某灭火型飞机汲水液压控制系统分析.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／2 0 1 5年 第 0 4期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 1 8 某灭火型飞机汲水液压控制系统分析 胡 刚， 裴 沛 中航通飞研究 院有 限公司 ， 广东 珠海5 1 9 0 4 0 摘要 该文是对某大型灭火飞机汲水液压控制系统的设计进行分析， 通过对汲水斗收放时间、 收放同步性及外载荷等的计算分析 ， 验证了汲水液压控制系统设计的可行性。 关键词 灭火； 汲水 ； 液压控制 ； 分析 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 4 0 0 6 0 0 3 Th e An a l y s i s o f Ba i l i n g Hy d r a u l i c Co nt r o l S ys t e m f o r a La r g e Ex t i ng ui s hi n g Ai r c r a f t H U Gan g， PE1Pe i C h i n a A v i a t i o n I n d u s t r y Ge n e r a l Ai r c r a f t I n s t i t u t e ， Z h u h a i 5 1 9 0 4 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e i s d e s i g n e d t o a n a l y z e b a i l i n g h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m f o r a l a r g e fir e fig h t i n g a i r c r a f t ， b y t h e t i me o f t h e b a i l i n g b u c k - e t r e tr a c t a b l e ， r e t r a c t a b l e s y n c h r o n i z a t i o n a n d e x t e r n a l l o a d c a l c u l a t i o n an d an a l y s i s t o v e r i f y b a i l i n g h y dr a u l i c c o n tro l s y s t e m F e a s i b i l i t y o f d e s i gn ． Ke y wo r d s e x t i n g u i s h i n g ； b a i l i n g ； h y dra u l i c c o n tro l ； a n a l y s i s 0 引言 对于大型灭火飞机在执行灭火任务 时 ， 能够多次 往返进行投水灭火 ， 提高灭火效率。如何确保飞机能 够快速可靠地汲水， 就成为了保证飞机能够高效进行 灭火任务的关键。 1 汲水液压控制系统介绍 汲水液压控制系统 原理图见图1 主要由液压转 换阀、 换向阀、 汲水斗收放作动筒、 汲水斗等组成。汲 水液压控制的原理 在正常工作状态下由主液压源供 油 ， 当主液压源压力降至规定值时， 液压转换阀自动切 换 至备份 液压 源供油 ， 从而保证汲水作动筒 的正 常供 压。当灭火控制面板发出放下汲水斗指令后 ， 灭火控 制盒操纵换向阀中的2 电磁阀工作 ， 使三位四通滑阀 向左移动到极限位置， 从而使作动筒的无杆腔与高压 油路沟通 ， 作动筒伸出， 推动汲水斗放下， 放下到位后 布 置在作 动筒伸 出端的微 动开关 回馈 汲水 斗已放下 ， 同时在液压油的作用下将汲水斗在放下位置保持； 当 灭火控制 面板发 出收起汲水 斗指令后 ， 灭火控制盒操 纵换向阀中的 1 电磁阀工作 ， 使三位四通滑阀向右移 动到极限位置， 从而使作动筒的有杆腔与高压油路沟 通 ， 作动筒收缩 ， 推动汲水斗收起， 收上到位后布置在 作动筒收缩端的微动开关回馈汲水斗已收起 ， 同时在 收稿 日期 2 0 1 5 一 O 卜1 3 作者简介 胡剐 1 9 8 8 一 ， 男， 湖北随州人， 助理工程师， 学士， 研究方向为 飞机液压系统控制。 6 0 液压油的作用下将汲水斗在收起位置保持。当汲水斗 系统断电不工作时， 换向阀的三位四通滑阀保持在中 立 位置 ， 汲水 斗 收放作 动 筒 的两腔 与 液压 源 的 回油 沟通。 主 备份 液压源 液压源 1 l f ● ● I ．． ，】 1 ／入’ ＼ y l 厂 ．