寸文淵, 趙正大, 陳 果2, 張茂林, 陳雪梅, 侯民利
(1. 成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司, 四川成都 610092;2. 南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院, 江蘇南京 210016)
現(xiàn)代飛機液壓系統(tǒng)逐漸向高壓力發(fā)展,管路結(jié)構(gòu)強度儲備很低,同時,飛機管道所處的安裝環(huán)境和工作環(huán)境與其他產(chǎn)品相比工況更為惡劣,因此存在故障率高、失效模式多、可靠性差等嚴重問題[1]。研究復(fù)雜振動環(huán)境中的管路系統(tǒng)的振動機理,對于有效地控制管路系統(tǒng)故障、提高管路系統(tǒng)的可靠性和安全性,具有極其重要的理論意義和工程實用價值。目前,針對飛機液壓導(dǎo)管進行的理論研究,多以流固耦合振動、疲勞壽命和故障分析等方面為主[2]。國內(nèi)外學(xué)者[3-10]針對管道中的振動問題,利用有限元分析軟件,建立了管道振動分析模型,對管道診斷進行了分析,其中,陳果等[10]針對飛機復(fù)雜管路系統(tǒng)振動分析,提出了一種復(fù)雜空間管道系統(tǒng)流固耦合動力學(xué)模型,針對實際液壓試驗臺的空間管路系統(tǒng),進行了模態(tài)分析仿真與試驗驗證,并與商用有限元軟件ANSYS Workbench進行了分析比較,驗證了流固耦合計算方法的正確性。
由于管路系統(tǒng)的強烈振動往往是由于管路在壓力脈動激勵下產(chǎn)生了共振,因此,許多研究者對管路系統(tǒng)進行模態(tài)分析研究[11-13]。不同布局的Z形管道具有不同的模態(tài)特性,趙通來等[11]針對2個軸向錯位接頭的Z形管道,通過模態(tài)試驗結(jié)合數(shù)值仿真,研究這2個布局參數(shù)對管道模態(tài)特性的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)Z形管道的一階模態(tài)出現(xiàn)在垂直于管道平面方向上,二階模態(tài)出現(xiàn)在管道平面。當彎頭位置從靠近一端接頭變化到與兩端接頭距離相等的位置時,管道的一階固有頻率增大,而二階固有頻率減??;當曲率半徑增大時,管道的低階固有頻率都增大。唐春麗等[12]對管道模型在空管、充不同種類以及不同量的液體等多種情況下的動態(tài)響應(yīng)進行了測量。根據(jù)實測數(shù)據(jù),分析比較了各種情況下管道的模態(tài)參數(shù)(模態(tài)頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼)的變化規(guī)律,這些數(shù)據(jù)和規(guī)律對工程上充液管道系統(tǒng)的減振降噪技術(shù)有一定的參考價值。魯華平等[13]針對管道動力學(xué)特性分析中阻尼比的影響問題,對某航空鋁合金管道采用MIMO模態(tài)測試,得到其前八階模態(tài)頻率和阻尼比;對該管道施加瞬態(tài)激勵,得到不同點處的時域響應(yīng)數(shù)據(jù);考慮了傳感器的附加質(zhì)量,計算了模態(tài)頻率,分別基于恒定阻尼比試驗得到的模態(tài)阻尼比模型,分析了管道瞬態(tài)動力學(xué)響應(yīng)特性,并與實測響應(yīng)數(shù)據(jù)進行對比分析。結(jié)果表明:采用模態(tài)阻尼比計算得到的管道動力學(xué)響應(yīng),不論是響應(yīng)時間還是響應(yīng)大小都更接近于實測值,對于航空管道這種安全性要求很高的結(jié)構(gòu),應(yīng)盡可能采用模態(tài)阻尼比進行計算分析。
