸相对周向与径向尺寸极小,认为油膜压力沿膜厚方向不变。

在极坐标(r,θ)下,忽略重力的影响,配流副的雷诺方程可表示为[13]:

(1)

式中:h—油膜的厚度,m;p—油膜的压力,Pa;ω—缸体的转速,rad/s;μ—油液动力黏度,Pa·s。

图1中,笔者选取外密封带外圆半径R4上3个等分点P1、P2和P3,对应的油膜厚度分别为h1、h2和h3,配流副任意位置的油膜厚度可表示为:

(2)

对式(2)求极值,可得配流副楔形油膜角度,即缸体相对与配流盘的倾角γ为:

(3)

实验结果表明,配流盘最小油膜在高压区从外死点沿旋转方向的100°～135°范围内[14],对应的最小油膜厚度方位角取其平均值,即θminh为297.5°。

为了便于数值计算,将式(1)变为差分形式,即:

(4)

采用差分法对式(4)进行离散,可得压力分布表达式为:

(5)

其中:ri,j=r1+iΔr;θi,j=jΔθ;Δr=(r4-r1)/m;Δθ=2π/n。

设置边界条件如下:

(6)

式中:pcase—壳体回油压力,Pa;pc—柱塞腔的压力,Pa。

采用迭代法求解,程序流程图可参见文献[15]。

1.3 配流副的泄漏模型

在柱塞泵的实际工作过程中,在柱塞液压力、侧向力和离心力等的作用下,其缸体会向高压区倾覆,造成配流副形成楔形油膜,配流盘高压区油膜薄,低压区油膜厚[16]。

配流副的楔形油膜如图2所示。

图2 配流副的楔形油膜γ—配流副楔形油膜角度;qvl—低压区从壳体中吸油的流量;qvh—高压区泄漏到壳体中的流量;R4—外密封带外半径;minh—最小油膜厚度;maxh—最大油膜厚度;θminh—最小油膜厚度方位角

在压差的作用下,一方面,高压区油膜向外流入泵壳体,造成泄漏;另一方面,低压区油膜向内流入低压区腰型槽,吸入柱塞腔。

根据配流副间隙压力分布,配流盘处径向流速为[17]:

(7)

高压区泄漏到壳体中的流量可表示为:

(8)

低压区从壳体中吸油的流量可表示为:

(9)

因此,配流副的泄漏量可表示为:

qv=qvh-qvl

(10)

1.4 柱塞副的泄漏模型

由于柱塞副的间隙很小,可将其缝隙流动视为层流。又由于柱塞与缸套之间存在间隙,柱塞在侧向力的作用下会产生偏心,考虑偏心情况下单个柱塞的泄漏量可表示为:

(11)

式中:sp—柱塞的位移,m;δp—柱塞与缸套单边间隙,m;εp—柱塞在缸孔中的偏心率。

1.5 滑靴副的泄漏模型

滑靴副的润滑油膜非常薄,油膜的流动可视为层流,其泄漏量可表示为:

(12)

式中:r1—滑靴密封带内半径,m;r2—滑靴密封带外半径,m;δs—滑靴副油膜厚度,m。

2 数值分析

2.1 参数设置

笔者以某型21 MPa恒压变量柱塞泵为研究对象。该泵在一个周期内单个柱塞腔的压力随转角变化情况,如图3所示。

图3 单个柱塞腔压力变化

仿真模型中各参数的取值如表2所示。

表2 仿真参数

2.2 缸体倾角对配流副泄漏的影响

由配流副的泄漏公式(7～10)可知,配流副的泄漏量与油膜的压力分布和油膜厚度正相关,配流副的泄漏量包括高压区的泄漏和低压区的吸油。

在壳体回油压力0.5 MPa、中心油膜厚度15 μm、温度40 ℃条件下,配流副各部分泄漏量随缸体倾斜角度的变化,如图4所示。

图4 配流副各部分泄漏量与缸体倾斜角度的关系

由图4可知:当缸体倾斜角度为0时,高压区向壳体中的泄漏占主导,低压区从壳体内的吸油较小;但随着缸体倾斜角度的增加,高压区油膜厚度减小,低压区油膜厚度增加,高压区泄漏减小,而低压区吸油作用增强,配流副的总泄漏量逐渐减小。

在缸体倾斜条件下,为了进一步分析低压区吸油的对配流副总泄漏的影响,笔者计算了配流盘低压区吸油与高压区泄漏的占比,所得到的结果如图5所示。

图5 配流盘低压区吸油与高压区泄漏的比例

由图5可知:随着缸体倾斜角度的增加,低压区吸油作用逐渐增强;当倾斜角度为0.03°时,低压区吸油量与高压区泄漏量的比例为44.83%,即配流副高压区将近一半的泄漏量被吸入到柱塞腔中。

2.3 油液温度对配流副泄漏的影响

配流副泄漏量与油液黏度呈负相关,而油液的黏度受温度的影响。

在缸体倾角0.02°、壳体回油压力0.5 MPa下,配流副各部分泄漏量随温度的变化曲线,如图6所示。

图6 配流副各部分泄漏量随温度的变化

从图6可知:在低温-40 ℃时,因油液黏度很大,配流副各部分的泄漏量很小;但随着温度的升高,高压区的泄漏增加,低压区的吸油作用也增强;当油液温度达到135 ℃时,低压区吸油量和高压区泄漏量分别为-0.543 L/min和3.217 L/min,两者的比例为16.88%。

2.4 壳体回油压力对摩擦副泄漏的影响

泵壳体回油压力是影响摩擦副泄漏的直接因素。在缸体倾斜角度0.03°、油温80 ℃条件下,配流副各部分泄漏量随壳体回油压力的变化情况,如图7所示。

图7 配流副各部分泄漏量随壳体回油压力的变化

从图7可以看出:由于配流盘高压区压力(21 MPa)远高于壳体回油压力,壳体回油压力对配流盘高压区的泄漏影响较小;然而,壳体回油压力为配流盘低压区压力(0.03 MPa)的数倍,壳体回油压力对配流盘低压区吸油影响显著。特别地,当壳体回油压力为2 MPa时,高压区泄漏量、低压区吸油量和总泄漏量分别为0.635 L/min、-1.380 L/min和-0.756 L/min,配流盘高压区的泄漏量小于低压区的吸油量,配流盘整体上将从壳体内吸油。

为了分析缸体倾斜角度、壳体回油压力对配流副低压区吸油作用的影响,笔者计算了这两个参数耦合作用下,低压区吸油量与高压区泄漏量占比,结果如图8所示。

图8 配流副低压区吸油与高压区泄漏占比

从图8可知:低压区吸油作用与壳体回油压力呈线性增强关系,同时随着缸体倾斜角度的增加,吸油作用增强;在壳体回油压力2.0 MPa下,缸体倾斜角度为0、0.01°、0.02°和0.03°对应的配流副低压区吸油量与高压区泄漏量的比例分别为18.87%、40.62%、78.77%和217.49%,即当缸体倾斜角度大于0.02°的某个值时,配流盘整体上将由向壳体中泄漏转为从壳体中吸油。

根据柱塞副的泄漏公式(11),可计算得到不同壳体回油压力下,柱塞副泄漏量随缸体转角的变化情况,其所得结果如图9所示。