液壓系統(tǒng)關(guān)鍵部件性能退化分析

序論：好文章的創(chuàng)作是一個(gè)不斷探索和完善的過(guò)程，我們?yōu)槟扑]一篇液壓系統(tǒng)關(guān)鍵部件性能退化分析范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來(lái)更深刻的閱讀感受。

引言:飛機(jī)液壓系統(tǒng)雖然并非飛機(jī)最具特色的一個(gè)功能系統(tǒng)，但卻是所有飛機(jī)必不可少的組成部分。飛機(jī)液壓系統(tǒng)相對(duì)于其他系統(tǒng)而言工作更可靠、冗余度更高、工作時(shí)間更長(zhǎng)，一旦飛機(jī)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，其危害性是巨大的。作為目前國(guó)內(nèi)外航空液壓系統(tǒng)中狀態(tài)維修與自主式保證的核心技術(shù)，在軍民兩用方面，PHM技術(shù)的發(fā)展前景十分廣闊，其突出優(yōu)勢(shì)包括可靠、保障、安全、降低費(fèi)用等[1]。作為飛機(jī)液壓系統(tǒng)中重要的動(dòng)力元件，液壓泵主要為飛機(jī)液壓系統(tǒng)提供壓力，為飛機(jī)提供高壓液壓油，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響系統(tǒng)工作的可靠性，在飛機(jī)起飛、操縱、著陸過(guò)程中起著十分重要的作用，其性能的優(yōu)劣以及可靠程度直接影響整個(gè)液壓系統(tǒng)的工作效率和可靠性，也會(huì)影響到其他元件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空液壓泵80%以上的故障是由磨損污染造成的[2]，液壓泵在工作時(shí)，各配對(duì)摩擦副存在高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)并由此產(chǎn)生磨損。磨損隨工作時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸積累，當(dāng)累積到一定程度時(shí)，潤(rùn)滑油膜的建立趨于不穩(wěn)定，泵內(nèi)泄漏量逐漸增大，最終導(dǎo)致泵出口流量和容積效率降低，不能滿足使用要求。因此，選取液壓泵為飛機(jī)液壓系統(tǒng)的典型部件進(jìn)行研究。

1液壓泵缸體性能退化模型

缸孔柱塞副是柱塞表面與缸孔內(nèi)表面之間所構(gòu)成的一對(duì)摩擦副。它首先要起到密封的作用，保證缸孔中的壓力介質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的泄漏；同時(shí)又要能承受一定的徑向分力，并保證柱塞能在缸孔中自由往復(fù)運(yùn)動(dòng)。缸體孔和柱塞的摩擦副配合間隙間有高壓油液流入，起到一定的潤(rùn)滑效果，避免產(chǎn)生干摩擦。同時(shí)，隨著工作時(shí)間的增長(zhǎng)，柱塞和缸體之間在摩擦力與接觸應(yīng)力的作用下，缸體柱塞孔直徑增大，并且柱塞也會(huì)受到不同程度的磨損，長(zhǎng)時(shí)間工作后極易發(fā)生失效甚至損壞[3]。由于摩擦副可能長(zhǎng)期處于干摩擦狀態(tài)，因此在相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的情況下，摩擦副表面溫度升高和直接接觸很容易導(dǎo)致黏著磨損。這時(shí)便產(chǎn)生了由磨損造成的摩擦副配合間隙增大，油液經(jīng)過(guò)此縫隙節(jié)流口發(fā)生泄漏，使回油流量增大，性能逐漸衰降。柱塞與缸體柱塞孔磨損導(dǎo)致的性能退化建模步驟為：磨損機(jī)理分析、微凸體載荷計(jì)算、磨損系數(shù)計(jì)算、磨損壽命計(jì)算。

1.1磨損機(jī)理分析

黏著磨損通常發(fā)生在接觸物體有相同或相近的硬度時(shí)，缸體孔的硬度略低于柱塞，故視其磨損機(jī)理為黏著磨損。結(jié)合Archard黏著磨損模型[4]分別計(jì)算微凸體載荷、磨損體積、磨損行程以及磨損系數(shù)，并最終求得液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中缸體磨損深度(或磨損量)隨時(shí)間的關(guān)系，為研究航空液壓泵產(chǎn)品由磨損導(dǎo)致的回油量增加問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

1.2微凸體載荷計(jì)算

由于柱塞和缸體孔之間為間隙配合方式，在液壓泵工作過(guò)程中柱塞與缸體孔之間存在油膜，并未直接接觸，故其法向接觸載荷為微凸體載荷Wa。Wa為處于彈性狀態(tài)的微凸體所承受的載荷We與處于塑性狀態(tài)的微凸體所承受的載荷Wp之和[5]：Wa=We+Wp=43nAE′R1/2h+δph∫φ(z)(z-h)3/2dz+(1)式中：n為柱塞和缸體孔單位面積上粗糙表面的微凸體數(shù)量；A為名義接觸面積；E′為柱塞和缸體孔等效彈性粗糙表面的當(dāng)量彈性模量；R為粗糙峰的曲率半徑；h為柱塞和缸體孔配合間隙；δp為微凸體發(fā)生塑性變形的輪廓高度臨界值；z為柱塞和缸體孔表面輪廓高度；H為缸體硬度。Gauss分布中，靠近z值較大的部分近似于指數(shù)型分布，此處取φ(z)=e-z/σ，代入式(1)得：

