新型低能耗飛機液壓系統低溫試驗方案研究

杜芳莉，董明德，杜海

(1.西安航空學院 能源與建筑學院，西安 710077) (2.航空工業西安飛行自動控制研究所 控制一體化技術國家級重點實驗室，西安 710065)

0 引 言

液壓元件和系統在低溫環境中的應用相當廣泛，對于飛機用液壓系統產品而言，隨著飛行包線內高度的提升，其所處周圍的環境溫度隨之下降[1]。目前的民航客機一般飛行在10 000 m高空左右的空氣對流層到平流層底部，有些軍用飛機甚至飛行在20 000 m的高空，這時機外的外界環境溫度將降至-56.5 ℃左右。由于低溫環境會改變飛機用液壓系統原材料的某些物理特性，對于長時間暴露在低溫環境下的液壓系統產品，可能會造成暫時或永久的損害，從而導致飛機出現較為嚴重的故障[2]。目前,在低溫環境下(特別是-60 ℃以下)，國內有關航空液壓元件與系統的試驗研究正在逐步發展、完善階段[3]。國內現有的大部分液壓系統低溫試驗臺普遍存在著系統控制復雜，降溫速度慢，試驗循環間隔時間長，人力資源、能源及時間消耗大，效率低等缺點，不能適應長時間、大流量的液壓系統檢測試驗要求。而國外相關機構對飛機液壓系統的研究起步早，積累了豐富的技術資料[4-5]，但在實際工程中，直接應用這些技術仍然存在功耗大、時間不夠長等問題。

針對上述問題，本文通過比對現有的兩種試驗方案，總結出兩種試驗方案的優缺點，在現存試驗方案的基礎上，提出一種新的試驗方案。新的試驗方案將液壓系統的油源及外界環境的熱源與試驗環境隔離，完全阻止油源和熱源對試驗環境的影響，降低保持低溫環境所需的能耗；同時，通過巧妙設計流量整流橋結構，將液壓缸連續往復運動輸出不同方向的油液，轉換為同一方向、連續長時間的流量輸出的方式，從而滿足長時間、低功耗、大流量的液壓系統低溫試驗的目的。

1 液壓系統進行低溫試驗設計原則

對于液壓系統進行低溫測試試驗而言，其總體設計原則為：盡可能將非被試驗元件和裝置放置于低溫試驗環境之外,從而達到最大可能降低試驗環境熱量來源，進一步減少低溫試驗環境的能耗[6-7]；而對于必須放置在低溫箱中的非被試驗液壓元件和裝置，則首先使其經過低溫預篩選,避免對被測液壓系統產品的低溫試驗環境產生干擾[8-10]。

2 液壓系統低溫試驗設計方案一

2.1 方案一簡介

低溫試驗方案一的低溫液壓試驗臺原理圖如圖1所示，該試驗臺由低溫泵組、低溫油箱及制冷機組三部分構成[11]。

圖1 方案一低溫試驗臺液壓原理圖Fig.1 Hydraulic pressure schematic of low temperature test platform of scheme 1

低溫泵組是由低溫齒輪泵29.1、29.2，低溫高壓柱塞泵32，溢流閥34.1組成。低溫試驗臺的工作過程如下：當液壓系統的油溫低于-40 ℃時，由于油液黏度較高，低溫高壓柱塞泵32自吸較為困難，所以需要采用低溫齒輪泵29.1為低溫高壓柱塞泵32供油，溢流閥34.1主要用于調節低溫泵源的安全壓力，而電磁換向球閥33則用來控制低溫泵源的加載與卸載，溢流閥34.2的作用是按試驗要求調節試驗壓力的大小，低溫齒輪泵29.2則是對制冷機組38的蒸發器供油進行循環制冷。在整個低溫試驗過程中，低溫泵組和制冷循環泵置于密封保溫箱中，從而與大氣環境隔離。

2.2 方案一分析

液壓系統低溫試驗設計方案一(以下簡稱設計方案一)分析如下：

(1) 低溫泵源屬于液壓系統中的高能耗單元，除試驗必需的制冷能耗外，還有泵壓、輸送、溢流造成的溫升所需的制冷能耗。從設計方案一可以看出：除了低溫油箱外，其余所有液壓元器件和管路均沒有放入到低溫環境中，因此設計方案一所需的能耗較大。

