民机液压泵源技术发展趋势研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 0 8期 d o i l O ．3 9 6 9 4 ． is s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ．0 8 ．0 0 2 民机液压泵源技术发展趋势研究 陈金华 中航工业金城南京机电液压工程研究中心 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 民机液压泵 源通 常采用 的是柱塞泵源 。分析 了 目前典型 民机液压 系统泵源 的配置情况 以及技术特点 ． 提 出了民机液压泵 源的 主要技术发展趋势 。 关键词 民机液压泵源 ； 柱塞泵 ； 技术发展趋势 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 8 0 0 0 4 0 4 S t u d y o n De v e l o p me n t Tr e nd o f Ci v i l Ai r c r a f t Hy d r a u h c Pu mp C HEN J i n - h U U A V I C N a n j i n g E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e o f A i r c r a f t S y s t e m s ， J i n c h e n g A v i a t i o n K e 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 n 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 2 1 1 1 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Us u a l l y t h e c i v i l a i r c r a f t h y d r a u l i c p u mp i s p i s t o n p u mp ．T h i s p a p e r a n a l y s i s o f t h e p u mp s c o n fi g u r a t i o n o f t h e c u r r e n t t y p i c a l c i v i l a i r c r a f t h y d r a u l i c s y s t e m a n d t h e t e c h n i c a l f e a t u r e s ．I t p u t f o r wa r d t h e ma i n t e c h n i c a l d e v e l o p me n t t r e n d o f t h e c i v i l a i r c r a f t h y d r a u l i c p u mp i n t h i s p a p e r ． Ke y wo r d s c i v i l a i r c r aft h y d r a u l i c p u mp； p i s t o n p u mp； t e c h n i c a l d e v e l o p me n t t r e n d 0 引言 飞机液压泵源属于飞机 的能源系统 ．为飞机提供 高压液压油 ， 在飞机起飞 、 飞行操纵 、 着陆过程 中起着 十分重要的作用 ．使 飞机按照预定飞行姿态和轨迹对 各执行机构进行驱动和控制 其 中液压柱塞泵具有体 积小 、 传递功率大 高压 力和高转速 、 变量控制方便 、 效率高 、 寿命长等优点 ， 在液压 能源系统中得到主要应 用 。 飞机液压系统普遍采用柱塞泵源。 民机高可靠性 、 安全性 以及长寿命等特点 ， 对液压 泵源提出了相应的技术需求 根据民机液压系统需求 ， 民机 液压 泵 源 型式 种 类 主 要 有发 动 机 驱 动 液压 泵 E D P 、 直流或交流 电动泵 E MP、 冲压空气涡轮 R A T泵 等 ．这几种型式 的液压柱塞泵通过各种组合方式保证 飞机飞行 、 着落的安全 1 典 型民机 液压系统泵源情况 1 ． 1 泵 源配 置情 况 1 A 3 2 0液 压 系统泵 源 配置 A 3 2 0液压系统 由 3套封 闭的 、 相互独立 的液压源 组成 ， 分别用绿 、 黄 、 蓝表示 。在泵源配置方面 ， 绿系统 收稿 日期 2 0 1 3 1 1 - 1 9 作者 简介 陈金华 1 9 7 7 一 ， 女 ， 湖南湘潭人 ， 高级 工程师 ， 硕士 ， 主要从 事 液压元 件方 面的研 究T作 。 