飞机液压系统热分析方法的研究.pdf

2 0 1 1 年 l 2月 第 3 9卷 第2 3期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAUI 』 CS De C ． 2 01 1 V0 1 ． 3 9 No ． 2 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 3 ． 0 1 2 飞机液压系统热分析方法的研究 习仁 国 ，刘卫 国 ，陈焕 明 ，范开华 1 ．西北工业大学自 动化学院，陕西西安 7 1 0 0 7 2 ； 2 ．航 空机 电系统综合航 空科技重点实验室，江苏南京 2 1 1 1 0 6 摘要分析飞机液压系统高压化状态下的发热问题，采用稳态热分析来估算液压系统的平衡温度 ，采用瞬态热分析来 预测系统温度变化的规律。通过这两种方法的比较，介绍一种新的液压系统热分析方法，即神经网络分析方法，并进行初 步的热分析计算，为液压系统的散热设计提供依据。 关键词液压系统；稳态；瞬态；热分析；神经网络 中图分类号V 2 3 3 ． 9 1 文献标识码 - A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 3 0 4 1 4 Re s e a r c h o n Th e r ma l Ana l y s i s M e t ho d o f Ai r c r a f t Hy dr a u l i c Sy s t e m xI Re n g u o ， LI U W e i g u o ， CHEN Hua n mi n g ， F AN Ka i hu a 1 ． N o a h w e s t e m P o l y t e c h n i c a l 1 n i v e r s i t y ， X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 7 2 ， C h i n a 2 ．A v i a t i o n Ke y L a b o r a t o r y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y O i l A e r o E l e c t r o me c h a n i c a l S y s t e m I n t e g r a t i o n ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 l 1 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n e s t i ma t i o n o f t h e b a l a n c e d t e mp e r a t u r e o f h y d r a u l i c s y s t e m v i a t h e r mal a n a l y s i s a t s t a b l e s t a t e a s w e l l a s p r e d i c t i o n o n s y s t e m t e mp e r a t u r e c h an g e p a t t e r n v i a t h e rm a l a n a l y s i s a t t r an s i e n t s t a t e，t h e h e a t g e n e r a t i o n i s s u e o f a i r c r a f t h y dra u l i c s y s t e m a t h i s h p r e s s u r e s t a t e wa s a n aly z e d ．T h r o u g h c o mp a r i s o n t o t h e s e t w o me t h o d s ，a k i n d o f n e w t h e rm al a n aly s i s me t h o d wa s p r e s e n t e d f o r h y d r a u l i c s y s t e m ，n a me l y n e u r al n e t wo r k a n aly t i c me t h o d ．