(2) 通過合理調節高壓泵循環流量，來匹配被試產品的流量需求，從而降低制冷機組的能耗，當工作油液的溫度滿足試驗要求時，即可進行長時間的連續試驗。

(3) 設計方案一適用于試驗對象無法被獨立放置于低溫箱中的情況，比如飛機整機系統鐵鳥在低溫環境下的功能、性能試驗。其優點是溫度變化范圍可達-60～70 ℃ 、降溫速度比較快。但其投入資金大，維護保養需要浪費大量的精力, 對于試驗量不大、應用率不高的應用環境來說經濟效益較差。

3 液壓系統低溫試驗設計方案二

3.1 方案二簡介

該低溫試驗測試臺主要由操作臺架和制冷箱兩部分組成，油缸、儲油缸和單向閥組等均放置在制冷箱內[12]。方案二低溫試驗臺液壓原理如圖2所示。

圖2 方案二低溫試驗臺液壓原理圖Fig.2 Hydraulic pressure schematic of low temperature test platform of scheme 2

低溫試驗臺工作過程如下：

(1) 儲油缸充油：先關閉回油截止閥19，再打開油缸充油截止閥18，等油缸22、33 完全充滿油以后，則關閉油缸充油截止閥18，再打開回油截止閥19。

(2) 工作油液降溫：切換換向閥21 至左位機能工作，油缸33 中的活塞運行至另一端，關閉回油截止閥19；換向閥21 斷電，關閉液壓源，啟動制冷箱降溫，工作油液溫度降低至-30 ℃。

(3) 常溫油推低溫油：打開液壓源，調節比例溢流閥17 至測試所需壓力，切換換向閥21 至右位機能工作，在高壓的作用下，液控單向閥26打開，油缸22中的低溫油液依次經過液控單向閥26、單向閥28，推動儲油缸30中的低溫油液，通過精密高壓過濾器31，為電液伺服閥低溫試驗提供一定壓力的低溫工作油液[13]。

(4) 低溫供油試驗：低溫試驗油液經過電液伺服閥后，再經過單向閥34回到油缸33中。油缸22、33中工作油液只需滿足電液伺服閥低溫試驗一個測試周期所需的工作油液量即可。

3.2 方案二分析

液壓系統低溫試驗設計方案二(以下簡稱設計方案二)分析如下：

(1) 設計方案二中低溫工作油液不回油箱，僅限于低溫箱內進行循環，避免工作油液的重復降溫，使得制冷能耗及成本降低；

(2) 設計方案二采用常溫油推儲油缸中低溫油的方法，存在一定的弊端，主要表現為：受儲油缸體積的限制，每次進行低溫試驗所需時間以及油液流量均受一定限制，導致該方法無法開展長時間的低溫試驗。

4 液壓系統低溫試驗設計方案三

通過對現有的兩種試驗方案的敘述和分析，試驗方案一經濟效益較差，其優點是溫度變化范圍廣；試驗方案二改善了經濟效益，但是不能開展長時間的低溫試驗。據此，本文結合上述兩種系統的特點，提出一種新的試驗方案，達到節能、長時間開展試驗的目的。

4.1 方案三簡介

本文對前兩種設計方案進行優化，提出設計方案三。該方案由兩個部分構成：常溫系統部分及低溫系統部分。低溫試驗臺液壓原理如圖3所示。

常溫系統部分主要由高壓柱塞泵、蓄能器、伺服閥以及作動缸組成。該部分構成一個常規的閥控作動系統，通過伺服控制器實現對閥控作動器的閉環控制。該系統通過改變控制指令輸入信號的頻率及幅值，達到伺服作動系統速度和行程的調整。在整個低溫加載試驗系統中，該部分的主要作用是為低溫系統提供所需的工作流量和壓力，如圖3所示。

圖3 方案三低溫試驗臺液壓原理圖Fig.3 Hydraulic pressure schematic of low temperature test platform of scheme 3