1.3磨損系數(shù)計(jì)算

對(duì)于黏著磨損，磨損系數(shù)Kadh與摩擦系數(shù)f之間有如下關(guān)系：lgKadh=5lgf-2.27(4)某航空液壓柱塞與缸體孔磨損系數(shù)Kadh計(jì)算結(jié)果為：Kadh=1.68×10-4。

1.4磨損壽命計(jì)算

運(yùn)用Archard黏著磨損模型計(jì)算磨損體積V，如式(5)所示：V=KadhWaHLw=2KadhWaHNl(5)式中：V為磨損體積(磨損量)；Kadh為黏著磨損系數(shù)；Wa為運(yùn)動(dòng)副間法向載荷；H為材料(軟)布氏硬度；Lw為磨損行程；N為缸體柱塞孔磨損壽命(循環(huán)次數(shù))；l為單次磨損行程(相對(duì)滑移距離)。將柱塞和缸體柱塞孔兩個(gè)粗糙表面的接觸等效轉(zhuǎn)化為一個(gè)缸體光滑表面與一個(gè)彈性粗糙表面的接觸。將柱塞視為等效光滑剛體，缸體柱塞孔視為等效粗糙彈性體，則缸體孔磨損體積與磨損深度間的關(guān)系如式(6)所示：h′=VA=V2πrlw(6)式中：h′為磨損深度；A為磨損面積；r為缸體孔內(nèi)徑；lw為磨損距離。聯(lián)立式(5)和式(6)可得循環(huán)N次的磨損深度hw，如式(7)所示。hw=KadhWalHπrlwN(7)柱塞和柱塞孔這對(duì)摩擦副的磨損對(duì)泄漏的影響可看作流經(jīng)同心圓柱環(huán)形間隙的流量，已知圓柱直徑為d，縫隙值為h，縫隙長(zhǎng)度為l。當(dāng)h/r?1，可將環(huán)形縫隙沿圓周方向展開(kāi)，相當(dāng)于一個(gè)平行平板縫隙。因此只要將縫隙寬度b=πd代入平行平板縫隙流量公式，就可得出內(nèi)外表面之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的同心環(huán)形縫隙流量，如式(8)所示：q=πdh3Δp12μl±πdhu02(8)式中：q為同心圓柱環(huán)形間隙流量；d為柱塞直徑；h為柱塞與柱塞孔間隙大小；Δp為縫隙兩端壓差；u0為運(yùn)動(dòng)相對(duì)速度；μ為油液動(dòng)力粘度；l為縫隙長(zhǎng)度。當(dāng)圓柱體移動(dòng)方向和壓差方向相同時(shí)取正號(hào)，相反時(shí)取負(fù)號(hào)。考慮柱塞運(yùn)動(dòng)整個(gè)行程，也就是一個(gè)吸排油周期內(nèi)，速度的正負(fù)變化使得它本身對(duì)泄漏量的影響相互抵消。故可用式(9)來(lái)計(jì)算一個(gè)柱塞磨損后造成的泄漏量：q′=πd（h0+hw）312μlwΔp(9)式中：h0為油膜厚度。通過(guò)Simulink建立由缸體柱塞孔磨損造成的液壓泵性能退化模型，如圖1和圖2所示，hwear為缸體柱塞孔磨損深度，Vwear為磨損量(磨損體積)。Qleak1為缸體柱塞孔磨損內(nèi)泄漏子模塊，通過(guò)對(duì)泄漏子模塊計(jì)算可以得到隨時(shí)間變化的柱塞與柱塞缸體孔之間泄漏流量.

2液壓泵缸體性能退化仿真結(jié)果

利用Simulink所建的飛機(jī)液壓系統(tǒng)柱塞泵—缸體柱塞孔性能退化模型進(jìn)行仿真，每隔360000s數(shù)據(jù)記錄一次，即為實(shí)際飛行中每100h記錄1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直至最終仿真結(jié)束。隨著時(shí)間的增加，液壓泵缸體柱塞孔磨損深度在不斷增加，即磨損量不斷增加。由磨損導(dǎo)致的柱塞和缸體柱塞孔之間的泄漏不斷增大。當(dāng)缸體柱塞孔磨損深度達(dá)到0.04mm，內(nèi)泄漏流量達(dá)到2.38L/min時(shí)，評(píng)定液壓泵已不可用，液壓系統(tǒng)故障，可得到磨損壽命為15376h。最后，將Simulink中仿真得到的退化數(shù)據(jù)導(dǎo)入AMESim泄漏模塊中，得到由缸體磨損退化造成泄漏量隨時(shí)間的變化如圖3所示。

3結(jié)語(yǔ)

本文首先闡述了飛機(jī)液壓系統(tǒng)典型部件———液壓泵的故障模式及失效機(jī)理，分析了飛機(jī)液壓系統(tǒng)性能退化原理。其次，構(gòu)建了液壓泵及整個(gè)液壓系統(tǒng)的性能退化數(shù)學(xué)模型。最后，利用AMESim和Simulink工具箱共同仿真了飛機(jī)液壓系統(tǒng)性能衰退過(guò)程并進(jìn)行結(jié)果分析，得出因典型部件磨損失效造成的液壓系統(tǒng)性能衰退的結(jié)果，為液壓系統(tǒng)故障與壽命預(yù)測(cè)研究打下了基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]杜志興.航空機(jī)電產(chǎn)品故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2014，11(16)：164.

[2]葛薇，王少萍.航空液壓泵磨損狀況預(yù)測(cè)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37(11)：1410-1414.

[3]孫毅.軸向柱塞泵滑靴及其偶件的潤(rùn)滑與功率損失的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

作者:胡曉青 張?chǎng)?邢亮 單位:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院