P r e l i mi n a r y f h e r mal a n aly s i s ，c alc a t i o n a n d v e r i fi c a t i o n w e r e p e r - f o rm e d ．Th e r e s e a r c h w o r k p r o v i d e s b a s e for t h e the r mal d e s i g n o f h y dra u l i c s y s t e m． Ke y wo r d sHy dra u l i c s y s t e m ；S t ab l e s t a t e ； T r a n s i e n t s t a t e；T h e rm a l an aly s i s ； N e u r al n e t wo r k 随着液压技术与电子电气技术和自动控制理论等 相关学科的有机结合，液压技术在飞机上得到了广泛 的应用，它担负着为飞机操纵系统、起落架收放和机 轮刹车等功能系统提供驱动的重要任务，对于保证飞 机安全、实现飞机设计性能等起着举足轻重的作用。 而现代战机的特点是高马赫数巡航 ，超机动性能，飞 行平台自重小，有效载荷大。为了满足高性能飞机的 战术需求，对液压系统提出了质量轻、体积小、功率 大、工作可靠等要求 ，而满足这一设计要求的最佳途 径就是提高液压系统的工作压力。但液压系统的高压 化必然要遇到一系列新的问题 ，其 中最为突出的就是 要解决液压系统高压化所带来的发热问题。 液压系统发热必定使系统工作介质温度升高。目 前精确计算系统工作介质温度和精确掌握系统温度变 化的规律十分困难，实际中一般利用温度的实际测量 数据，采用稳态热分析来估算液压系统的平衡温度， 采用瞬态热分析来预测温度变化的规律。有资料表 明，目前国外正开始用神经网络方法对液压系统进行 热分析并用来指导液压系统的设计，而国内只有飞机 设计研究所在进行飞机总体设计时用稳态热分析和瞬 态热分析来粗略计算液压系统的发热问题，大部分都 是通过实验测试来获得系统的真实温升规律。 1 液压 系统发热的原因及其危害 根据国外近二十年来的大量研究表明，提高液压 系统工作压力等级能满足飞机液压系统设计要求。以 2 1 M P a 作为液压系统的基础压力 ，综合考虑多种设 计因素，使系统质量最小的压力是 2 8 M P a ；采用钢 或合金钢材料 的液压系统，最佳压力是 3 5 MP a ；采 用钛合金材料 的液压系统，最佳压力是 5 6 MP a 。液 压系统压力等级的提高所带来的最直接的影响就是液 压系统的发热问题 。虽然导致液压系统发热 的因素是 多方面的，但其主要因素是液压系统中液压元件的节 流作用，特别是在高压下，节流所产生的热量更大。 而这些热量一部分通过系统管道及系统散热器进行散 热，一部分使系统工作介质的温度升高。因为在相同 的系统状态下 ，功率损失随着压力的提高而增大，损 失的功率基本上变成热量，使系统工作介质温度升 高。试验统计说明，大约2 M P a的压降损失将导致温 升 1℃ 。 液压系统发热所带来的危害性很严重。液压系统 收稿 日期 2 0 1 01 1 0 6 作者简介习仁国 1 9 6 3 一 ，男，博士生，从事机电液一体化设计与研究。Em a i l x i r e n g u o 6 0 9 1 6 3 ． s o n。 4 2 机床与液压 第 3 9卷 工作介质温度升高将使液压系统介质液压油碳化变 式中Q为热交换率，A T为温差，R ． 为热阻。 质，产生沉淀和油液污染 ；同时高温使油液黏度降 传统的飞机液压系统热分析方法是根据地面模拟 低 ，加速漏油；而且高温也将使附件产生过度的热膨 和飞机首飞时的液压系统温度测试数据，确定液压系 胀，润滑性变差 ，造成卡滞和磨损 ，严重影响附件的 统各个关键点的热阻和热交换率，进而对系统总的发 工作寿命。