魏曉斌，韓固勇，楊學光

(空軍勤務學院航材四站系，江蘇徐州221000)

目前，我國民用直升機和民用小型飛機(以下均簡稱“小型機”)的發(fā)展呈現(xiàn)日益增長的趨勢，而與之配套的地面保障設備和實施還未完全形成，大部分仍然采用保障大飛機的地面保障設備和實施。而現(xiàn)有的航空地面保障設備和設施結構復雜，存在性能不能完全滿足小型機保障需求的問題，其中就包括液壓保障。文中研究的地面液壓保障拖車主要擔負對民用直升機和民用小型飛機液壓系統(tǒng)進行檢查以及液壓油檢測、保障，主要是針對小型機地面液壓保障需求，對液壓保障拖車液壓系統(tǒng)進行方案設計，提升小型機保障效率。

1 設計依據(jù)

1.1 小型機對地面液壓保障拖車的需求

小型機在地面進行檢查時，發(fā)動機往往處于停機狀態(tài)。在此情況下，為了檢查飛機起落架收放、機翼活動、減速板震動、液壓系統(tǒng)的密封性和循環(huán)工作等情況，需要液壓保障拖車提供液壓保障。液壓保障拖車與小型機液壓系統(tǒng)對接，向小型機液壓系統(tǒng)提供一定壓力、流量、溫度和固體顆粒污染度的液壓源，以滿足檢查小型機液壓系統(tǒng)的工作狀況、密封性和強度的要求。因此，液壓保障拖車也可以看作是一個向飛機液壓系統(tǒng)提供液壓能源的地面液壓站，主要需求包括以下3 個方面:

(1)完成飛機液壓系統(tǒng)及其相關裝置的功能和性能檢測;

(2)凈化飛機液壓系統(tǒng);

(3)為飛機補充加注航空液壓油。

1.2 液壓保障拖車液壓系統(tǒng)設計原則

針對液壓保障拖車的工作特點和需求，為達到最佳的保障效率和經(jīng)濟效益，液壓保障拖車液壓系統(tǒng)的設計應遵循如下原則:

(1)需求性原則。滿足小型機需求是設計的首要點，保障率是其第一考量。液壓保障拖車液壓系統(tǒng)運行情況直接影響著小型機液壓系統(tǒng)的地面檢測，從而影響小型機的飛行安全。因此，該液壓系統(tǒng)必須能滿足小型機液壓系統(tǒng)對地面液壓能源的基本需求，并且能夠在一定惡劣條件下保持良好的工作特性。

(2)經(jīng)濟性原則。為在系統(tǒng)的設計、試制、批量生產(chǎn)和使用、維護中創(chuàng)造出最大的經(jīng)濟效益，應選擇性價比較高的設備單元，采用大量的通用件、標準件，從而有效地降低設計風險，縮短試驗的時間和制造周期，降低試驗費用和生產(chǎn)費用。

(3)機動靈活性原則。為使小型機液壓保障設備可移動，便于隨時、隨地進行機動保障，將設備設計成拖車的形式。因此，選用的元件應性能可靠、體積小、質(zhì)量輕。

(4)產(chǎn)品質(zhì)量原則。小型機對地面液壓能源的要求較高，對液壓保障拖車液壓系統(tǒng)輸出油液的壓力、流量、固體顆粒污染度和溫度等都有具體的規(guī)定，產(chǎn)品的總體質(zhì)量應能滿足小型機的需要。

(5)安全性原則。液壓保障拖車工作條件復雜多變，負載變化和沖擊振動大，對于其液壓系統(tǒng)要求有良好的過載保護措施，防止過載和因外負載沖擊對各個液壓作用元件的損傷。

2 液壓系統(tǒng)方案設計

2.1 液壓系統(tǒng)性能參數(shù)設計

2.1.1 液壓系統(tǒng)輸出功能

根據(jù)小型機對地面液壓保障的需求，文中設計的液壓系統(tǒng)將具有以下3 種輸出功能:

(1)供壓。與小型機對接，向液壓系統(tǒng)提供液壓動力源，滿足飛機液壓系統(tǒng)檢查需要。

(2)清洗。為使小型機液壓系統(tǒng)保持一定的清潔度，需要液壓保障拖車對其進行清洗。因此，液壓保障拖車中的油過濾器過濾精度應高于小型機液壓系統(tǒng)中油過濾器的過濾精度，否則將變成小型機清洗液壓保障拖車的液壓系統(tǒng)。

(3)加油。當小型機液壓系統(tǒng)油液偏少時，液壓保障拖車可以對其加注液壓油。

此外，液壓系統(tǒng)還應具備自循環(huán)功能。液壓保障拖車在與小型機對接前，要求先進行自循環(huán)，以便排除液壓系統(tǒng)中的空氣、過濾油液中可能存在的污染物，保證油液的清潔度。

