飞机构造基础第3章飞机液压系统

《飞机构造学》主讲教师:ZHANG第3章液压系统液压系统的力密度大、能以很小的设备输出、传递很大的力或力矩，宜于实现大吨位运动。随着生产技术的进步，液压系统中实际使用的压力级已从原来10Mpa左右提高到35Mpa左右，因而该优点就更为出，在同等功率下，液压设备的重量尺寸仅为直流电机的10%-20%左右。因其体积小，重量轻，因而惯性力小，反映速度快、准、稳。现代机械工程及自动控制中，对直线运动的实施要求愈益多，这将造成机械构件传动的困难。反之，液压传动中通过液压油缸则可以便利，完满地得到实现，这也是液压传动的重大特点之一。液压系统能在较大范围内方便地实现无极调速，且低速性能好，工作平稳，还易实现间断和连续运动及频繁换向，冲击及震动现象可以很好的得到消减。液压传动是封闭式的，易实行过载保护，组成的元、部件基本上可由工作介质自行润滑，磨损慢、寿命长，液压元件体积小、重量轻、三化程度高，便于集中大批量生产，因此制造成本低，经济性较好。现代液压传动中采用节流、比例控制等方法可使运动机构的速度进一步均匀、稳定、使用伺服、仿形、调速等机构可使执行件的运动精确度达到微米（UM）级，采用微电子、计算机等装置可十分方便、可靠地实现自动控制、远程控制及遥控,当然，液压技术也存在传动效率较低，制造工艺技术要求较高，安装、使用、维修技术要求较高，液压油易泄漏并会污染环境等众所周知的缺点，但这些缺点与其优点相比是次要的，并正在不断被克服。现代航空工业中更离不开液压系统，各种飞机的方向舵和升降舵依靠各自的舵机液压缸——“作动筒”，使其偏转而产生控制力和控制力矩。其实，飞机中还有很多部分如副翼、水平飞行稳定板等舵机电液伺服动态控制以及发动机供油控制，进气锥收放回路，尾喷管控制系统，前轮转弯控制，起落架收放等系统中均离不开液压系统。液压系统是飞机的重要组成系统，它给飞机操纵系统提供操纵动力，因此必须保证液压系统的可靠工作。现在飞机大都采用多余度设计。有2套或3套甚至更多套独立的系统，并且系统间可以相互转换，以保证飞机液压系统的可靠工作。而且大多飞机设计有辅助系统，以保证在应急情况下一些主要操作系统可以工作，保证飞机安全落地。B737-700飞机液压系统包括主系统和辅助系统。主系统由A、B两个独立系统组成，辅助系统包括备用系统和动力转换组件（PTU）。不仅是航空领域离不开液压系统，航天领域也离不开液压系统现在人类设计研制航天飞机的主要目的和用途：一是将航天飞机携带上天的人造卫星从货舱里取出，放入太空轨道；二是捕捉太空中已方发生故障的人造卫星进行修理；三是俘获太空中敌人国家的间谍卫星，将其抓入货舱，带回地球。执行这些极为特殊的任务，是由轻质管形结构的伸缩式和摆动迥转式液压缸为主构成的——长度15..3m的机械臂，它能像人的胳臂一样，有肩、肘、腕关节等的作用，宇航员打开货舱以后，能遥控该机械臂（手）作弯由、伸展、上下、前后、左右等各种活动。它自身重量在400kg左右，但在太空中失重状态下，能随心所欲地将重300kN（约30t）以上，如公共汽车般大小的人造卫星，在货舱内外放进、放出。这是目前世界上仅有的“哥伦比亚号”、“挑战者号”、“发现号”等几架航天飞机中的必务主执行装备。安装在机身货舱左侧，造价达1亿多美元。1993年12月5日（北京时间）凌晨，美国“奋进号”航天飞机在地球上空2.8万公里的环球轨道中,利用机械臂,顺利地将2m直径、14m长度的哈勃太空望远镜，放入货舱后，成功地进行了抢修。回顾液压传动理论和液压技术发展的历史，人们对“液压”从发现在认识、到研究、到实际应用，到深入发展和广泛普及、到当今在航空领域中层现身手，经历了一个漫长的时期。液压的发展史及应用公元前200多年，阿基米德（Archimedes,约公元前287—约公元前212年）发现物体在水中所减少的重量等于该物体所排开的水的重量这一奥秘时，实际上已恨现了存在液体静压力作用这一事实。