不同管路布局振動應力測試分析及布局優化

石立　胡文

摘 要：目前，飛機的液壓系統正朝著高壓化、大功率、輕質量、多余度等方向發展。高壓管道引起的液壓沖擊會更強烈，劇烈的振動會造成管道元件破壞甚至斷裂，這必然對飛機液壓系統提出了更高的要求。該文通過在原理試驗臺進行不同導管形狀、不同導管安裝狀態，以及導管變形狀態的應力測試比較，給出了管路布局優化建議。

關鍵詞：管路 振動 應力 布局 優化

中圖分類號：TM925 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0030-02

1 概述

液壓系統管路，主要是用于液壓油的輸送，是液壓系統的重要組成部分。管路一旦發生斷裂，會造成飛機液壓系統失效，后果極其嚴重。因此，液壓管路的可靠性直接影響到飛機的性能和安全。根據對斷裂導管的統計分析得出，90%的斷裂屬于疲勞損傷，與振動有關。現代大型客機液壓系統絕大多數都采用變量柱塞泵以及脈動式的流量輸出，由此產生的壓力脈動致使能源管路系統更易于發生故障，增加了飛機的危險系數，影響飛行任務的正常執行。

液壓系統管路由振動引起的故障有兩大類，一類是振動疲勞，一類是振動磨損。管路的振動疲勞是管路在一定的振動應力作用下，先局部形成永久性累積損傷，經一定循環次數后出現裂紋、擴展直至斷裂的過程。管路的振動磨損，則是因管路振動引起管路連接、固定處配合面產生相對位移而形成的摩擦表面損傷，或是因管路振動位移過大，而與相鄰物體產生反復碰撞摩擦而形成的表面損傷，嚴重時可在管路表面形成明顯的磨損凹坑而導致管路損壞。

為研究分析不同的導管形狀、不同的導管安裝狀態，以及導管變形（如機翼的變形造成管路的變形）對管路振動的影響，在某一液壓原理試驗臺上進行了不同管路構型狀態下的脈動應力測試。

2 導管構型狀態

試驗在某液壓原理試驗臺上進行，原理試驗臺液壓泵后采用軟管連接，試驗臺中用型架搭建一個管路連接模塊，型架可以自由移動，方便固定不同管路，安裝管路一端與系統采用硬管連接，另一段采用軟管連接，方便不同管路的安裝。管路連接模塊如圖1所示。

管路安裝構型分為以下幾種。

（1）平面S型硬彎管：在導管連接模塊中采用平面S型硬彎管連接，導管形式如圖2所示。

（2）立體S型硬彎管：在導管連接模塊中采用立體S型硬彎管連接，導管形式如圖3所示。

（3）立體S型硬彎管加一個卡箍：在導管連接模塊中采用立體S型硬彎管連接，并在立體S型硬彎管管路中部安裝一個卡箍。

（4）立體S型硬彎管加兩個卡箍：在導管連接模塊中采用立體S型硬彎管連接，并在立體S型硬彎管管路中部安裝兩個卡箍。

（5）立體S型硬彎管加一個塊卡：在導管連接模塊中采用立體S型硬彎管連接，并在立體S型硬彎管管路中部安裝一個塊卡（快卡位置與安裝一個卡箍時卡箍安裝位置一致）。

（6）硬直管：在導管連接模塊中采用硬直管連接。

（7）變形硬管3°～5°：在導管連接模塊中采用硬直管連接，并在硬直管管頭處用塊卡固定，在硬直管管尾（與軟管接口處）將硬直管下拉固定，保持硬直管成3°～5°角變形。

（8）變形硬管7°～10°：在導管連接模塊中采用硬直管連接，并在硬直管管頭處用塊卡固定，在硬直管管尾（與軟管接口處）將硬直管下拉固定，保持硬直管成7°～10°角變形。

3 測試方法

導管脈動應力試驗主要是通過測量液壓導管的脈動應力幅值，來判斷是否會對管路產生疲勞破壞。本次試驗采用了硬直管、平面S型硬彎管和立體S型硬彎管3種管路構型，其中在硬直管構型中包括了管路未變形狀態及兩個不同的管路變形狀態，在立體S型硬彎管構型中包括了用卡箍和塊卡等不同固定形式固定管路的狀態。在3根導管上共布置7個測點，每個測點安裝兩片應變片。其中硬直管和變形硬管同用一根硬管，硬管上布置3個測點，平面S型硬彎管和立體S型硬彎管上均布置兩個測點。在試驗中用液壓泵模擬某大型飛機的發動機泵，模擬發動機泵的最大轉速3830 r/m，進行了0 L/min流量狀態和29.9 L/min流量狀態下的脈動應力試驗。

在本次試驗中采用了DC耦合的方式進行數據采集，采集過程中除去趨勢分量，只提取動態信息。溫度變化引起的信號零點漂移已作為趨勢分量進行濾除，因此可以不在管路上進行溫度補償。針對原始數據，計算幅值包絡最大值，提取應變峰峰值，根據液壓導管的參考彈性模量，利用應力公式計算出相應的應力峰峰值。由于在不同管路構型中黏貼了應變片，因此應變片的黏貼誤差會帶入不同管路構型之間的比較，而對同一管路構型之間的不同狀態不會產生影響。

4 測試結果分析

通過試驗數據分析，硬直管、平面S型硬彎管和立體S型硬彎管三種管路構型中，硬直管的脈動應力值最小，在相同沒有卡箍和塊卡固定的情況下，平面S型硬彎管的脈動應力要小于立體S型硬彎管。在立體S型硬彎管構型狀態中，采用卡箍或塊卡固定管路能夠有效的減小脈動應力值，且通過單卡箍固定和單塊卡固定兩種形式的比較，可以看出用塊卡固定能更有效的減小脈動應力值，而在單卡箍和雙卡箍固定的比較中，單卡箍固定的脈動應力值更小，這應該是和卡箍的固定位置有較大關系。在硬直管構型中，當管路彎曲變形后，脈動應力值整體偏大。

5 管路布局優化

（1）在液壓系統壓力管路中，導管的形狀對脈動壓力有一定的影響，隨著管路復雜程度的加大，脈動壓力會有增大的趨勢，為了減少管路的脈動壓力，特別是泵出口管路的壓力脈動，應盡量將管路的形狀布置簡單。

（2）飛機液壓系統中經常采用卡箍和塊卡對管路進行安裝固定，試驗表明，適當的對導管進行安裝固定，對減少脈動應力有一定的效果，而采用塊卡比卡箍效果更好，同時適當的調節卡箍、快卡的安裝固定點，可以影響脈動應力的大小。

（3）飛機飛行過程中液壓系統導管由于飛機的升力作用經常會出現變型。試驗表明，導管在變型后管路中的脈動應力會有增大的趨勢。在飛機液壓系統中應注意產生變型的部位（比如機翼中的導管），安裝時應采用一定的措施。

參考文獻

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