2.1.2 液壓系統(tǒng)主要性能參數(shù)

為滿足小型機對地面液壓保障的需求，并適當留有輸出余量，文中確定小型機航空地面液壓保障設備液壓系統(tǒng)的主要技術指標如下:

輸出壓力:0 ～40 MPa (連續(xù)可調(diào));

輸出流量:0 ～30 L/min (連續(xù)可調(diào));

油液工作溫度:≤80 ℃;

油液固體顆粒污染度:優(yōu)于GJB420B-6 級;

工作介質(zhì):15 號航空液壓油。

2.2 液壓系統(tǒng)方案設計

2.2.1設計思路

為使液壓保障拖車具有良好的工作性能，且體積較小，現(xiàn)有兩點設計思路將作為液壓系統(tǒng)設計的主要參考:

(1)采用散熱器旁路設計。散熱器安裝在調(diào)壓回油的旁路上，該處是全液壓系統(tǒng)溫度最高點。與安裝在主回路相比，采用旁路設置，不僅可以有效降低系統(tǒng)油溫，而且也降低了回油阻力，使油液及時回到油箱。

(2)一個液壓泵完成多種工作模式?，F(xiàn)有的液壓保障裝備主要是為有人飛機提供液壓保障，其輸出流量較大，因此采用了一個低壓泵和一個高壓泵的液壓系統(tǒng)設計。而文中設計的保障設備輸出流量較小，在設計上可以實現(xiàn)一個液壓泵完成多種輸出功能。所以，為了簡化系統(tǒng)，使保障設備小型化，文中設計的液壓系統(tǒng)將采用一個液壓泵完成多種工作模式。

綜合以上兩點，液壓保障拖車液壓系統(tǒng)設計思路如圖1 所示。

圖1 液壓系統(tǒng)設計思路示意圖

根據(jù)設備輸出功能及相關性能參數(shù)，制定了兩個液壓系統(tǒng)設計方案:方案一以泵控方式為主，即采用容積節(jié)流調(diào)速回路;方案二在節(jié)流調(diào)速回路設計的基礎上采用閥控與變頻調(diào)速的復合調(diào)速方式。

2.2.2 方案一

該方案主要采用以DFR1 變量柱塞泵為液壓動力源的容積節(jié)流調(diào)速回路設計，通過調(diào)節(jié)串聯(lián)在液壓泵出口的流量控制閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出流量，調(diào)節(jié)遙控比例溢流閥控制系統(tǒng)輸出壓力，方案設計如圖2 所示。

圖2 液壓系統(tǒng)流程示意圖

該方案的工作流程為:

(1)自循環(huán)。液壓保障設備在與小型機對接前，先進行自循環(huán)，以便排除液壓系統(tǒng)中的空氣，并過濾油液中可能存在的污染物，保證油液的清潔度。其主要流程為油液從油箱出發(fā)，經(jīng)二位四通換向球閥進入柱塞泵，然后流經(jīng)單向閥、油過濾器等，通過溢流閥8 和散熱器回到主回油路完成循環(huán)。

(2)供壓模式。在供壓模式下，系統(tǒng)處于閉式狀態(tài)，從小型機回流的油液直接進入柱塞泵，升壓后經(jīng)過油過濾器、高壓活門返回到小型機液壓系統(tǒng)。DFR1 變量泵可根據(jù)小型機負載所需的壓力和流量自動調(diào)節(jié)輸出壓力和流量，此時的溢流閥8 作為安全閥，當系統(tǒng)壓力過高時，溢流閥打開，油液經(jīng)溢流閥直接返回，實現(xiàn)系統(tǒng)卸荷。

(3)清洗模式。設備在供壓模式下通過油過濾器即可清洗液壓系統(tǒng)，為了更徹底地清洗液壓系統(tǒng)油液，可以將低壓活門通過油管與小型機相應的回油活門對接，使小型機上的油液經(jīng)二位四通換向球閥回到設備油箱，然后，液壓保障設備再進行自循環(huán)將油液清洗干凈，最后，通過加油模式將油液返回小型機液壓系統(tǒng)。

(4)加油模式。當小型機液壓系統(tǒng)油液偏少時，液壓保障設備可以對其進行加油。將低壓活門與小型機相應的回油活門對接，液壓保障設備開啟后，油液從油箱出發(fā)，進入柱塞泵，通過溢流閥(截止閥打開)，從低壓活門進入到小型機液壓系統(tǒng)。為防止飛機油箱液壓油進入設備油箱，設備油箱進口處安裝了背壓閥。