公元1600年左右，荷兰人史蒂纳斯（Stevinus），研究指出：液体静压力随液体的深度而变化，与容器的形状玩关。此时，相距阿基米德已有1800多年17世纪、18世纪是液压理论奠基性发展的历史时期：17世纪初，意大利物理学托理塞勒（Torricelli）1608-1647年研究了流体的动动；随后，液压理论取得了关键性的突破进展、法国物理学家、数学家帕斯卡·布利斯（Pasca;LBLaise1623年）确立了“在密封容器内，流体压力沿各个方向等值传递“的静压传递原理，它已成为举世公认的直接指导液压传动技术的现论基础。17世纪末期著名科学家、英车伊萨克牛顿（IsaacNeweon1643rh-1727rh）对流体的粘度以及浸入运动流体中物体所受的阻力进行了研究。其中剪切速率的概念，是现代流体动力润滑理论的基础。18世纪中叶，瑞士伯努利数学家族中的巨星伯努利·丹尼尔（BernoulliDaniel1770年-1782年）发表了研究流体动力学和气体力学的重要文献—《流动动力学》，提出了用流束传递能量的理论，得出了理想液体常态运动文程即著名的伯努利方程。1795年，英国伦敦的约瑟夫·布拉默（JosephBramah1749年—1814年）根据帕斯卡原理——在大小两个不同直径缸筒的密封连通器中，大面积上能够产生放大压力的作用力，在制造工艺上，由于往复运动于液压缸中的牛皮材质的碗形密封件的研制成功，因此，创造了世界上第一台水压机——棉花、羊毛液压打包机。在该水压机的液压传动系统中，第一次依靠简单的液压缸实现了对工作对象施力做功，成功地完成了上述物资的压缩打包任务，理想地代替了人类繁重、低效的劳动，并取得了令人欣喜的综合经济效益，液压技术从此才雄辩地向全世界展示、证实了自身在工业生产中的实际应用价值。帕斯卡原理(静压传递原理)见书上49页图3-1液压系统的传动原理见书上49页图3-2压力取决于负载速度取决于流量液压传动功率液压油对活塞做的功A=F×SF—液压作用在活塞上的力S—活塞移动的距离液压油在单位时间对活塞做的功即液压传动功率N=A/t=FS/t=Fv=Pfv=PQ即N=PQP—液压系统的工作压力Q—流量，单位时间内流入作动筒的液压油体积液压系统的组成液压传动系统一般均由四类元件组成动力元件——液压泵（将机械能转换成液压能）执行元件——液压作动筒（液压缸）和液压马达（将液压能转换成机械能）控制元件——诸如各种液压阀；（调节各个部分液体的压力、流量和方向）辅助元件——油箱、管道、蓄能器等。液压传动基本规律•力＝压力×面积Ｆ＝Ｐ×Ａ•速度＝流量／面积Ｖ＝Ｑ／Ａ•功率＝力×速度＝压力×流量Ｗ＝Ｆ×Ｖ＝Ｐ×ＱPSI是压力单位，为英磅/平方英寸145PSI=1MPa（Poundspersquareinch）液压传动系统•利用密闭管路内不可压缩液体流动传递压力和功率；•并按控制将压力能转变为机械能做功传动部件；•使部件运动与操纵相对应的回路系统。基本液压系统液压传动基本原理•供压部分–提供符合需要的液压•控制部分–控制液压油液通断－决定部件运动与否–流动方向－决定部件运动方向–压力大小－决定部件作用力的大小–流量大小－决定部件运动快慢•传动部分–将液压能转换为机械能输出对飞机液压系统的要求•具有足够的输出功率；•良好的动态性能；•受环境影响小；•驾驶员能监控系统的工作状态；•系统可靠性高；•重量轻、体积小，耗能少，寿命长；•使用维护方便。飞机液压传动部件•单源系统–一般只用于收放起落架；–有的飞机还供压收放襟翼。飞机液压传动部件•多源系统–同时用于多个系统，如起落架收放、前轮转弯、飞行操纵系统等。液压油的主要性质液压系统中一般使用矿物油作为工作介质，它的基本性质可在有关资料中查到，如矿物油在15℃时的密度为900kg/m3。液压油最重要的性质为粘性和可压缩性。2020/4/4飞机液压传动介质1.液体的粘性液体在外力的作用下流动时，由于液体分子间内聚力（称为内摩擦力）的作用，而产生阻止液层间的相对滑动，液体的这种性质称为粘性。