不同管路布局振动应力测试分析及布局优化

石立　胡文

摘 要：目前，飞机的液压系统正朝着高压化、大功率、轻质量、多余度等方向发展。高压管道引起的液压冲击会更强烈，剧烈的振动会造成管道元件破坏甚至断裂，这必然对飞机液压系统提出了更高的要求。该文通过在原理试验台进行不同导管形状、不同导管安装状态，以及导管变形状态的应力测试比较，给出了管路布局优化建议。

关键词：管路 振动 应力 布局 优化

中图分类号：TM925 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0030-02

1 概述

液压系统管路，主要是用于液压油的输送，是液压系统的重要组成部分。管路一旦发生断裂，会造成飞机液压系统失效，后果极其严重。因此，液压管路的可靠性直接影响到飞机的性能和安全。根据对断裂导管的统计分析得出，90%的断裂属于疲劳损伤，与振动有关。现代大型客机液压系统绝大多数都采用变量柱塞泵以及脉动式的流量输出，由此产生的压力脉动致使能源管路系统更易于发生故障，增加了飞机的危险系数，影响飞行任务的正常执行。

液压系统管路由振动引起的故障有两大类，一类是振动疲劳，一类是振动磨损。管路的振动疲劳是管路在一定的振动应力作用下，先局部形成永久性累积损伤，经一定循环次数后出现裂纹、扩展直至断裂的过程。管路的振动磨损，则是因管路振动引起管路连接、固定处配合面产生相对位移而形成的摩擦表面损伤，或是因管路振动位移过大，而与相邻物体产生反复碰撞摩擦而形成的表面损伤，严重时可在管路表面形成明显的磨损凹坑而导致管路损坏。

为研究分析不同的导管形状、不同的导管安装状态，以及导管变形（如机翼的变形造成管路的变形）对管路振动的影响，在某一液压原理试验台上进行了不同管路构型状态下的脉动应力测试。

2 导管构型状态

试验在某液压原理试验台上进行，原理试验台液压泵后采用软管连接，试验台中用型架搭建一个管路连接模块，型架可以自由移动，方便固定不同管路，安装管路一端与系统采用硬管连接，另一段采用软管连接，方便不同管路的安装。管路连接模块如图1所示。

管路安装构型分为以下几种。

（1）平面S型硬弯管：在导管连接模块中采用平面S型硬弯管连接，导管形式如图2所示。

（2）立体S型硬弯管：在导管连接模块中采用立体S型硬弯管连接，导管形式如图3所示。

（3）立体S型硬弯管加一个卡箍：在导管连接模块中采用立体S型硬弯管连接，并在立体S型硬弯管管路中部安装一个卡箍。

（4）立体S型硬弯管加两个卡箍：在导管连接模块中采用立体S型硬弯管连接，并在立体S型硬弯管管路中部安装两个卡箍。

（5）立体S型硬弯管加一个块卡：在导管连接模块中采用立体S型硬弯管连接，并在立体S型硬弯管管路中部安装一个块卡（快卡位置与安装一个卡箍时卡箍安装位置一致）。

（6）硬直管：在导管连接模块中采用硬直管连接。

（7）变形硬管3°～5°：在导管连接模块中采用硬直管连接，并在硬直管管头处用块卡固定，在硬直管管尾（与软管接口处）将硬直管下拉固定，保持硬直管成3°～5°角变形。

（8）变形硬管7°～10°：在导管连接模块中采用硬直管连接，并在硬直管管头处用块卡固定，在硬直管管尾（与软管接口处）将硬直管下拉固定，保持硬直管成7°～10°角变形。

3 测试方法

导管脉动应力试验主要是通过测量液压导管的脉动应力幅值，来判断是否会对管路产生疲劳破坏。本次试验采用了硬直管、平面S型硬弯管和立体S型硬弯管3种管路构型，其中在硬直管构型中包括了管路未变形状态及两个不同的管路变形状态，在立体S型硬弯管构型中包括了用卡箍和块卡等不同固定形式固定管路的状态。在3根导管上共布置7个测点，每个测点安装两片应变片。其中硬直管和变形硬管同用一根硬管，硬管上布置3个测点，平面S型硬弯管和立体S型硬弯管上均布置两个测点。在试验中用液压泵模拟某大型飞机的发动机泵，模拟发动机泵的最大转速3830 r/m，进行了0 L/min流量状态和29.9 L/min流量状态下的脉动应力试验。

在本次试验中采用了DC耦合的方式进行数据采集，采集过程中除去趋势分量，只提取动态信息。温度变化引起的信号零点漂移已作为趋势分量进行滤除，因此可以不在管路上进行温度补偿。针对原始数据，计算幅值包络最大值，提取应变峰峰值，根据液压导管的参考弹性模量，利用应力公式计算出相应的应力峰峰值。由于在不同管路构型中黏贴了应变片，因此应变片的黏贴误差会带入不同管路构型之间的比较，而对同一管路构型之间的不同状态不会产生影响。

4 测试结果分析

通过试验数据分析，硬直管、平面S型硬弯管和立体S型硬弯管三种管路构型中，硬直管的脉动应力值最小，在相同没有卡箍和块卡固定的情况下，平面S型硬弯管的脉动应力要小于立体S型硬弯管。在立体S型硬弯管构型状态中，采用卡箍或块卡固定管路能够有效的减小脉动应力值，且通过单卡箍固定和单块卡固定两种形式的比较，可以看出用块卡固定能更有效的减小脉动应力值，而在单卡箍和双卡箍固定的比较中，单卡箍固定的脉动应力值更小，这应该是和卡箍的固定位置有较大关系。在硬直管构型中，当管路弯曲变形后，脉动应力值整体偏大。

5 管路布局优化

（1）在液压系统压力管路中，导管的形状对脉动压力有一定的影响，随着管路复杂程度的加大，脉动压力会有增大的趋势，为了减少管路的脉动压力，特别是泵出口管路的压力脉动，应尽量将管路的形状布置简单。

（2）飞机液压系统中经常采用卡箍和块卡对管路进行安装固定，试验表明，适当的对导管进行安装固定，对减少脉动应力有一定的效果，而采用块卡比卡箍效果更好，同时适当的调节卡箍、快卡的安装固定点，可以影响脉动应力的大小。

（3）飞机飞行过程中液压系统导管由于飞机的升力作用经常会出现变型。试验表明，导管在变型后管路中的脉动应力会有增大的趋势。在飞机液压系统中应注意产生变型的部位（比如机翼中的导管），安装时应采用一定的措施。

参考文献

[1] 郝兵，李成刚，王浩.胶粘常规应变片在发动机外部管路振动测量中的应用[J].航空发动机，2002（3）：9-12.

[2] 徐存东，左罗，张硕，等.基于DASP的泵站压力管道振动测试与分析[J].兰州理工大学学报，2013（2）：47-51.

[3] 刘涛，张荫鳌，田金光，等.某发动机外部管路振动应力测试研究[J].中国新技术新产品，2014（10）：30.

[4] 王鸿鑫.飞机液压管路系统振动应力测试研究[J].民用飞机设计与研究，2012（2）：32-34，39.