另外 ，温度变化范围太大也会影响系统的 热量进行估计，以便提出热交换器的设计要求，确定 工作特性。因此必须解决液压系统的发热问题 ，而解 是否需要更改热交换器，最终完善系统的设计。热分 决这一问题的措施就是采用散热器。但对于飞机液压 析方法有稳态热分析和瞬态热分析 ，这两种方法比较 系统，增加散热装置的方法又受到了严格的限制。所 成熟。稳态热分析能够比较准确地估计液压系统达到 以，必须对液压系统进行热分析计算，正确估计液压 热平衡时各个关键点的平均温度，但这种估算往往偏 系统温度变化的规律，进而优化散热器的结构和系统 于保守。瞬态热分析与时间变量有关 ，不仅需要应用 设计。 复杂的计算式，而且计算精度也很低 ，一般只是利用 2 液压系统热分析方法概述 简单公式对液压系统的发热趋势进行估计。 热力学与工程传热学是液压系统热分析的主要理 目前国外正在研究液压系统热分析的神经网络方 论基础。热力学第一定律指出热量与功都是能量的 法。这种方法的本质仍然是以实际温度测试为基础， 一 种形态，而且能够按照一定的规则互相转换。这实 它能够直接建立液压系统功率和压力等因素与温度变 质上是从热力学角度阐述的能量守恒定律。热力学第 化规律之间的关系，温度模型是瞬态的，其精确程度 二定律指出在热与功的转换过程中，来自高温物体 主要依赖于测试数据的准确性。 的热量只有一部分转变为功，其余部分的热量则必然 3 液压系统稳态热分析方法 传递给低温物体。这个定律表明了热量传递的方向 稳态热分析用于求解系统热平衡状态时的平均温 性。热传导、对流和热辐射是热量传递的3 种基本方 度。当液压系统的发热量与系统向环境中的散热量相 式。工程传热学主要研究在工程中物体之间因存在温 同，系统各部分的温度不再发生变化时，系统就处于 差而发生能量传递的规律，工程上以式 1 为出发 热平衡状态。根据不同的发热方式，将液压系统中的 点进行热分析计算 液压附件分为泵、节流装置和混合装置三类，其热力 △ ， ． 、 学模型分别如式 2 一 4 所示。 t 泵的温升公式为 K 。 q y C 一U A T i q P 。 一 P i I l 2 A 2 Q 而_ ，_一 2 K 1 q yC 节流装置 的温升公式为 一 二 二 Kl q yC。 混合装置的温升公式为 K 1 q y C 一U A T i 2 t o U A ， 0u l 式中 为附件进口温度， 为附件出V I 温度 ， 为环境温度，P i 为附件进 口压力，P 为附件出 口压 力 ，q为容积流量 ， 为比重，C 。 为定压比热 ，U为 总传热系数，Q 为传导传热率 ，A为面积， 为效 率，K 和 为量纲统一系数。 如图 1 所示的液压系统是一个典型的飞机液压操 纵系统。为了满足快速响应的要求，系统的压力保持 恒定，变量泵按照需要的流量从油箱吸油向系统附件 供油。当飞机处于巡航状态时，液压泵基本上不向附 件供油，只是维持系统压力，并且有少量的壳体回油 流向油箱。将导管压降划归到相邻 附件中，按照式 2 一 4 计算平衡温度，如表 1 所示。 冷环 境 热环 境 主绪附 1 系统对 1 l 外做 功 3 I 毒 。 I 图 1 巡航时系统的工作状态 3 表 1 各点平衡温度 ℃ 稳态热分析得到的是飞机液压系统长期工作后达 到的平衡温度，按照这个计算结果进行散热器的设 计 ，往往比较保守，使散热器的体积和质量偏大。 第2 3期 习仁国 等飞机液压系统热分析方法的研究 4 3 4 液压系统瞬态热分析方法 在飞机的起飞、着陆和机动飞行过程中，液压系 统的温度通常是变化的。在这种情况下，一般将环境 温度、总传热系数和热容量等参数用平均值代替，将 整个液压系统视为一个封闭系统，利用式 5 来计 算瞬态温度 1_e _ 鹋 f 赫 I 5 式中 为系统瞬态温度增量 ，t 为时间变量， 为系统起始温度 ， 帕 为环境起始温度。 图2表示了某型飞机液压系统的升温过程。 图2 液压系统升温过程 瞬态热分析固然能够建立温度变化与时间变量的 关系，但是因为关于飞机液压系统的热力学计算是以 偏微分方程为基础的，而由于飞机飞行高度、速度和 发动机功率等因素的不断变化 ，无法以方程的形式准 确描述出液压系统的环境状态，致使传统的瞬态热分 析计算结果十分粗略，甚至产生极大的误差。 