4 配置 1 个 E D P 黄系统配置 1 个 E D P和 1 个 E MP； 蓝 系统 配置 1 个 E MP和 1 个 R A T泵 在正常工作无故障情况下 ．绿系统和黄系统 中的 E D P和蓝 系统中的 E MP为各系统用户提供液压功率 ． 黄系统 中的 E MP只在飞行剖 面中大流量工 况或主泵 故障工况时启动 。 当任何一个发动机运转时 ， 蓝系统的 电动泵 自动启动 蓝系统为备份系统 ， 在飞机失去 电源 或者发动机全部故障时 ． R A T泵为飞机提供应急能源。 2 B 7 3 7液 压 系统 泵源 配置 B 7 3 7液压系统也有 3 套独立的液压系统 ．分别为 A系统 、 B系统和 备用 系统 。 在 泵 源配置 方 面 ， A、 B系 统 均 各 由 1 个 E D P和 1个 E MP组 成 ．是 飞 机 主 液 压 系 统 ， A、 B系统的正常压力 由系统中的 E D P提供 ，如果 E D P失效 ， 由 E MP为 系统补充 压力 备用 系统 由 1个 E MP为 飞机 提供 动 力 3 A3 8 0液 压 系统泵 源 配置 A 3 8 0飞机体现 了多 电式 ． 将液压能与电能进行了 有效结合 ．采用 2 套液压回路 2套电路的 2 H ／ 2 E双体 系飞行控制系统 ． 即总共有 4套能源系统 。其 中 2 H液 压动力作 动系统分别各配置 了 4个 E D P和 2个 E MP 交 流 ，即总 共 由 8个 E D P和 4个 E MP组成 泵 源 ； 2 E 为电动力的分布式电液作动器系统 ．用于取代早期空 客机型 的备份系统 ．该系统 由电液作动器与备用电液 Hv d r a ul i c s Pn e uma t i c s S e a l s ／ No． 0 8． 201 4 作 动 器组 成 4 B 7 8 7液 压 系统 泵源 配 置 B 7 8 7液压系统仍 由左 、 中、 右 3套独立系统构成 ， 泵源配置方面 。 左、 右液压系统各配置 1 个 E D P和 1 个 E MP． E MP在功率需求大 的飞行 阶段 为系统提供补充 能源 ． 同时作为 E D P的备份能源。 中液压系统配置 2个 E MP和 1 个 R A T泵 ．两台 E MP作为主泵与备用泵互 相交替使用 ． R A T泵为 飞机提供应急液压 能源和 电能 源 。 1 ． 2液压 泵特 点 A 3 8 0的 E D P采 用 了 5 0 0 0 p s i 3 5 MP a 的 高 压 采 用 1 1柱塞方式 ． 并配有一个球形脉动 衰减器 。 使 得压 力脉动只有额定压力 的 1 ％左右 ， 实现了低噪声 ； 泵 内 部集成有增压涡轮 、 电磁卸荷 阀 ． 还集成 了脱开式离合 器 ．可 以在泵发生故障时将该故障泵脱离发动机齿轮 箱 。 B 7 8 7的 E D P同样采用了 5 0 0 0 p s i 3 5 MP a 的高压 ； 电动泵 E MP采用直流电动机驱动 ． 用液压泵壳体 回油 冷却 电机方式 ．电动机驱动转速分为两级 ，对应输 出 3 7 g a L ／ mi n和 2 7 g a L ／ mi n两 级 流量 泵 内部 也 集 成 了增 压涡轮来确保柱塞泵 吸油充分 壳体腔内置摆线齿轮 泵 ． 确保在管路最大背压下 回油 口的流量 ． 通过强制壳 体 内部油液流动降低泵 内部油液温度 带降压 回路通 过降低 出口压力来达到降低泵 的驱动转矩 带截止 阀， 配合降压 回路 ， 在降压期 间阻止高压油倒灌 到泵 内 在 泵上集成压力衰减器降低系统压力脉动 从 A 3 8 0和 B 7 8 7飞机上液压泵 的特点可 以看 出． 为了改善液压泵整体性能 ， 提高泵使用 时的可靠性 、 安 全 性 ， 保证长寿命 ， 其 集成性非 常 的高 。 高压化 、 低 脉 动 、 节 能 趋势 明显 。 2 民机液压泵源技术发展趋势 2 ． 1 高 压化 现代飞机 向高速 、 大型化方 向发展 ， 液压系统 的问 题焦点集 中在降低重量和减小体积上 ．而 国外大量研 究结果表明 ．飞机液压系统减小体积和降低重量 的最 有效 途径 是 提高 系统 工作 压 力 A 3 8 0飞机 5 0 0 0 p s i 3 5 MP a 压力等级 的引进为飞机减轻了 1 ． 4 t 的重量 ． 并 提高 了飞控 系统的响应速度 B 7 8 7飞机 采用 的也是 5 0 0 0 p s i 的液压系统 ， 该系统使飞机减重并提高 了性能。 高压化是液压泵源发展的一种主要趋势 国内外针对液压泵高压化做的研究很多 ．