飞机液压泵实用节能技术及发展研究.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 9 ． 2 0 1 2 飞机液压泵实用节能技术及发展研究 朱武峰 ， 李旭东 ， 林 明 海军航空工程学院 青岛分院， 山东 青岛 2 6 6 0 4 1 摘要 分析 了一种机载液压定量泵和两种机载柱塞式变量泵在卸荷状态 下的实用节能技术 。 针对柱塞式变量泵在工作状态下与执行 机构功率适配性不 良的情况 ， 提出 了在负载敏感泵基础上发展 的智能泵是提高节能效率 的重要发展方向。 关键词 液压泵 ； 节能技术 ； 飞机 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标 识码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 9 - 0 0 3 3 - 0 3 Re s e a r c h o n Pr a c t i c a l En e r g y S a v i n g Te c h n o l o gy o f Ai r c r a f t Hy d r a u h c Pu mp Z HU Wu - f e n g ， L I X u - d o n g ， L I N Mi n g N a v a l A e r o n a u t i c a l E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e Q i n g d a o C a mp u s ， Q i n g d a o 2 6 6 0 4 1 ， C h i n a Ab s t r a c t P r a c t i c a l e n e r g y s a v i n g t e c h n o l o gy o f a t y p e o f a i r c r a f t c o n s t a n t d e l i v e r y p u mp a n d t w o t y p e s o f a i r c r a f t v a r i a b l e d e l i v e r y p u mp o n t h e u n l o a d i n g s t a t e a r e a n a l y z e d ． F o c u s i n g o n t h e i s s u e o f u n ma t c h e d p o w e r o f v a ri a b l e d e l i v e ry p u mp a n d a c t u a t o r ， i t i s p r o p o s e d t h a t i n t e l l i g e n t p u mp w i t h l o a d s e n s i n g f u n c t i o n r e p r e s e n t e d a n i mp o r t a n t d e v e l o p me n t d i r e c t i o n o f i mp r o v i n g e n e r g y s a v i n g e ffic i e n c y ． Ke y wo r d s a i r c r a f t h y d r a u l i c p u mp； e n e r g y s a v i n g t e c h n o l o gy ； c o n s t a n t d e l i v e ry p u mp； v a r i a b l e d e l i v e ry p u mp； i n t e l l i g e n t p u mp 0 引言 目前 大 多飞 机液 压 泵 源节 能 的 主要措 施 有 两个 方 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 8 作者 简介 朱武峰 1 9 7 1 一 ， 男 ， 湖北黄石人 ， 讲 师 ， 从事飞机 工程及应用 领域的教学与研究工作。 面 一是液压泵 处于卸荷状态时 ， 尽量减 小功率损失 。 据相关研究表明l 1 ] ， 某型国外飞机飞行过程的时间统计 如 表 1所示 ， 其 中 ， 执行机构 的工作时间不到 4 0 ％， 而 在大多飞行时间内， 液压泵处于卸荷准备状态 ， 在该阶 段适时有效地降低输出功率 ，是实现液压泵节能的重 要手段。