在設(shè)計上避開共振,是管路減振的重要方法,由此可見模態(tài)分析是管路振動分析的關(guān)鍵技術(shù)。本研究針對某型飛機實際液壓管路系統(tǒng)展開仿真研究,利用模態(tài)分析方法來實現(xiàn)對管路系統(tǒng)故障的診斷和分析,并提出相應(yīng)的改進措施。
利用陳果等[10]的方法建立管道系統(tǒng)流固耦合管道動力學(xué)模型。對管路系統(tǒng)進行有限元離散,采用梁單元,考慮梁單元的轉(zhuǎn)動慣量和剪切變形,可以得到對應(yīng)的有限元模型:
(1)
式中,MT—— 按梁單元質(zhì)量矩陣組裝而成的系統(tǒng)總質(zhì)量矩陣
KT—— 按梁單元剛度矩陣組裝而成的系統(tǒng)總剛度矩陣
GT—— 由流速引起的陀螺效應(yīng)矩陣
KvT—— 由流速引起的系統(tǒng)剛度改變矩陣
X—— 系統(tǒng)的廣義位移向量
F—— 外部激勵力向量
在對管道進行模態(tài)分析時,不考慮管道流體作用、阻尼作用和外載荷的影響,因此,管道系統(tǒng)的自由振動方程為:
(2)
其中,MT和KT分別為管道系統(tǒng)的質(zhì)量和剛度矩陣。它的解可以假設(shè)為以下形式:
X=φsin(ωt-φ0)
(3)
式中,φ——n階向量
ω—— 振動頻率
t—— 時間變量
φ0—— 由初始相位
將解代入動力學(xué)方程就得到一個廣義特征值問題,即:
KTφ-ω2MTφ=0
(4)
圖1為基于錘擊法模態(tài)試驗得到各階固有頻率和振型的示意圖。
圖1 被測結(jié)構(gòu)的前三階振型圖
圖1表明當結(jié)構(gòu)在某階固有頻率處被激發(fā)共振時,結(jié)構(gòu)各部分的振動大小將表現(xiàn)出該階振型。本研究將針對管道結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析,得到各階固有頻率和固有振型,并對管道結(jié)構(gòu)可能存在的故障進行分析。
吸油模塊是飛機液壓系統(tǒng)的一個重要組成部分,如圖2所示。其主要功能為匯集液壓系統(tǒng)各路回油,供液壓油泵吸油使用。吸油模塊通過支架與結(jié)構(gòu)側(cè)壁板進行連接。油泵A吸油管路3R5A與3R54通過擴口式直通管接頭相連,最終固定于發(fā)動機推力銷安裝所在的框上,中間有2個帶墊卡箍固定導(dǎo)管。油泵B吸油管3R52通過擴口式直角管接頭與結(jié)構(gòu)梁連接。地面吸油管3R57、3R58與地面吸油組件相連,通過支架與結(jié)構(gòu)側(cè)壁板相連,中間有2個卡板固定導(dǎo)管。油箱吸油管3R56與液壓油箱相連。系統(tǒng)吸油管3R55與回油集油接頭相連。
圖2 某型飛機管路吸油模塊管路結(jié)構(gòu)
在實際使用過程中,該吸油模塊與擴口式直角接頭連接處螺紋損壞,接頭脫出,導(dǎo)致液壓系統(tǒng)漏油,報油位低故障,吸油集油模塊如圖3所示??梢娔K共有6個螺紋孔,其中1個螺紋孔的螺紋存在損傷,該螺紋孔與鋼制接頭配合。將損傷的螺紋孔剖開,其螺紋損傷形貌如圖4a所示??梢娐菁y損傷不均勻,一側(cè)損傷嚴重,對稱的另一側(cè)則未見明顯損傷;在損傷嚴重螺紋一側(cè),第一扣螺紋損傷最嚴重,其螺紋基本被磨損,除沿軸向的磨損痕跡外,還可見黑色的磨損產(chǎn)物,同時在螺紋面上還可見因螺紋斷裂形成的凹坑形貌。進一步檢查,接頭螺紋損傷最嚴重的對角位置,其與同一側(cè)
圖3 吸油集油模塊
螺紋磨損程度不相同,該位置的磨損要更嚴重,如圖4b和圖4c所示。
圖4 螺紋損傷宏觀形貌