r Tn ’ 1 U L J 1 电磁阀 I I I ， 由盥d 薹 I ～ I L l _ J 弛聃 收 I rI三 { 曰 ‘ }_ 图 1汲水液压控制系统原理示意图 2 汲水斗收放时间分析 2 ． 1影响收放时间的因素 汲水斗放下 的过程 飞行员按下灭火控 制面板上 的汲水斗放下、 换向阀中的电磁阀动作、 换向阀的三位 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 4．2 0 1 5 四通滑阀动作、 汲水斗放下 汲水斗收放作动筒活塞杆 伸出 、 汲水斗放下到位触碰微动开关， 反馈到位； 汲水斗收上的过程 飞行员按下灭火控制面板上 的汲水斗收起 、 换向阀中的电磁 阀动作 、 换 向阀的三位 四通滑 阀动作 、 汲水斗收起 汲水斗收放作动筒活塞杆 缩 回 、 汲水斗收起到位触碰微动开关 ， 反馈到位 。 2 ． 2 汲水斗收放时间的计算 汲水液压控制系统的主要技术参数见表 1 。 表 1主要技术参数 根据 表 1 所示 的参数可知 ， 作动筒 的无杆腔 的最 大容积为 V --“／ 1 “ X f，竿 1 o 1 - ／ 将表 1 里的数值代人公式 1 得 杆 腔 0 ． 04 3L 作动筒的有杆腔 的最大容积为 V ,rr X l D 旦 _ ／] 2 J 行 程 1 。 一 2 将表 1 里的数值代入公式 2 得 杆腔 0． 0 23 L 由于液压源是对两个作动筒同时供油， 根据表 1 中 所列数值和上述所计算的数值可得汲水斗收放作动筒 伸 出的时间为 t V x , r m x 2 6 O 0 ． 2 O 3 s 伸 出一 厂 一o u～u ’ 二 u s 式中 Q 液压源提供的流量。 汲水斗收放作动筒缩进 的时间为 t 6 o 0． 1 1 0s 缩 进一 一u u～ u。 1 1 us 汲水斗收放时间计算 根据影响汲水斗收放时间的因素可知， 汲水斗放 下时间为 t 斗 放t 1 t 2 t 3 t 伸 出t 4 ≈0 ． 2 5 ％ 汲水斗收起时间为 t 斗 收t l t 2 t 3 t 缩 进t 4 ≈0 ． 1 6 6 s 其中， t l O ． 0 3 s ， 为灭火控制盒响应时间 ； t 2 O ． 0 1 5 s ， 为 电磁 阀响应时间； t 3 O ．O 0 0 7 s ， 为换向阀阀芯动作时间； t4 0 ．O l s ， 为微动开关反馈时间。 由上述 计算结果 可知 ， 汲水斗 的放下与收起时间 都小于 1 s ， 满足设计的技术要求 ， 确保飞机能够快速可 靠汲水。 3 汲水斗收放同步性分析 由于两个汲水斗是以飞机中轴面对称布置在飞机 的底部位置， 为了飞机在滑行汲水过程中能平稳飞行， 两汲水斗空载放下同步性不大于0 ． 3 s 。 由汲水液压控制原理图可知 ， 在汲水液压控制系 统 中， 一个 阀组 主辅转换阀、 换 向阀 控制两个汲水斗 的收放作动筒同时作动。若空载放下汲水斗， 影响同 步性的因素主要是两个汲水斗收放作动筒的行程。而 影响作动筒行程的主要因素为 作动筒的极限行程误 差、 作动筒的装配调整、 活塞杆的加工误差、 作动筒安 装距离误差、 机身上微动开关的按照误差及整体的变 形等。 汲水斗收放作动筒活塞杆伸出所需时间为0 ． 2 0 3 s ， 而作动筒行程为7 8 m m， 因此活塞杆速度为 笪墨 3 8 4 ．2 4m s 伸出 假定两汲水斗空载放下 的时间差为 0 ． 3 s ， 则作动筒 的行程差值 A L3 8 4 ． 2 4X0 ． 31 1 5 ． 2 7 mm 显然， 综合各方面的因素， 两汲水斗收放作动筒不 会 出现 1 1 5 ． 2 7 mm行程差 。因此 ， 两汲水斗空载放下的 同步性不会大于0 ． 3 s 。 4 汲水液压控制系统载荷分析 飞机在水域滑行汲水过程中， 汲水斗受的载荷主 要来 自于， 水经过汲水斗进入水箱形成的射流， 对汲水 斗的迎水面产生一个液动力， 示意图见图2 。 水流进入 图2汲水液压控制系统原理示意图 假定不考虑汲水斗处的水压强， 根据流体动量方 下转第6 5 页 U 1 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ．0 4 ． 2 0 1 5 为安全 阀， 系统压力由恒压变量泵设定 ， 此时系统流量 由变量泵根据系统需求变量提供 ， 实现了待机时的小 流量保压 ， 减少 了无用功耗 。 3 液压 系统启 、 停 时 ， 大规模 蓄能器群 组对系统压力的影响 液压系统启、 停时， 也是系统建立压力和卸荷压力 的过程 ， 期间同时进行着蓄能器的储能和释放的过 程。