2.2.3 方案二

方案二以節(jié)流調(diào)速回路設計為基礎，采用閥控調(diào)速與變頻調(diào)速組成的復合調(diào)速系統(tǒng)。變頻器與普通電機組成的系統(tǒng)動力源可以初步調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，而高精度的流量控制則通過調(diào)節(jié)串聯(lián)在供壓回路的比例調(diào)速閥來實現(xiàn);與液壓泵并聯(lián)的比例溢流閥用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出壓力。該方案的最大優(yōu)點是控制精度較高，同時，由于采用液壓變頻技術，系統(tǒng)功率損失也較小。方案設計如圖3 所示。

圖3 液壓系統(tǒng)流程示意圖

該方案的工作流程為:

(1)自循環(huán)。自循環(huán)模式中，油液從油箱出發(fā)，經(jīng)過液壓泵升壓，依次流經(jīng)單向閥、高壓油過濾組、比例溢流閥、散熱器、低壓油過濾器，最后回到油箱，完成自循環(huán)。在完成自循環(huán)的同時，比例溢流閥調(diào)節(jié)回路壓力，一部分油液通過比例溢流閥流經(jīng)散熱器后回到主回路當中，完成旁路的循環(huán)工作。

(2)供壓模式。供壓模式中，二位三通閥處于圖中下位工作。油液從油箱出發(fā)，經(jīng)過液壓泵升壓，依次流經(jīng)單向閥、高壓油過濾組、比例流量控制閥，經(jīng)高壓活門進入小型機液壓系統(tǒng);從小型機液壓系統(tǒng)回流的油液經(jīng)低壓活門進入設備液壓系統(tǒng)中，經(jīng)二位三通閥和低壓油過濾器回到油箱中。供壓模式中，通過控制變頻器調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)液壓泵輸出流量，通過調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥和溢流閥精確控制系統(tǒng)輸出的流量和壓力。

(3)清洗模式。清洗模式的油液循環(huán)和供壓模式相同，唯一不同的是，清洗過程中系統(tǒng)輸出的流量更大，而且是變流量，輸出壓力則比供壓模式小。通過不斷的循環(huán)，使油液中的顆粒物被油過濾器過濾下來，達到清洗小型機液壓系統(tǒng)的目的。

(4)加油模式。加油模式中，二位三通閥處于上位工作。油液從油箱出發(fā)，經(jīng)過液壓泵升壓，依次流經(jīng)單向閥、高壓油過濾組、比例流量控制閥和二位三通閥，最后經(jīng)低壓活門進入到小型機液壓系統(tǒng)的油箱中。

3 方案的比較與選擇

上述兩種設計方案采用的流量控制方式有所不同，液壓系統(tǒng)性能比較見表1。

表1 兩種方案性能比較

方案一采用泵控方式，選擇具有負載敏感特點的DFR1 型液壓泵，該泵能實現(xiàn)對輸出壓力和流量的雙重控制，其輸出流量只與流量控制閥的開度有關，而不受負載速度變化的影響。采用DFR1 泵，除了流量控制閥有一定的壓降外，基本沒有其他節(jié)流和溢流損失，系統(tǒng)效率高、發(fā)熱少。但DFR1 泵的流量控制效果比壓力控制差，控制精度沒有閥控高。另外，包括DFR1 泵在內(nèi)的大部分變量泵由于受其變量調(diào)節(jié)原理的限制，只有當工作壓力在2 MPa 以上才能對輸出流量和壓力進行有效的調(diào)節(jié)，不符合文中液壓系統(tǒng)的設計需要;且變量柱塞泵存在不可避免的泄漏現(xiàn)象，對于低輸出流量控制效果較差，有可能液壓泵的輸出流量比自身正常的泄漏量還小。

方案二采用閥控調(diào)速與變頻調(diào)速的復合調(diào)速方式，具有控制精度高、功率損失小和系統(tǒng)響應快等優(yōu)點。該方案采用的復合調(diào)速方式能有效避免單一調(diào)速方式的缺點，更能將二者的優(yōu)點相結合。變頻器與普通電機構成的系統(tǒng)動力源，可以方便地控制電機轉(zhuǎn)速，即調(diào)節(jié)液壓泵輸出流量，能有效減少系統(tǒng)節(jié)流損失和溢流損失。比例調(diào)速閥和比例溢流閥的采用能克服單純使用變頻調(diào)速方式控制精度低和低速特性差的缺點，尤其在微流量和小壓力輸出的情況下，能快速精確地控制系統(tǒng)輸出流量和壓力。

經(jīng)過對比分析，可以看出:方案一不適合文中設計需要，而控制精度高、功率損失小和系統(tǒng)響應快的方案二更適合設計需要。所以，將選擇方案二作為小型機液壓保障拖車液壓系統(tǒng)的設計方案。

4 結論

采用閥控調(diào)速與變頻調(diào)速的復合調(diào)速方式設計的液壓系統(tǒng)，大大提高地面液壓保障的工作效率，能夠滿足小型機的液壓保障需求。