民机液压系统安全阀下游回油管路动态压力分析

吴 思

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

0 引言

民机液压系统在设计初期就需要确定系统回油管路设计压力，以支持系统回油管路的设计选型，因此需要考虑液压系统回油管路压力较高的各种场景以及分析相应场景下的回油管路动态压力峰值。

民机液压系统中泵源通常为恒压变量柱塞泵，当泵斜盘卡死在最大位置时会导致泵持续大流量输出，此时液压泵实际由恒压变量泵变成了定排量泵，系统压力迅速升高达到安全阀的开启压力后安全阀开启，泵输出的高压油液经安全阀瞬时进入下游回油管路，此场景是液压系统回油管路压力可能较高的典型工况之一。本文基于AMESim软件平台建立了上述典型场景下系统安全阀下游回油管路动态压力分析模型，分析了液压系统中各关键元件及参数对安全阀下游回油管路动态压力的影响，为民机液压系统设计初期系统回油管路设计压力确定提供支持。

1 民用飞机液压系统简介

民用飞机一般包含多套相互独立的液压能源系统，将发动机机械能或者电源电能转换为液压能源，通过液压管路分配至各液压用户驱动用户作动。液压系统用户通常包括主飞控、高升力、起落架和刹车等。各套液压能源系统的功能和组成大致相同，典型民机液压能源系统通常包括液压泵、油滤组件、蓄压器、各类阀件以及液压管路，如图1所示。液压泵作为能源转换装置，将机械能或者电能转换为油液液压能输出高压油。液压泵出口安装有单向阀以控制油液流动方向。液压油滤用以过滤油液中的污染物，保证油液清洁度在一定范围内，以免影响液压用户作动。系统安全阀实际就是溢流阀，保证系统压力在任何场景下不会过高，当系统压力高于一定阈值时安全阀开启使系统泄压。图1中的液压油箱是现在民机液压系统中常用的自增压油箱，其工作原理是利用液压泵输出的高压油推动活塞给低压腔油液增压。油箱高压端处安装有系统蓄压器和油箱压力保持阀。油箱压力保持阀用于保持油箱的增压压力，其工作原理为当油箱高压腔压力高于一定阈值时，系统蓄压器可以向系统充压；当油箱高压腔压力低于一定阈值时，压力保持阀关闭，系统蓄压器优先保证油箱高压端的压力。单向阀，油滤和系统安全阀等液压元件通常可根据具体需求和安装位置集成在同一组件中，如图1所示。

图1 典型民机液压系统简化原理图

根据液压系统原理图分析在液压泵持续大流量输出导致安全阀开启场景下可能对安全阀下游回油管路压力造成影响的上下游液压元件包括液压泵，液压油箱，系统蓄压器，压力保持阀，高压油滤组件中的单向阀、高压油滤和安全阀，液压用户以及相连管路等，在进行安全阀下游回油管路动态压力分析建模时上述液压元件均需考虑。

2 建模简化因素考虑

在进行安全阀下游回油管路动态压力分析建模时，考虑做以下几点简化：

1)将高压油滤组件中的单向阀和油滤作为液阻元件处理；

2)液压泵持续大流量输出导致安全阀开启场景下，系统中的大部分液压油经由安全阀进入油箱，液压用户端仅考虑内泄漏流量。考虑将系统中的所有液压用户简化为一个节流口以模拟液压用户总的内泄漏特性。

3 安全阀下游回油管路动态压力分析建模

本文基于AMESim平台进行安全阀下游回油管路动态压力分析建模，建模采用的元件均来自软件中的元件库，主要包括标准液压库(Hydraulic)、液压元件设计库(Hydraulic Component Design)、机械库(Mechanical)和信号控制库(Signal Control)等。

民机液压系统安全阀下游回油管路动态压力分析基础模型如图2所示，基础模型中暂时不考虑高压油滤组件中的单向阀和油滤，系统蓄压器和压力保持阀以及油箱容腔效应，后续进行影响分析时体现。后续进行影响因素分析时均以基础模型作为对比基线。