液压泵 高压化过程 中需要攻克 的关键技术主要涉及 高压摩 擦副及关键零部件的材料选择 ， 高压应力 、 变形 ， 高压 产生的压力脉动及效率等问题 2 - 2压力 脉 动抑 制 液压泵源 的高压化趋势使得压力脉动 问题变得 突 出 由于液压柱塞泵输 出油液的不连续性和流体可压 缩性 ． 泵的输 出流量必然存在流量脉动 ． 流量脉动在管 路及 负载阻抗作用下沿管路传播 ，因流体惯性和可压 缩性引起压力脉动 ， 影 响系统工作性能 。 产生噪声和管 路振动 ． 严 重时将 造成 管路疲劳破坏 ， 导致重大事故 ， 因此对泵源压力脉动抑制技术进行研究非常重要 液压泵 源的流量脉动是 产生压力脉动的根源 ． 因 此 ． 优化配流盘设计 ． 降低柱塞泵输出流量脉动是抑制 泵源压力脉动的最佳途径 在液压泵 的控制阀芯与随 动活塞的油道之间增加一补偿器 ．可提高斜盘的工作 稳定性 ． 对压力脉动也有一定的抑制作用。 目前航空柱塞泵大部分为 9柱塞 ，系统压力脉动 在 5 ％～ 1 0 ％之间 对于奇数柱塞泵的流量脉动率为 6 2 s in 专 从上式可知随着柱塞数的增加 ．泵流量脉动率会 下降。当 Z大于 1 3时， 脉动率 已小于 l ％． 9个和 1 1 个 柱塞泵流量脉动率分别为 1 ． 5 2 ％和 1 ． 0 2 ％ 综合考虑结 构及 重量 因素 ， 可取柱塞数为 1 1 来 降低压力脉动。还 有通过采用双列或多列柱塞 的型式来 降低压力 脉动 ． 如图 1所示 。 J L - - 占 I ． F 。 图 1双 列 柱 塞 结 构 国外民机发动机驱动泵大部分通过集成压力脉动 衰减器来有效 降低压力脉动 ．其本质是在泵的出 口上 设置一个流体缓冲容腔。缓冲腔体积越大 ． 对压力脉动 衰减越 明显 ． 但缓冲腔体积的增大 ． 势必增加产品的重 量 ， 因此 ， 为保证产品有较高的功率 重量 比 ， 需要综合 考虑压力衰减量和衰减器 的重量 ．采用流体仿真分析 流体 流经压力脉 动衰减器过程 中的压力变化情况 ． 研 究衰减器 的容积和形状对压力脉动衰减的影 响 A 3 8 0的 E D P通过采用 1 1柱塞 ． 并在泵上集成衰 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 O 1 4年 第 O 8期 减器等综合措 施 ．将 系统压力脉 动降低 至额定压 力 的 1 ％。 2 。 3节能 飞机液压泵源高压化和大功率 ．会使系统效率降 低 ， 无效功率增加 ． 而无效功率的主要体现形式就是产 生大量的热 ， 导致系统温度急剧升高 ． 降低系统工作的 可靠性 ． 影响飞机的续航时间。目前机载泵源大部分采 用 的是 恒压 柱 塞泵 源 ． 为 了实 现节 能 减少 发 热 ． 一 些 军 机 已开展 了实现负载敏感控制的智能泵相关 研究 ． 可 以按需要使用动力 ． 实现泵和负载 的最佳匹配 ． 提高泵 的使用效率 ， 减少生热和延长泵的寿命。虽然 目前智能 泵的研究还是在军用飞机上比较广泛 ．但由于智能泵 优异 的性能与环保特性 ，对 民机有很 大的适 用空间。 B 7 8 7电动泵 采 用 了两级 调速 ．足 以说 明民机 液压 泵 源 在往智能节能 的方向上发展 ．其特性对于注重平稳控 制的民用飞机来说是非常合适的 智能控制方式 目前主要有通过排量调节在液压泵 自身上实现变压力变流量 ．以及通过转速调节控制电 机的转速改变液压泵 的输出压力和流量的方式 ．或者 两者综合控 制实现复 杂的控制功 能和很高 的控制性 能 ， 提高系统的动态响应。前者采用微处理器作为控制 器 ， 加人各种传感器 压力传感器 、 温度传感器 、 位移传 感器等 提供控制液压泵必须的反馈信号 ． 通过采用软 件控制 。 如图 2所示 。 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。后 者将排量保持不变 ．只通过调节电机 的转速来改变泵 输 出的压 力 和流量 总线披1 { 卜 0／ ，一 。 电渊 图 2智 能液 压 泵 构 成 2 ． 4长 寿命 民机寿命通常是上万小时 ． E D P直接装于发动机 传动机匣． 与发动机是 同寿要求。影 响液压泵寿命的因 素是综合的 ．以下都是从设计技术上延长液压柱塞泵 寿命 的措施 6 泵进 口采用涡轮增压 液压柱塞泵长时间在 吸油 不足状态下运转时 ．极易产生气穴造成液压泵摩擦副 严重磨损 ， 降低泵的寿命。在泵内部串联离心混合增压 系统 ， 可改善柱塞泵吸油特性 。 延长其工作寿命。 集成 电磁卸荷 阀。在泵上安装电磁卸荷 阀． 当系统 负载较小时 ， 可以通过 电磁卸荷阀使泵处于降压状态 ． 减少系统功率 消耗和系统发热 ． 减小泵的磨损 ． 提高泵 的寿命。 