二是液压泵在工作状态提高与执行机构功率 一 一 - - 一 - 到 了预期值 。 又确保 了阀体结构的经济性 ； 最后通过出 口处横截面流场可视化研究 ，说明了采用最优油道容 积时对油 口处流场有 明显改进作用。本文的研究对 主 配压 阀的设计和流场 可视化研究具有一 定的指导意 义。下一步的工作 ， 还需结合样机开展进一步的深入研 究 。 以完全掌握油道容积对阀流量的影响特性 。 ‘ 伯 参考文 献 图 5流 场 流 速 分 布 5结 论 本文建立了主配压 阀流体域模型 ， 通过网格划分 、 参数设置及 C F D仿真 ， 得到了阀设计流量一 油道容积关 系曲线 ， 分析出最优的油道容积。同时通过对不同油道 容积时阀流量一 阀芯位移关系进行分析 。 验证了采用最 优值时 阀芯全位移过程 中均不会导致流量明显节流 。 结果表 明最优容积是合适的 ，即保证 了阀设计流量达 [ 1 】 向虎 ， 韦文术． C F D技术及其在液压支架 用阀设计 中的应用 探讨 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 7 ， 1 ． [ 2 ] 魏守平． 水轮机调节『 M] ． 武汉 华 中科技大学 出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 3 】 李建华 ， 朱 军 ， 许 栋， 等． D N 2 5 0主配压阀 国产化 的研究[ J 】 ． 电 力系统 ， 2 0 1 0 ， 8 ． 1 4 l 王春行． 液压控制系统[ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． 【 5 】 李惟 祥 ， 刘晓红 ， 邓斌 ． 基 于 C F D的液压锥 阀动态和静 态性 能研 究【 J 】 ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 0 ， 6 ． [ 6 ] 刘波 ， 吴海 ， 何红 阳， 等． 基 于 C F D的锥 直喷嘴的过渡 圆弧优 化分析【 J 】 ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 1 ， 6 ． 33 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 2年 第 9期 的适配性 ， 减少无效功率。由表 1 可见 。 飞机机动飞行 对机载液压泵源要求最大功率 的时间还不到整个飞行 周期 的 1 0 ％。因此 ， 在液压泵工作阶段可根据具体飞行 状态分级或无级调定液压泵的出口压力 。以实现节能 的要求。为了实现以上的需求 ， 机载液压泵节能实用技 术的发展主要分为三个 阶段 一是定量泵源的降压卸 荷节能阶段 ；二是柱塞式变量泵源的降流量卸荷节能 阶段 ； 三是智能泵源节能阶段。 表 1飞行过程统计表 1 飞机液压定量泵一 卸荷 阀泵源 回路 的 节能技术 某 型运输机的定量泵一 卸荷 阀泵源 回路 如图 1 所 示 ， 该泵源是通过定量泵与大容量蓄压器、 卸荷 阀结合 以实现节能。其主要工作原理是 安全阀设定系统的最 高安全压力 ， 起到安全保 护作用 。当泵源压力上升至 P最 大 1 5 MP a 时 ， 卸荷 阀中的 A阀导通 ， B阀切换至下 位 ， 打开 C阀卸荷 ， 定量泵 的出 口压力减至最小 压力 P卸 荷 0 ． 3 MP a ， 定量泵处于卸荷状态 。此时 ， 系统 的工 作压力由蓄压器进行维持 ， 工作一段时间后 ， 当系统工 作压力降低到 P启 动 以下时 ， B阀由中位切换至上位 ， C 阀截止， 定量泵继续向系统供油 。 同时向蓄压器充油 。 图 1 定 流量 节 能泵 源 回路 该型运输机的定量泵供油压力为 1 5 MP a时 。供油 量 Q o 为 1 6 L ／ m i n 。由于定量泵的供油量是恒定的， 其工 作状态的输出功率为 P最 大 Q 。 。 在卸荷状态要减小功率 损失 ， 只有减小定量泵 的输 出压力 ， 使卸荷状态 的泵输 出功率为 P卸 荷 p 。 。定量泵一 卸荷阀泵源工作特性 曲线 如图 2所示 。其中， 阴影部分表示卸荷状态消耗的功率 P卸 荷 q o 。 由于该系统压力波动范围较大 ，仅适用于运输机 等对液压系统要求不高的机型，不能适用于高性能的 机载液压系统 。 