该油源包含有 3 6 个 1 0 0 L 的蓄能器 ， 蓄能器总量 3 6 0 0 L 。所选用的蓄能器是皮囊式 ， 蓄能器的工作是靠 皮囊 内气体 的压缩实现的。 液压 系统启 动 ， 当泵 站输 出油液建立起来 的系统 压力高于蓄能器充气压力时， 蓄能器气囊被压缩， 压力 油储存人蓄能器， 由于气体的可压缩性远大于液体 ， 达 到设定的系统压力时间要大于无蓄能器的场合。所以 在系统工作周期前应考虑系统建立压力的时间， 提前 启动泵机组 。 液压系统停机时， 蓄能器内储存的高压油经 由压 力管路 、 比例溢流阀卸荷 ， 随着压力下降， 蓄能器内的 气体快速膨胀， 大量液压油流经卸荷回路 ， 如果压力快 速下降， 会对通路造成很大的冲击。因此在 比例溢流 阀中设计卸荷节流， 使系统压力平稳缓慢下降， 直到压 力 降低 到蓄能器 的充气压力 ， 蓄能器 内的储油 全部释 放 ， 压力才快速降到最低。 4 总结 蓄能器补油、 恒压变量泵油源、 卸荷回路等是液压 系统节能设计 中常用的成熟技术。本油源的设计 ， 依据 该液压系统使用工况， 将这几种看似普通的技术综合应 用 ， 合理利用了各个节能技术的优势， 实现了液压系统工 作周期的高压、 大流量、 大功率输出， 待机周期的保压、 小 功率输出， 将最大装机功率由1 l O O k W降到4 4 0 k W。 随着科技的进步 ， 探索研究新型的节能技术可更 高效的利用能源， 但务实、 灵活、 合理的综合使用成熟的 节能技术 ， 在工程设计领域也不失为节能技术 的突破。 参考文献 【 1 】 雷天觉． 液压 工程 手册 【 M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 0 1 8 3 9 -1 8 5 4 ． [ 2 】 黄浩华． 地震模拟振动台的设计与应用技术[ M】 ． 北京 地震 出版社，2 0 0 8 1 7 8 1 8 1 ． 【 3 】 李寿刚． 液压传动【 M] ． 北京 北京理工大学出版社． 1 9 9 4 ． [ 4 ] 徐灏， 等． 机械设计手册 第 5 卷 【 M 】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 91 ． 【 5 】 杨尔庄． 日本工业的液压系统节能化动向[ J ] ． 液压气动与密 封 ， 2 0 0 4 ， 4 ． 【 6 】 王海兰 ， 高明波． 基于节能的液压系统设计『 J 】 ． 液压与气动， 2 0 0 5 ， 8 ． 上接 第 6 1 页 程说明， 作用于流体上的外力等于流体在单位时间内 的动量变化量 增量 。由液动力公式 R y -- R 一T Q v 2 C O S O t -- V 1 3 6 式 中 液动力 ； R 作用于流体上的外力； 流体流量 ； 液体重度； g 一重力加速度 ； 外力作用以后的流速； 外力作用 以前 的流速 ， 即滑行汲水 的 速度 ； 2与移 的夹角 。 由于汲水斗是等截面汲水 ， 所以0 2 l 由图2 知 ， a 9 0 。 ， 代人到式 3 中， 得 R , - R p Q v p e r 4 6 式 中 水的密度 ； 卜汲水斗的汲水有效截面面积 ； 扩 一飞机滑行汲水速度。 根据式 4 可知 ， 汲水斗受到的载荷与汲水的有效 截 面和滑行汲水 的速度有关 ， 即汲水液压控制系统 的 外载荷与汲水的有效截面F 成正比， 与滑行汲水速度 的平方 成正 比。 5 结论 本系统 已通过试 验 ， 验证 了汲水液压控制系统的 可行性 。本文通过定量计算 比较分析 ， 该系统的设计 满足飞机汲水任务的技术要求。 参考文献 ⋯ 1 H B 7 1 1 7 - 9 4 ， 民用飞机液压系统通用规范【 S ] ． 【 2 ] 李艳军． 飞机液压传动与控制【 M】 ． 北京 科学出版社， 2 0 0 9 2 0 - 2 2 ． [ 3 】 王占林， 李培滋． 飞机液压传动与伺服控制[ M] ． 北京 国防工 业 出版社， 1 9 8 0 1 7 1 9 ． 【 4 ] 白柳， 于军． 液压与气 压传动[ M 】 ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 9 4 0 - 4 5 ． [ 5 ] 张利平． 液压传动与控制[ M 】 ． 西安 西北工业大学出版社， 2 0 0 5 2 3 - 2 5 ． [ 6 】 王永熙． 飞机设计手册 第 1 2 册 飞机控制系统与液压系统 设计【 M】 ． 北京 航空工业出版社， 2 0 0 3 7 2 3 - 7 2 5 ． [ 7 ] 吴振顺．液压控制系统【 M 】 匕 京 高等教育出版社， 2 0 0 8 4 O 一 5 0 ． 6 5