羅鵬程

（航空工業(yè)飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙410200）

航空液壓元件及系統(tǒng)的集成化輕量化設(shè)計(jì)可降低設(shè)備自重、減小原動(dòng)機(jī)功率需求，從而有效提高裝備的機(jī)動(dòng)性能、續(xù)航能力和人員物資的搭載能力，同時(shí)還具有節(jié)能減排、綠色制造等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)[1]，飛機(jī)重量每減輕1%，其性能將提高3%～5%，且能耗和運(yùn)營(yíng)成本將顯著降低。大型移動(dòng)高端裝備的集成輕量化設(shè)計(jì)反映了國(guó)家工業(yè)技術(shù)水平，是大國(guó)重器的重要體現(xiàn)。

目前液壓控制閥的集成化輕量化已完成了“少管化”“無(wú)管化”及“去（單個(gè)元件）閥體化”“去（安裝面用的）油路塊化”的發(fā)展歷程，進(jìn)一步集成技術(shù)主要體現(xiàn)在下述方面：

（1）液壓元件結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步融合

在液壓元件或液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以將元件或系統(tǒng)中多個(gè)零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行融合，從而減少零件個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊化、集成化。

（2）液壓元件功能的進(jìn)一步復(fù)合

在液壓元件或液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以將元件或系統(tǒng)中某一零件的功能與其它零件功能進(jìn)行復(fù)合，從而減少零件個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊化、集成化。

本文結(jié)合TRIZ理論就液壓控制閥組的集成化輕量化關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步探討，期望為航空液壓元件及系統(tǒng)的集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供可行研發(fā)路徑。

1 TRIZ的矛盾動(dòng)力理論和分析方法

TRIZ理論認(rèn)為矛盾存在于技術(shù)系統(tǒng)并為技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展提供根本動(dòng)力，技術(shù)矛盾的分析、識(shí)別和解決就是創(chuàng)新發(fā)明的三部曲[2]。技術(shù)矛盾是指技術(shù)系統(tǒng)中某一參數(shù)（或特性）得到改善的同時(shí)，將導(dǎo)致另一參數(shù)（或特性）發(fā)生惡化而產(chǎn)生的矛盾。TRIZ理論將導(dǎo)致技術(shù)矛盾的因素歸納為39個(gè)通用工程參數(shù)，并提供了40條問(wèn)題解決的發(fā)明原理，上述工程參數(shù)和發(fā)明原理構(gòu)成了阿奇舒勒矛盾矩陣表，其分析的基本方法步驟為：首先，對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析、整理、轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題模型；其次，把存在的技術(shù)矛盾用標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)表示，并確定預(yù)改善的參數(shù)和被惡化的參數(shù)；然后根據(jù)確定的參數(shù)從矛盾矩陣表中查找推薦的發(fā)明原理，再經(jīng)分析、遴選出有益的發(fā)明原理，最后，根據(jù)發(fā)明原理和相關(guān)知識(shí)確定解決方案。

2 航空液壓控制閥組集成化輕量化技術(shù)矛盾分析

目前液壓控制閥已完成了“少管化”“無(wú)管化”及“去（單個(gè)元件）閥體化”“去（安裝面用的）油路塊化”的發(fā)展歷程，液壓控制閥的安裝結(jié)構(gòu)發(fā)展出了管式、板式、疊加式、插裝式等多種型式。進(jìn)一步的緊湊化高集成度和輕量化設(shè)計(jì)可減小控制閥組體積重量、降低元件聯(lián)接的復(fù)雜性、改善可維修性、減少泄漏風(fēng)險(xiǎn)、提高可靠性，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)元件強(qiáng)度、應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等性能的惡化問(wèn)題，其構(gòu)成的矛盾矩陣如表1所示。表1中數(shù)字分別對(duì)應(yīng)39個(gè)通用工程參數(shù)序號(hào)和40個(gè)發(fā)明原理編號(hào)。

表1 技術(shù)矛盾矩陣分析表

表1中推薦24條發(fā)明原理來(lái)解決相應(yīng)的技術(shù)矛盾，但并不是所有方法均對(duì)問(wèn)題解決有幫助，經(jīng)過(guò)分析和比較，發(fā)現(xiàn)第1條“分割原理”、第5條“組合原理”、第24條“借助中介物原理”和第40條“復(fù)合材料”可用于航空液壓控制閥組集成化輕量化設(shè)計(jì)。

3 航空液壓控制閥組集成化輕量化創(chuàng)新設(shè)計(jì)路徑

3.1 分割發(fā)明原理

分割原理是將一個(gè)物體分成相互獨(dú)立的部分，提高物體的可分性或易組裝性。該原理可用于液壓控制閥結(jié)構(gòu)融合設(shè)計(jì)，提高元件的集成緊湊性。

在液壓控制閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可將分割的相互獨(dú)立的多個(gè)零件重新組裝，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)融合，從而減少零件個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊化、集成化。例如傳統(tǒng)一個(gè)單向閥和一個(gè)阻尼孔構(gòu)成的單向節(jié)流回路中將單向閥的閥座與阻尼孔融合；一個(gè)單向閥和一個(gè)溢流閥構(gòu)成安全保護(hù)和低壓補(bǔ)油功能的回路中將單向閥的閥體與溢流閥的閥芯融合，可以在實(shí)現(xiàn)其各自功能的基礎(chǔ)上將兩個(gè)閥在結(jié)構(gòu)上高度融合從而實(shí)現(xiàn)緊湊化設(shè)計(jì)，如圖 1（a）、（b）所示[3，4]。