5 神经 网络热分析方法 实时地对飞机液压系统的环境状态作出完全、准 确的描述是非常困难的，即使建立了十分精确的热力 学模型，由于边界条件的不确定性，也无法使瞬态热 分析计算达到合理的计算精度，只能粗略地获得系统 温度变化的大致趋势。但通过实际测试，能够获得系 统真实的温度变化规律，利用人工神经网络逼近任意 非线性函数的能力 ，通过实测数据对网络进行训练， 可以得到飞机液压系统关键点的瞬态温度模型，进而 为飞机液压系统的散热设计提供可靠的借鉴。 人工神经网络是一门新兴交叉科学，涉及到生理 学、心理学、数学和计算机科学等多种学科，应用领 域极其广泛。它是由人工神经元互相连接而成 ，是从 微观结构和功能上对人脑进行抽象和简化，是模拟人 类智能的一条重要途径，反映了人脑功能的若干基本 特征。其中以 R B F网络最为典型，它属于局部逼近 型的多层前馈网络，就是将 B P网络的非线性映射作 用函数的 S型 函数替换为径 向基 函数，调整学习算 法 ，利用 L MS 算法进行权系数调整，进而转化成求 权系数值的线性优化问题。 选取液压系统中某一点，则该点的温度变化规律 可利用 R B F网络进行计算。其原理分析如下。 网络第 i 个隐层节点的输出为 q R II “一c l1 6 式 中 为 n维输 入 向量 ， 为 R B F函数 ， Il 为欧氏范数，c 为第 i 个隐节点的中心，i 1 ， 2， ⋯ ，m。 网络输出层第 k 个节点的输出为隐节点输出的线 性组合 Y ∑w ki q 一 7 式中 为q i y 的联接权， 为第 k 个输出节点的 阈值 。 设有P组输 输出样本，则 目标函数 ．， ；lI 一 Il 寺 一 ，如 8 学习的目的是使 ．， ≤ 。 式中 为在 输入下网络的输出向量。 R B F网络结构如图3所示。 图 3 R B F网络结构 通过上面分析 ，利用计算机就可以使这些繁琐的 计算变得更为方便。准确地建立飞机液压系统瞬态温 度的神经网络模型需要大量的用于训练和测试网络的 实测数据。如图4所示为某飞机在试飞过程中，不 同 的马赫数 M a 和不 同的飞行高度 H下，主液 压系统工作时平 尾助力 器回油 导管管壁处 的温度 随时间变化的测试记录。平尾助力器是飞机液 压系统发热量最大的关键点之一，其回油导管管壁的 温度变化具有典型性，能够反映该型飞机液压系统的 温升规律 ，但是温度的变化不仅与马赫数和飞行高度 有关 ，而且与液压系统的功率和工作压力及材料特性 有关。因此，飞机在实际飞行过程中的马赫数和飞行 高度、液压系统的额定功率、额定工作压力和导管的 材料特性等都是平尾助力器导管管壁温度的函数 ， 即 T Ma ， H， W， P ， C 9 式中 为管壁温度，日为飞行高度，M a为飞行马 赫数 ， P为系统额定压力 ， 为系统额定功率，c 为导管材料特性。 如舳 砷∞柏如加加0 p 4 4 机床与液压 第 3 9卷 p 1 5 0 1 O O 一 昌 茎 图4 某型飞机试飞测温记录 数据是研究和分析的基础。准确地建立飞机液压 系统瞬态温度神经网络模型所需的实测数据用于两部 分，一部分用于训练网络 ，另一部分用于测试 网络 ， 以验证液压系统瞬态温度神经网络模型的正确性。如 图5所示 ，为经过训练的 R B F网络在测试数据输入 情况下的输出。可见 ，利用神经网络模型能够较好地 描述飞机在实际飞行时液压系统的温度变化规律。 图 5 瞬态温度神经网络模型 瞬态神经网络温度模型直接建立了飞机飞行和设 计参数与液压系统瞬态温度之间的关系，将复杂的热 力学参数的确定归结到可以在实验室条件下测定的材 料特性 中，避免 了对液压 系统 温度环境状态 的描 述 ，从而使瞬态温度神经网络模型的精度远高于建 立在偏微分方程基础上的传统瞬态温度模型，其关 键点就是大量与飞机飞行参数相关 的液压系统温度 测试 数据 。 6结论 飞机液压系统的热分析是一个非常复杂的过程 ， 目前的热分析只能是在液压系统设计完成之后，以地 面模拟试验和飞机试飞时的液压系统温度测试数据为 基础进行。