采 用 智能 泵 源 智 能泵 源 可 实现 泵 与 负载 的最 佳 匹配 ， 有效提高泵 的使用效率 ， 减小无效功率 的产生 ． 减少系统发热 ． 提高泵 的寿命 集成 回油泵。在柱塞泵壳体腔 内置一个 回油泵 ， 通 过强制壳体内部油液流动带走热量 ．降低泵内油液温 度 。 提高泵的寿命 集成压力衰减器。泵 出E l 集成压力衰减器 ． 可有效 降低系统压力脉动 ， 减小振动 ， 对减小系统疲 劳损毁 、 提高泵的寿命具有重要意义 A3 8 0飞机采用离合器机制．在每一个发动机驱动 泵上都带一个整体式离合器 ， 可以在飞行过程 中关闭 ， 旨在节省使用泵或防止液压油受污染 2 ． 5预测 与健 康 管理 P HM 预 测 与健康 管 理 P HM P r o g n o s t i c s a n d He a l t h Ma n a g e m e n t 代表了一种方法的转变． 即从传统的基 于传感器 的诊 断转 向基于智能系统的预测 ．从反应性 的维修转 向在准确时间对准确的部位进行准确维修 的 主动积极的活动 。集成化故障诊断与预测系统不仅可 以提高飞机的可靠性和安全性 ．而且也可以降低维护 费用 国内预测与健康管理的研究刚刚起步 ． 到 目前为 止 。 尚未出现实用 的 P HM系统 ． 基本还处于集成体 系 结构和关键技术 的探讨。 泵源健康管理系统的任务是利用加速度 、 温度 、 压 力 、 流量和压差传感 器等 ， 获得液压泵体的振动信号 ， 泵 出E l 、 回油温度 ， 入 E l 、 出 口压力 ， 出 口、 回油流量 以 及泵源系统 回油管路油液污染情况等信号 ．从而评估 泵源系统的工作状态 。当泵源系统 出现故障时 ， 监测 、 诊断泵源 系统的故 障并进行故障定位 ．如果泵源系统 工作状态偏离正常现象 ， 但偏差处于一定范 围内 ， 则预 测故障出现 的时间 、 位置 ， 评估泵源系统健康状态并根 据在线采集数据及历史数据预测系统剩余寿命 。 2 ． 6多 电分布 式与 能 源 系统 集成 电液作 动器 E HA ， E B H A与分散式 电液能源 系统 L E HG S等新型技术在 A3 8 0飞机上的成功使用 ．开启 了飞机液压系统从传统液压伺服控制到多 电、多控制 的技术先河 ． 通过新一代电液作动器 的使用 ． 使得 系统 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， N 0 ． 0 8 ． 2 01 4 d o i l 0 ．3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 8 ．0 0 3 以腐蚀性有机酸浓度评价液压油氧化变质的研究 程德林 ． 薄根克 弥 大生工 业 株式 会社 研 究开 发 中心 ， E l 本 枥木3 2 1 0 5 3 3 摘要 液压油 中的低 分子有机酸 主要是基 础油氧化变质后 产生的极具腐蚀性 的物质 ， 通过 测定这些有机酸 的浓度 ， 能够更加 准确地 把握液压油 的氧化变质实 际状况 ． 提供是否需要更换新油 的更加合理 的科学依据 。 关键词 腐蚀 性有机酸 ； 总酸值 ； 氧化变质 ； 液压 油 中图分类号 T H1 3 7 ；T E 6 2 6 ． 3 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 叭4 0 8 0 0 O 7 0 3 I ke s e a r c h o n As s e s s me n t o f Ox i d a t i v e De t e r i o r a t i o n o f Hy d r a u l i c Oi l b y Co r r o s i v e Or g a n i c Ac i d s Co n c e nt r a t i o n C HE NG De - l i n， U S U NE Ka t s u y a R e s e a r c h a n d D e v e l o p me n t C e n t e r ， T a i s e i K o g y o C o ． ，L t d ． ，T o c h i g i 3 2 1 0 5 3 3 ， J a p a n Ab s t r a c t L o w mo l e c u l a r o r g a n i c a c i d s i n h y d r a u l i c o i l a r e h i g h l y c o r r o s i v e ma t e ria l s w h i c h a r e ma i n l y p r o d u c e d f r o m b a s e o i l b y o x