假設(shè)管道支承的剛度如表1所示??紤]實際飛機結(jié)構(gòu)的支承情況,將支撐分為以下幾類:
(1) 固定支撐,即管道結(jié)構(gòu)與飛機結(jié)構(gòu)或附件之間的固定連接;
(2) 彈性支撐,管道結(jié)構(gòu)與吸油模塊之間的連接;
(3) 排卡:即管道與管道之間的浮卡連接;
(4) 軟卡箍:即在管道中間施加的剛度較弱的卡箍;
(5) 硬卡箍:即在管道中間施加的剛度很強的卡箍。
為了簡化模型,不考慮管道接頭,將管道3R54及3R5A合成一根管道考慮。如圖5所示。其中S1為與吸油模塊相連接的彈性支承,S2為與飛機結(jié)構(gòu)相連接的固定支撐,S3和S4分別為在管道中間施加的兩個軟卡箍,軟卡箍的剛度較弱。固定支撐、彈性支承和軟卡箍的剛度如表1所示。
圖5 管道3R54-3R5A建模
表1 某型飛機管道支承剛度分類及仿真值
管道模態(tài)分析結(jié)果如表2所示。各階振型如圖6所示。從表2和圖6的各階模態(tài)的固有頻率和振型可以看出,第5階固有振動值得注意,其固有頻率為161.97 Hz(對應(yīng)轉(zhuǎn)速9720 r/min),在發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子不平衡引起的轉(zhuǎn)速1倍頻激勵范圍,而其對應(yīng)的振型表現(xiàn)為與吸油模塊相連接的固定支承部位產(chǎn)生沿管軸向(Y向)的振動位移。因此,當與飛機結(jié)構(gòu)相連的固定支撐S2受到發(fā)動機不平衡激勵時,當激勵頻率與該固有頻率接近時,將在管道與吸油模塊相連接的固定支承S1處產(chǎn)生很大的振動位移,導(dǎo)致管道與直角管接頭之間產(chǎn)生很大的作用力,引起接頭產(chǎn)生很大彎矩,從而最終導(dǎo)致吸油集油接頭螺紋疲勞損傷,以及支架的疲勞裂紋破壞。
圖6 管道3R54-3R5A的各階振型
對比其他階的振動模態(tài),其固有頻率基本上不在發(fā)動機不平衡激勵頻率范圍,同時,其振型主要表現(xiàn)為管道中間部分的較大振動,不會在支撐處產(chǎn)生很大的振動,因而不會導(dǎo)致直角管接頭承受很大的彎矩,也因此難以導(dǎo)致吸油集油模塊的接頭螺紋和支架的疲勞破壞。
表2 管道3R54-3R5A的各階振型
如圖7所示。其中S1為與吸油模塊相連接的固定支承,S2為與飛機結(jié)構(gòu)相連接的固定支撐,固定支撐如表1所示。
圖7 管道3R55建模
管道模態(tài)分析結(jié)果如表3所示。各階振型如圖8所示。從表3和圖8的各階模態(tài)的固有頻率和振型可以看出,在吸油模塊相連的連接點S1處,各階振型均具有很大的振型位移,但是其固有頻率均超出了發(fā)動機不平衡激勵頻率范圍,其固有振動不容易被激發(fā)。因此,也不會導(dǎo)致吸油集油模塊的接頭螺紋和支架的疲勞破壞。
表3 管道3R55的各階振型
圖8 管道3R55的各階振型
如圖9所示。其中S2為與吸油模塊相連接的固定支承,S1為與飛機結(jié)構(gòu)相連接的固定支撐,固定支撐如表1所示。
圖9 管道3R52建模
管道模態(tài)分析結(jié)果如表4所示。各階振型如圖10所示。從表4各階模態(tài)固有頻率可以看出,在吸油模塊相連的連接點S2處,各階固有頻率均超出了發(fā)動機不平衡激勵頻率范圍,其固有振動不容易被激發(fā)。因此,也不會導(dǎo)致吸油集油模塊的接頭螺紋和支架的疲勞破壞。
表4 管道3R52的各階振型
如圖11所示。其中S2為與吸油模塊相連接的固定支承,S1為與飛機結(jié)構(gòu)相連接的固定支撐。固定支撐剛度如表1所示。
圖10 管道3R52的各階振型
圖11 管道3R56建模