粘性的大小用粘度来表示，常用的粘度有三种；动力粘度运动粘度相对粘度2020/4/41）动力粘度µ它是表示液体粘性的内摩擦系数，由实验得出，流动液体液层间的内摩擦力的大小与液层间的接触面积、液体的动力粘度µ、液层间相对速度成正比，而与液层间的相对距离成反比。即动力粘度越大，流动的液体内摩擦力也越大。2020/4/42）运动粘度动力粘度与该液体密度的比值称为运动粘度，即υ=µ/ρ。在SI中运动粘度的单位为m2/s。液压油的牌号就是以40℃时的运动粘度（mm2/s）平均值来标号的。例如，L-HL32普通液压油在40℃时的运动粘度的平均值为32mm2/s2020/4/43)粘度与温度和压力的关系：液压油的粘度对温度变化十分敏感，温度升高，粘度将显著降低。液压油的粘度随温度变化的性质称为粘温特性，不同种类的液压油具有不同的粘温特性。2020/4/4粘温特性2020/4/4液体的压缩性液体受到压力作用后其容积发生变化的性质，称为液体的可压缩性。液体所受压力增大时，其分子间距离减小，内聚力增大，粘度也随之增大。但在一般的中、低压系统中，液压油的粘度受压力变化的影响甚微，可忽略不计。2020/4/4液压油的选用选用液压油时，一般根据液压元件产品样本和说明书所推荐的工作介质来选。或者根据液压系统的工作条件（系统压力、运动速度、工作温度）和环境条件等全面考虑。通常是先确定粘度范围，再选择液压油品种。2020/4/4如何选择液压油品种。在低温条件下工作的系统宜选用粘度较低的油液，高压系统则选用抗磨性好的油液。当系统的工作压力较高、环境温度较高、工作部件运动速度较低时，为了减少系统的泄漏量，宜选用粘度较高的液压油。工作压力较低、环境温度较低，运动速度较高时，为了系统的功率损失，宜用粘度较低的液压油2020/4/4飞机液压传动介质•液压油的分类–植物基液压油•绿色•酒精和蓖麻油的混合物•用于早期飞机飞机液压传动介质•液压油的分类–矿物基（石油基）液压油•红色•加入抗氧化、耐高温添加剂的石油提炼物•应用广泛，性能好，成本低。飞机液压传动介质•液压油的分类–磷酸酯基液压油•紫色•人工合成液压油•防火性能特别好、耐低温、低腐蚀。•用于现代高性能飞机，成本较高。液压油的分类使用液压油的注意事项•三种液压油的物理特性不一样•三种液压油的化学特性不一样•三种液压油对应液压系统使用材料不一样，特别是密封材料不一样•三种液压油不能混用或代用液压油的工作特性•压力损失–油液流动时由于粘性或速度变化引起的传递油液压力降低。液压油的工作特性•泄流损失–因传动管路外漏或内漏造成的工作油量不足。•外漏：–油液漏到系统之外»导致系统有用流量减小和系统油量损失•内漏：–油液从系统高压侧向系统低压侧泄漏»有用流量减小液压油的工作特性•气穴、气塞–气穴•系统低压区（如液压泵进口）油液沸腾或溶解的气体析出产生气泡的现象。–气塞•气穴严重时导致供油流量显著下降、断断续续甚至基本中断。液压油的工作特性•液压撞击–传动管路气塞或控制活门突然开、关时导致系统内产生大幅度高频率压力波动的现象。液压油特性要求•粘性适中且变化小•闪点与燃点高•凝固点低•热膨胀性小•化学稳定性好•腐蚀性低液压系统组成•供压–油箱、液压泵、油滤、蓄压器等•传动–动作筒、液压助力器、液压马达等•控制–方向控制活门、压力控制活门、流量控制活门液压油箱液压油箱液压油箱液压油箱•功用–储藏油液和供应油液，补偿系统油液热胀冷缩、油量需求变化、油量消耗和损失•油箱通气（低空飞行的飞机）–保证供油可靠性•油箱增压（高空飞行飞机和大型飞机）–保证供油可靠性，防止气塞齿轮泵齿轮泵•属于定量泵•简单可靠•用于–简单液压系统–滑油系统–发动机燃油系统柱塞泵柱塞泵•属于变量泵，能根据需要自动改变流量满足系统需要。•自动保证输出压力基本不变。•广泛用于大型客机液压系统。手摇泵液压泵驱动动力•发动机驱动泵EDP•电动机驱动泵EMDP•冲压空气涡轮RAT•动力转换组件PTU•手摇泵液压油滤液压油滤的功用•滤除杂质（5~10微米