文中分析了导致飞机液压系统发热的原因 及危害，确定了系统热分析的基本要素 ，通过对稳态 热分析和瞬态热分析两种方法的比较 ，介绍了一种新 的液压系统热分析方法即神经网络分析方法 ，结合实 际温度测试数据初步建立起了液压系统关键点的瞬态 温度神经网络模型，并进行了系统热分析计算，对系 统的温度进行预测。试验验证结果表明神经网络热 分析方法是 目前液压系统热分析方法中最有效的一 种 ，其结果更能准确地反映液压系统温度的变化趋 势 ，更能反映飞机液压系统的温升规律 ，为新型飞机 液压系统的设计，为液压系统的材料选择和设计 、散 热装置的设计提供了更可靠的理论依据。 参考文献 【 1 】 雷天觉． 新编液压工程手册[ M] ． 北京 北京理工大学出 版社 ， 1 9 9 8 ． 【 2 】 何永森 ， 刘邵英． 机械管内流体数值预测 [ M] ． 北京 国 防工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． 【 3 】 WA N G D a v i d S ． H y d r a u l i c S y s t e m S i m u l a t o r M o d e l f o r B o ． i n g 7 7 7 [ O L ] ． S A E 9 6 5 6 0 6 ， 1 9 9 6 ． 1 0 ． 【 4 】S C O V I L L E R I ， MA X WE L L M J ． A C o n c u r r e n t D e s i g n ／ A n a l y s i s T o o l f o r A i r c r a f t H y d r a u l i c S y s t e m[ O L] ． S A E 9 0 2 0 0 4， 1 9 9 0 ． 9 ． 【 5 】T o v e y P e t e r ． M i c r o p r o c e s s o r C o n t rol o f A e r o s p a c e H y d r a u l i c P u m p s [ O L ] ． S A E 8 7 1 8 6 3 ， 1 9 8 7 ． 1 0 ． 【 6 】于敦． 战斗机液压系统的发展动向[ R ] ． 北京 中国航空 信息中心， 1 9 9 5 ． 【 7 】 沈骥． 国外军用飞机液压系统的发展概况及趋势． 航空 工业部科学技术情报研究所， 1 9 8 6 ． 【 8 】唐有才． 飞机液压系统污染及控制 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 2 3 2 0 6 2 0 8 ． 【 9 】 谢三保， 焦宗夏． 飞机液压系统温度仿真计算与分析 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 6 7 6 8 ． 【 l 0 】 王建平， 沈燕良， 曹克强． 液压导管疲劳破裂与液体压 力关系的研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 5 1 1 31 1 5 ． 【 1 1 】 范开华． 飞机液压能源系统的冗余技术研究 [ D] ． 北 京 北京航空航天大学， 2 0 0 0 ． 上接第 8 2页 3结论 由机床的1 2阶振型图可以清楚地得到以下结论 1 机床的主轴箱在低频段刚度较好 ，振幅不 大，但是在频率达到5 0 0 H z 之后，振幅明显增大。 2 机床 的车刀刀架 由于质量较轻且与溜板是 螺纹连接，刚度较差，振动明显且振幅较大，应在今 后的结构优化中考虑增加配重或者更改连接方式。 3 机床 Y 轴组件在低频段振动较明显，因此 ， 铣削加工时尽量避开低频段以提高加工质量。 4 实际加工试验表明机床的颤振频率较低 ， 属于低频颤振，且频率更接近于工件系统的固有频 率，而与刀具系统固有频率关系不大。 参考文献 【 1 】沃德 海伦 ， 斯蒂芬 拉门兹， 波尔 萨斯． 模态分析理 论与试验[ M] ． 白化同， 郭继忠， 译． 北京 北京理工大学 出版社 ， 2 0 0 1 ． 【 2 】 贾民平 ， 张洪亭， 周剑英． 测试技术[ M] ． 北京 高等教育 出版社 ， 2 0 0 1 ． ⅢⅢ ⋯Ⅲm Ⅲ p