液压管路动态特性分析与试验

宋玉山，任孝东，任 峰

（1.长春理工大学 空间光电技术研究所，吉林 长春 130022；2.长春师范大学 工程学院，吉林 长春 130031；3.赛摩电气股份有限公司 技术中心，江苏 徐州 221004）

管路是液压系统各部件之间的纽带，整机液压系统的动态特性不仅受到液压元件性能的影响，而且还会受到连接这些液压元件的管路性能的影响[1，2]。由于液压管路存在多物理场、多尺度以及流固耦合非线性等特性，所以液压管路在设计时非常复杂。在航空航天领域，液压管路的设计至关重要。中国民航总局1989～2009年统计数据显示，在飞机元件类故障中，液压管路故障占 50%[3，4]。

管路具有沿长度方向分布的惯性、容性和阻性，在整机作业过程中会产生压力损失、压力波动与压力冲击。主要影响整机液压系统的控制精度、响应速度以及液压系统的稳定性[5]。

管路与管接头内存在的压力波动与压力冲击会使执行元件等产生振动，而且压力冲击产生的峰值压力可达正常工作的3～4倍，可能会破坏仪表、管路以及液压元件，降低了液压系统的可靠性与使用寿命。因此，对压力波动与压力冲击的产生原因进行分析总结，并采取一定措施进行防治十分必要的。

然而，管路对整车性能的影响并没有受到设计人员的重视，并且在整机设计过程中往往会忽略管路压力损失、压力波动与压力冲击的影响。因此，对管路性能的研究对整车性能的提高在现阶段具有重要的意义。

目前设计人员对管路设计方法还是停留在传统的经验设计阶段，然而若采用传统手工计算方法进行建模与分析比较困难，而且需要投入大量的人力、物力和时间；使用专业的液压仿真软件则可大大降低开发成本和缩短开发周期。

AMESim专业液压仿真软件基于功率键合图原理，并且为用户提供了更加直观的图形化建模仿真环境，带有大量的液压元件，具有专用的液压管路库，为用户提供了非常丰富的管道模型、各种角度的弯管和各种形状的管接头。该软件在建立液压系统数学模型的过程中充分考虑了液压油的物理热性和液压元件的非线性特性，与其他仿真软件相比较，具有较大优势，故采用AMESim专业液压仿真软件对管路进行建模仿真。

1 AMESim模型建立及参数设置

目前针对液压管路设计大多数利用经验计算，进行动态仿真时多数都采用MATLAB中Simulink仿真的方法。虽然能够完成相应的仿真工作，取得一定的仿真成果，但是这种方法在建模过程中对理论分析推导过于依赖，极大限制了其在工程上的应用。由于整机的液压管路比较繁杂，所以对仿真模型的细节要求非常高，而Simulink针对复杂系统的仿真分析具有很大的局限性。本文针对这一情况改用AMESim专业仿真平台进行仿真分析，有效提高建模及仿真分析的效率及准确性。

本文以某型号飞机典型管路为例，根据其工作原理及实际结构，运用AMESim仿真软件建立了整机典型管路的仿真模型，如图1所示。

图1 管路AMESim仿真模型

仿真模型中各参数设置主要依据实际结构参数及实际工况值进行设定，其中发动机根据其外特性曲线设置，液力变矩器根据样本与实验测得的数据进行设置，充分保证了模型的准确性。其中部分仿真参数如表1所示。

表1 传动系统主要参数设置

2 仿真与实验结果分析

根据研究分析需要，针对实验所测量的数据类型，所需相关仪器主要包括数据采集仪、压力传感器、PC处理终端及精密压力表。测点布置如图2所示。

压力传感器量程为0～7MPa，流量传感器量程为100L/min，输出 1～5V电压信号经转换后输出0～7MPa压力信号和0～100L/min的流量信号。

图2 液压管路实验布置图

2.1 仿真分析结果

针对某型号装载机典型液压管路进行仿真分析。分别取管径为6mm、7mm、8mm、9mm、10mm管路进行仿真分析，仿真结果如图3、图4所示。

从图3可以看出，管路直径改变1mm对管路压力损失影响较大。例如，在流量为50L/min时，8mm管径的压力损失为0.7MPa，9mm管径的压力损失为0.5MPa，10mm管径的压力损失为0.39MPa，11mm管径的压力损失为0.32MPa。

图3 不同管径、流量下管路压力损失值

图4 不同管路长度、流量下管路压力损失值

管路长度同样对沿程压力损失有重要影响，沿程压力损失随管路长度的增加不断的增大，对系统来说，应该选用合适长度的管路，图4分析比较了各管路长度在不同流量下的压力损失值。

液压系统中存在大量的液压元件，如：液压泵、各种液压阀、各种液压执行元件、液压附件，这些元件具有液阻、液容、液感特性，将在系统中产生复杂的非线性特性，导致液压管路振动特性分析及其复杂。图5是对几个典型管路进行单工况仿真分析，仿真结果显示：管路的通径对液压系统的动态性能有较大影响，随着管路通径的增加，压力波动逐渐减小。由图5可知管路直径为8mm时，管路内压力峰值达到22MPa，管路直径为9mm时，管路内压力峰值为17MPa，管路直径为10mm时，管路内压力峰值最小，压力峰值为16MPa。

图5 不同管路直径下的管路波动与冲击

2.2 试验结果分析

由于管路与管接头在不同流量下的压力损失不同，因此在对比分析仿真与实验时，均采用流量-压力损失关系图进行对比。在测试中，所测得压力损失包括过渡接头的压力损失。因此，在仿真模型中需要将过渡接头考虑在内，再进行对比。以飞机某典型管路与过渡接头为例进行说明，管路与管接头的装配如图6所示。

图6 管路与过度接头装配图

通过试验曲线可知，仿真与试验结果比较接近，因此该仿真模型准确度较高，在一定工况下可以根据仿真结果指导系统管路设计。

图7 仿真与试验对比曲线1

图8 仿真与试验对比曲线2

3 结论

（1）通过对飞机典型液压管路的分析研究，运用AMESim仿真软件建立了飞机液压系统典型管路的仿真模型，通过试验测试，验证了仿真模型的正确性和有效性，为今后研究飞机液压管路的静态与动态特性提供了理论依据与分析工具。

（2）利用该模型可以对飞机液压管路关键参数的影响特性进行分析。通过调整参数，可以分析该参数对系统的影响，同时也表明了AMESim仿真在整机设计分析中可以发挥的重要作用。