該低溫試驗臺工作過程如下：

(1) 常溫系統作動缸1的活塞通過機械連接與低溫系統的作動缸2的活塞進行固聯，使得作動缸2跟隨作動缸1運動。根據輸入指令的幅值和頻率，來控制作動缸1的速度和方向，同時使得作動缸2產生相應的運動，從而輸出所需的低溫流量；同時根據試驗產品的負載情況產生相應的壓力，即作動缸2相當于低溫系統中的液壓油源。

(2) 低溫系統部分主要由作動缸2、流量整流橋、低溫蓄能器、冷凍機組、冷凍泵及齒輪泵組成。其工作過程為，由隨動的作動缸2產生低溫流量的輸出，經流量整流橋整流，使得最終的輸出為單向流量。該流量經過低溫蓄能器后，為被測試的產品提供所需的工作流量。此外，通過補油、冷卻系統為作動缸2提供所需的流量，并將試驗產品的回油進行冷卻，從而保證整個低溫系統持續工作。

4.2 方案三分析

由以上液壓系統低溫試驗臺設計原理圖3可以看出，由于常溫作動缸1的活塞與低溫作動缸2的活塞相固連，因此可通過常溫部分作動缸1的運動速度來實現對作動缸2速度的控制，即控制作動缸2低溫流量的輸出。由于低溫作動缸的行程受限，因此在整個系統中需要進行換向，該方案巧妙的在系統中設計了流量整流橋，并在液壓油路中增加低溫蓄能器，從而確保低溫油液壓力及流量的平穩輸出。

該試驗方案的最大特點是將功率級的常溫液壓油源與低溫試驗液壓系統實現物理隔離，即常溫功率級液壓系統的油液不參與低溫系統的工作循環，最大程度降低了低溫系統的能耗。而低溫測試系統的熱源全部來自測試液壓系統自身節流作用而產生的熱量，該部分熱量可通過低溫補油、冷卻系統進行在線降溫。通過上述方式從而實現低溫液壓系統長時間、大流量、低能耗的測試試驗。

通過仿真試驗，該方案低溫部分可以滿足對被試產品長時的低溫環境以及油液下的功能和性能的考核。該方案的顯著特點在于整個試驗中不會引入任何常溫油液，最大程度降低外界對低溫測試系統的影響，可模擬機上產品長時、低溫環境，從而實現試驗環境與液壓系統使用環境的無縫對接。

5 方案對比

本文從試驗所需能耗、系統復雜程度、試驗成本及其適用范圍，對以上三種液壓系統低溫試驗方案進行對比分析，得出各種方案的優缺點如表1所示。

通過分析可得出如下結論：

(1) 目前，國內現有的大部分液壓系統低溫試驗臺普遍存在著系統控制復雜，降溫速度慢，試驗循環間隔時間長[14-15]，人力資源、能源及時間消耗大，效率低等缺點，不能適應長時間、大流量的液壓系統檢測試驗要求。

(2) 本文提出的液壓系統低溫試驗方案(方案三)相比其它試驗方案能耗大大降低。通過物理隔離的方式，將液壓油源及外界環境的熱源對試驗環境的影響完全隔離，從而降低了保持低溫環境所需的能耗。

(3) 本文提出的液壓系統低溫試驗方案工作效率大幅提高。該方案通過巧妙設計流量整流橋結構，將液壓缸連續往復運動輸出不同方向的油液，經過流量整流橋結構轉換為同一方向、連續長時間的流量輸出，滿足了長時間、大流量的檢測試驗要求，極大提高了試驗工作效率。

6 結束語

本文提出的液壓系統低溫試驗設計方案三克服了傳統試驗方案能耗大、成本高、效率低、適用范圍窄等缺點，是一種全新的低溫試驗方案。本方案可滿足長時間、低功耗、大流量液壓系統低溫試驗需求，能有效提高液壓系統低溫試驗效率，不僅適用于機載液壓系統的低溫試驗，也可為驗證其他液壓系統產品低溫試驗的可靠性提供一種有效的解決方案。