3.2 組合發(fā)明原理

組合原理指在時(shí)空上將相近物體或操作加以組合或連續(xù)并列進(jìn)行。

在液壓控制閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可將相互獨(dú)立的某一零件的功能與其它零件功能進(jìn)行復(fù)合，從而減少零件個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊化、集成化。例如在液壓閥芯運(yùn)動(dòng)阻尼方案設(shè)計(jì)中，可將閥芯與阻尼器中阻尼頭設(shè)計(jì)成一個(gè)零件，實(shí)現(xiàn)功能復(fù)合，減少零件個(gè)數(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好工藝性，如圖2所示。

圖1 液壓控制閥結(jié)構(gòu)融合

圖2 液壓元件功能復(fù)合

3.3 借助中介物發(fā)明原理

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法采用的是基于強(qiáng)度理論的集中參數(shù)法，安全系數(shù)大，設(shè)計(jì)趨于保守，造成系統(tǒng)體積重量大。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法為分布式參數(shù)法，可得到整個(gè)流場(chǎng)的參數(shù)分布或彈塑體應(yīng)力場(chǎng)分布，有利于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化改進(jìn)和優(yōu)化，借助CAD輔助設(shè)計(jì)手段這一中介物可發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)、新原理[5，6]。

如圖3所示，借助CFD計(jì)算和有限元分析，可得到閥口流場(chǎng)參數(shù)和閥體應(yīng)力的分布狀況，為液壓閥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化提供理論支撐。

圖3 液壓控制閥計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

3.4 復(fù)合材料

復(fù)合材料原理可理解為新材料新工藝在液壓控制閥集成化輕量化上應(yīng)用。

（1）先進(jìn)材料

一般要求在滿足液壓控制閥功能及技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，利用輕質(zhì)高強(qiáng)度材料替代傳統(tǒng)鋼制材料可有效減輕元件和系統(tǒng)的總重量，同時(shí)考慮到液壓控制閥環(huán)境適應(yīng)性及目前與之配套的的熱處理和表面處理工藝等要求，如安裝在陸機(jī)飛機(jī)駕駛艙內(nèi)部的液壓控制用閥一般采用鋁合金、水陸兩棲飛機(jī)等為適應(yīng)海洋環(huán)境一般采用鈦合金或碳纖維增強(qiáng)塑料作為液壓控制閥外殼等，表2為幾種輕質(zhì)材料物理力學(xué)性能對(duì)比表。

表2 幾種輕質(zhì)材料物理力學(xué)性能對(duì)比

（2）先進(jìn)制造工藝

采用3D打印增材制造技術(shù)用于產(chǎn)品創(chuàng)新及輕量化設(shè)計(jì)。3D打印技術(shù)[7]是一種以三維CAD模型文件為基礎(chǔ)，應(yīng)用粉狀、絲狀或片狀等材料，通過(guò)“分層制造，逐層疊加”的方式來(lái)構(gòu)造三維物體的技術(shù)。目前應(yīng)用比較廣泛的3D打印成型工藝技術(shù)有：激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）、直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、立體光固化成型（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、分層物體制造（LOM）等。3D打印可成型材料涵蓋鋁合金、不銹鋼、高強(qiáng)鋼、模具鋼、鈦合金、高溫合金等多個(gè)種類，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、工業(yè)模具、船舶、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，特別適合于產(chǎn)品研發(fā)試制，加速產(chǎn)品迭代過(guò)程。表3為常見兩種輕質(zhì)材料3D打印成型零件與鍛造、鑄造的力學(xué)性能對(duì)比表[8]。

表3 輕質(zhì)材料3D打印成型零件與鍛造、鑄造的力學(xué)性能對(duì)比

利用3D打印增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)液壓控制閥流線型復(fù)雜內(nèi)部流道成型，流動(dòng)能耗損失小，無(wú)污染產(chǎn)生，是集成輕量化設(shè)計(jì)的新工藝。圖4為意大利Aidro液壓公司在2017年3D打印成型的一種液壓控制閥，重量減輕了35%[9]，空客公司于2017年3月30日在A380飛機(jī)上使用了首個(gè)3D打印液壓件試飛成功，預(yù)示3D打印技術(shù)在航空工業(yè)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

圖43 D打印制造的液壓閥

4 結(jié)語(yǔ)

移動(dòng)裝備液壓元件與系統(tǒng)集成輕量化技術(shù)是液壓的“卡脖子”技術(shù)之一，受到國(guó)家工信部、科技部等相關(guān)部門高度重視。國(guó)家在2018重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“制造基礎(chǔ)技術(shù)與關(guān)鍵部件”重點(diǎn)專項(xiàng)中專門設(shè)立了基礎(chǔ)前沿類“液壓元件與系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)制造新方法”專項(xiàng)指南以引導(dǎo)鼓勵(lì)從事液壓集成輕量化技術(shù)的研究。本文基于TRIZ理論，利用矛盾動(dòng)力分析方法，結(jié)合相應(yīng)發(fā)明原理，通過(guò)實(shí)際案例指出元件結(jié)構(gòu)融合、功能復(fù)合、計(jì)算機(jī)輔助先進(jìn)設(shè)計(jì)方法及新材料、新工藝是實(shí)現(xiàn)集成輕量化設(shè)計(jì)的有效路徑。