管道模態(tài)分析結(jié)果如表5所示。各階振型如圖12所示。從表5和圖12的各階模態(tài)的固有頻率和振型可以看出,在吸油模塊相連的連接點S2處,各階振型均具有很大的振型位移,但是其固有頻率為均超出了發(fā)動機不平衡激勵頻率范圍,其固有振動不容易被激發(fā)。因此,也不會導(dǎo)致吸油集油模塊的接頭螺紋和支架的疲勞破壞。
表5 管道3R56的各階振型
圖12 管道3R56的各階振型
1) 管道建模
如圖13所示,在管道3R57上,S2為與吸油模塊相連接的固定支承,S1為與飛機結(jié)構(gòu)相連接的固定支撐,固定支撐如表1所示。
圖13 管道3R57建模
2) 管道模態(tài)分析
管道模態(tài)分析結(jié)果如表6所示,各階振型如圖14所示。從表6和圖14的各階模態(tài)的固有頻率和振型可以看出,在吸油模塊相連的連接點S2處,各階振型均具有很大的振型位移,但是其固有頻率均超出了發(fā)動機不平衡激勵頻率范圍,其固有振動不容易被激發(fā)。因此,也不會導(dǎo)致吸油集油模塊的接頭螺紋和支架的疲勞破壞。
表6 管道3R57的各階振型
圖14 管道3R57的各階振型
如圖15所示,在管道3R58上,S2為與吸油模塊相連接的固定支承,S1為與飛機結(jié)構(gòu)相連接的固定支撐,固定支撐如表1所示。
圖15 管道3R58建模
管道模態(tài)分析結(jié)果如表7所示。各階振型如圖16所示。從表7和圖16的各階模態(tài)的固有頻率和振型可以看出,各階振型均具有很大的振型位移,但是其固有頻率均超出了發(fā)動機不平衡激勵頻率范圍,其固有振動不容易被激發(fā)。因此,也不會導(dǎo)致吸油集油模塊的接頭螺紋和支架的疲勞破壞。
表7 管道3R58的各階振型
圖16 管道3R58的各階振型
通過上述模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)管道3R54-3R5A存在較大的設(shè)計缺陷,是導(dǎo)致吸油模塊故障的根本原因所在。為此,對吸油模塊及其支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了優(yōu)化,將鋁合金吸油模塊更改為鈦合金,吸油模塊的固定支架由鋁合金更改為不銹鋼,加強了吸油模塊及其支架的剛度和強度。即將管道固定支撐S1的三個方向的線剛度均增加為1.0×107N/m,繞3個方向的角剛度均增加為1.0 e5N·m/rad,管路系統(tǒng)的固有頻率和振型如表8和圖17所示。可以看出6階振型不僅避開了發(fā)動機的不平衡激勵頻率,而且固定支撐處的振動均很小,顯然,在發(fā)動機不平衡響應(yīng)引起的簡諧激勵作用下,不會引起管接頭很大的附加動應(yīng)力。
表8 優(yōu)化后管道3R54-3R5A的各階振型
圖17 優(yōu)化后管道3R54-3R5A的各階振型
最后,經(jīng)過裝機驗證表明該型飛機通過改進吸油模塊及其固定支架的結(jié)構(gòu)和材質(zhì),提高了吸油模塊及其支架的剛度和強度,該故障最終得以消除,其改進效果驗證了本研究基于模態(tài)分析的管道故障診斷方法的正確有效性。
本研究針對某型飛機液壓管路吸油模塊管道故障問題,建立了管道有限元動力學(xué)模型,進行了管道模態(tài)仿真分析,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致管道出現(xiàn)故障的危險模態(tài),最后,基于模態(tài)分析方法,為了有效地避免該階模態(tài)的出現(xiàn),提出了提高吸油模塊和支架的剛度的改進措施。實際的飛機管路系統(tǒng)的改進效果表明了本研究分析方法的正確性。