Q Q0 量 孚 O p 踊 p a p献 图 2定 量泵 一卸荷 阀泵 源 工 作特 性 2 飞机变量柱塞泵的节能技术 定量泵需要与其他装置配合以实现卸荷 ，而变量 柱塞泵 自身通过改变供油量就可 以达到卸荷节能的 目 的。以下通过两型飞机变量柱塞泵说明实用节能技术 的发展 。 1 飞机柱 塞式 变量 泵 A [ 2 1 某型飞机的柱塞式变量泵 A的工作原理如图 3 a 、 图 3 b所示 。该泵 由供油装置和 自动调压机构组成 ， 其 供油量调节的原理是 在执行机构工作时 ． 系统 的需油 量大于柱塞泵的供油量 ， 柱塞泵 出油 口压力减小 ， 通过 反馈装置在弹簧力的作用下 ， 斜盘角度增大， 供油量随 之增大 ． 以满足执行机构工作的需要。在执行机构停止 工作时 ． 需油量小于供油量 ， 柱塞泵出 口压力增大 ， 通 过反馈装置 ， 克服弹簧力 ， 使柱塞泵斜盘 的角度减小 ， 进入卸荷阶段 ． 减小功率的损耗。 图 3柱 塞式 变 量 泵 A 的工 作 原 理 图 该 型 飞机的变 量柱塞 泵的最 大 出 口压力 为 2 1 MP a ， 最大供油量 8 0 L ／ m i n 。变量泵处于卸荷状态时的流量减 到最小 ， 主要用于系统的润滑与散热 ， 卸荷时消耗 的功 率为 P最 大 Q卸 荷 。 变量柱塞泵的工作特性 曲线如图4所 示 。其 中， 阴影部分表示卸荷状态消耗功率。 兰 量 部分面积为无效功率。根据文献【 1 ] 的介绍 ， 智能泵源系 统利用负载敏感泵 如图 8所示 的原理 ， 采用微处 理 器作为控制器 ， 加入各种传感器 其 中包括压力、 流量 、 位移和温度传感器提供柱塞式液压泵所必需的反馈 信号 ， 产生连续 的调节压 力 无级 和调节流量 无级 以满足飞机在不 同飞行状态的需要 ，从而减少机上无 效功率的产生 。这是一种按需要使用动力的液压系统 ， 系统动力 与飞行控制舵面的铰链力矩成正 比变化 ， 实 现泵与负载的最佳匹配 。 图 4柱 塞 式 变量 泵 A 工 作 特 性 曲 线 2 新型 柱塞 式变 量泵 B 翻 柱 塞式 变量 泵 B在实 现 变量 泵 A所 有功 能 的基 础 上 ，通 过 电磁 卸 荷 阀可 进 一 步减 小 卸荷 状 态 的油 泵 出 口压力 ， 使卸荷时的功率减小为 p最 大 Q卸 荷 ， 其工作原 理及工作特性如图 5 、 图 6所示。柱塞式变量泵 B的供 油量的调节原理为 ① 电磁卸荷阀通电前 ， 泵出 口油压 作用于配油阀的 A 上 ，其调节原理与柱塞式变量泵 B 的相同。②电磁卸荷阀通电后， 切换至上位， 泵出口的 高压 油进 入 A 腔 ， 由于 A 5 A ， 此 时泵 的 出 口压力 P卸 荷 1 1 5 p最 大 。电磁卸荷阀通电后的卸荷功率减小通 电前 的 1 ／ 5 。 图 5柱塞式变量泵 B工作原理 图 图 6柱 塞 式 变 量 泵 B工 作 特 性 曲线 新型柱塞式 变量泵 B的最 大出 口压力 为 2 8 MP a ． 最 大输 出流量 为 2 1 5 L ／ m i n 。 3 智能液压泵 的节能技 术 以上介绍 的两类泵 ，主要采用了卸荷的方式进行 节能。随着液压泵压力的进一步提高 ， 泵在工作时的输 出功率 与执行机构 的功率需求 不匹配 的问题突 现出 来。图 7所示是柱塞式变量泵与执行机构负载的匹配 图 ， 当负载工作于 A点时泵源却工作于 B点 ， 图中阴影 图 7柱塞式变量泵与负载匹配图 图 8负 载 敏 感 泵 源 原 理 图 4 结论 1 液压泵 的节 能技术是发展绿色飞机液压系统 的重要组成部分 ，它是在满足飞机执行机构功率需求 的基础上 ， 经济、 有效地利用能量 ． 以达到系统高效 、 可 靠运行的目的 2 液压泵的节能技术是有发展潜力的， 通过数字 化 、 智能化等控制技术 ， 可实现泵与负载的最佳匹配。 参 考 文 献 [ 1 】 王占林． 飞机高压液压能 源系统【 M 】 ． 北京 北京航空航天大学 出版 社 ． 2 0 0 4 ． 【 2 】 伊 恩莫伊 尔， 阿伦 西布里奇 ． 飞 机系统一 机 械 、 电气和航空 电 子分系统综合【 M】 ． 北京 航空工业出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 3 ] 朱武峰， 蔡增杰． 机 械系统 附件检修技术基础[ Z ] ． 青岛 海军航 空工程学院青岛分院 ． 2 0 1 0 ． [ 4 ] 雷天觉． 新 编液压工程手册【 M ] ． 北京 北京理工大学 出版社 ， 1 99 8． 3 5