图2 民机液压系统安全阀下游回油管路动态压力分析基础模型

基础模型中，液压泵采用软件标准液压库中的恒压变量泵模块和定排量泵模块双泵切换运行模式进行建模，恒压变量泵模块用于模拟泵正常运行，定排量泵模块用于模拟泵故障后持续大流量输出。液压油箱建模采用软件液压元件设计库中的多个活塞模块模拟油箱的活塞式增压原理，设置两端活塞面积比以保证油箱增压比。系统安全阀建模采用软件标准液压库中的溢流阀模块，溢流阀模块的动态特性设为一阶惯性响应。液压管路建模在选择管道子模型时需注意，溢流阀下游回油管路子模型需考虑油液的液容、液阻以及惯性波动效应，其它管路只需考虑油液的液容和液阻效应。油液物性参数主要设置液压油的密度、体积模量和粘度。

仿真时间设置为65 s，计算步长设置为0.000 1 s，容差设置为10。仿真模型运行时设置0 s～50 s为恒压变量泵模块转速增加的时间，50 s～55 s是恒压变量泵模块稳定运行的时间，55 s～65 s是定排量泵运行的时间。分析仿真结果时会视情况忽略液压泵作为恒压变量泵模式运行的前面部分时间段和压力达到稳定的后面部分时间段，重点关注压力处于动态变化的中间一段很短的时间段。

4 安全阀下游回油管路动态压力仿真分析

4.1 系统中液容和液阻效应对回油管路动态压力的影响

分别在液压泵到安全阀的油路上增加节流口以模拟单向阀和油滤的液阻效应，增加用户节流口油路，在油箱低压端增加液容模块以模拟油箱容腔效应，安全阀下游回油管路入口处的动态压力仿真结果如图3～图5所示。分析仿真结果可知系统中的液容和液阻元件都可以降低回油管路动态压力峰值，在系统设计初期如果很多元件参数还未明确，可考虑忽略部分液容和液阻元件，从更严酷的角度支持液压系统回油管路设计压力确定。

图3 液压泵到安全阀的油路上增加节流口回油管路动态压力曲线

图4 增加用户节流口油路后回油管路动态压力曲线

图5 油箱低压端增压液容模块后回油管路动态压力曲线

4.2 安全阀开启快慢对回油管路动态压力的影响

溢流阀模块的参数设置中，阀的响应时间代表流经阀的流量从零增大到最大流量的时间，即代表阀的开启速度。分别设置溢流阀一阶响应时间为0.01 s、0.03 s、0.05 s、0.08 s、0.1 s，回油管路动态压力仿真结果如图6～图7所示。分析仿真

图6 溢流阀开启时间对回油管路动态压力的影响

图7 溢流阀开启时间对回油管路动态压力的影响

结果可知当溢流阀开启时间在一定范围内时，由于溢流阀开启速度较快，系统内压力来不及建立，溢流阀开启速度越快，回油管路动态压力峰值越低；当溢流阀开启时间超过一定范围时，溢流阀开启速度越慢，回油管路动态压力峰值越低。

4.3 系统蓄压器对回油管路动态压力的影响

在基础模型中油箱的高压端增加蓄压器，回油管路动态压力仿真结果如图8所示。分别设置蓄压器体积为170 in，240 in，300 in，回油管路动态压力仿真结果如图9所示。分析仿真结果可知系统中增加蓄压器回油管路动态峰值明显降低，蓄压器体积越大，回油管路动态压力峰值越低，但变化相对较小。蓄压器的有无对回油管路动态压力峰值的影响较大，其体积大小相对来说影响较小。

图8 增加蓄压器后回油管路动态压力曲线

图9 蓄压器体积大小对回油管路动态压力的影响

5 结论

本文针对民机液压系统中液压泵持续大流量输出导致安全阀开启场景下安全阀下游回油管路的动态压力进行了仿真分析，分析了液压系统中液容和液阻元件、安全阀开启快慢、以及蓄压器的有无和蓄压器体积大小对安全阀下游回油管路动态压力峰值的影响，为民机液压系统设计初期回油管路设计压力确定提供理论支撑。