i d a t i v e d e t e rio r a t i o n ． B y me a s u rin g t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e s e o r g a n i c a c i d s ， w e c a n k n o w t h e a c t u a l c o n d i t i o n o f o x i d a t i v e d e t e rio r a t i o n mo r e a c c u r a t e l y ， a n d w e c a n d e c i d e wh e t h e r t h e o i l s h o u l d b e r e p l a c e d o n mo r e r a t i o n a l s c i e n t i f i c e v i d e n c e ． K e y wo r d s c o r r o s i v e a c i d； t o t a l a c i d n u mb e r ； o x i d a t i v e d e t e ri o r a t i o n； h y d r a u l i c o i l O 引言 低分子有机酸主要是 由液压油基础油氧化后产生 收稿 日期 2 0 1 3 1 1 - 1 4 作者简介 程德林 1 9 7 3 一 ， 男 ， 江苏盐城人 ， 研究 员 ， 博士 ， 现从 事生物传 感器 的工业应 用和润滑 油检测 、 有机废弃 物的再利 用 、 生 物医药 等领域 的科学研究 。 ● ～“十一 ” ’ ～*’ 一。t 一。十一-’ 一一 ’ 一。 一。十一 t一。十一。t一 ’ 一。f一 。十一。 t 一。t 一。十一 ’ 一。 一。 t一 设计从传统分配式模式向分布式模式转变。A 3 8 0液压 系统设计体现 了未来多电飞机的发展趋势 传统的分体式结构采用 的是电动机与液压泵之间 通过连接器进行简单 串联式联接 ． 随着现代科学技术的 发展 ，利用电动机和液压泵的结构特点和运行特性 ． 将 两 者 高度 集 成 出一种 机 、 电 、 液 一体 化 的新 型 液压 能 源 系统 ． 直接将电能转换为液压能。集成能源系统融合 了 液压技术 、 电机技术 、 控制技术 、 机械学 、 材料学 、 摩擦 学 、 传热学等学科 内容 ， 将 电机和液压泵合二为一进行 高度融合设计 ， 减少 了伸 出轴轴封和其他密封件 、 去掉 了联轴器和泵支架等零部件 、电机采用油冷等措施 ． 既 可无冷却风扇还可 以大幅度提高系统效率 ．具有噪声 低 、 振动小 、 散热好等优点 ， 可替代现有的电动机和液压 泵的组合装置 ． 也是未来液压动力源的一个发展方向 3 我 国液压 泵源发展建议 B 7 8 7 飞 机 和 A 3 8 0飞机 的液 压 泵 源 的设 计 和 应 用 的．这些有机酸是引起机械 内部腐蚀并使加工精度下 降甚至诱发液压机械本身故障的重要原因。现在 ． 一般 用总酸值来评价液压油的氧化变质状况 ．但总酸值是 对所有酸性物质f 包括对机械无害的酸性物质 的体 现 ． 对于腐蚀性特别强的有机酸的产生无法加以区别 通过直接测定低分子有机酸的浓度可 以确立一个更加 - 一 - ● 一 代表了未来相当长一段时间内的发展趋势 。 高压化 、 高 速化 、 低噪声 、 高可靠 、 节能 、 长寿命等将是液压泵源的 主要技术发展趋势 。 与军机追求 高性能相比．民机液压泵源更注重的 是高可靠性、 安全性和长寿命。对液压泵源进行的压力 脉动抑制 ， P HM预测与健康管理等都是从提高可靠性 、 安 全 性 方 面进 行 的研 究 我 国 民机 泵源 研 究还 处 于 初 始阶段 ． 应先建立起相关 的标准体系 ． 并对上述液压泵 源技术开展深入研究 ．对泵源的长寿命验证方法进行 探 索 。 参 考 文 献 『 1 1 郭生 荣， 卢岳 良． 液压 能源 系统 压力脉 动分析 及抑 制方法研 究[ J 1 ． 液压与气动， 2 0 1 1 ， 1 1 4 9 5 1 ． 『 2 1 杜隽 ， 王少萍 ， 张文超 ． 航空液 压泵源健 康管理 系统硬件平 台 N i t [ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 0 8 ， 5 3 7 4 O ． 『 3 1 付永领， 李祝锋， 安 高成 ， 等． 电液泵发展现状 与关键技术综 述 f J 1 ． 机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 1 1 4 3 1 4 9 ． 7