一种活塞式蓄压器压力传递灵敏度计算方法

技术领域

本发明属于蓄压器技术领域，具体是指一种活塞式蓄压器压力传递灵敏度计算方法。

背景技术

作为飞机液压系统重要附件之一的蓄压器，由于其在系统中的重要作用而被广泛应用，其主要功用包括储存能量、吸收脉动压力、吸收冲击压力、获得液压系统动态稳定性，具体的可概括为下述几个方面：

储存能量：系统中的负载不工作时，蓄压器可将液压泵输出的一部分或全部液压能储存起来。当系统需要能量时，蓄压器又可将储存的能量重新放出，短时间内可以放出大量的具有一定压力的液压油，补充峰值流量。如安装于飞机飞控系统作动器前的蓄压器。

吸收压力脉动：液压泵输出的脉动流量与负载及流阻耦合形成压力脉动。为减小压力脉动值，液压系统液压泵出口均安装有吸收压力脉动的蓄压器，以提高液压系统稳定性和附件寿命。

吸收冲击压力：液压系统中的载荷突变(突然变大或变小)都会使液压系统压力产生突变，影响系统稳定严重时甚至造成管路破裂、气穴磨损等严重后果。因此，液压泵吸油口、动作筒前均装有蓄压器，用于吸收正冲击或补充负冲击压力。

飞机液压系统中安装的蓄压器分别称为系统蓄压器、应急刹车蓄压器和油箱增压蓄压器。其主要功用可以描述如下：

系统蓄压器：用于补充因飞控系统作动器或其它液压用户如起落架收放、襟翼收放、减速板放出等快速运动而产生的瞬间大流量需求，以保证运动的连续性与平稳性，同时利于提高作动部件的寿命。

应急刹车蓄压器：用于机上正常液压能源失效后的应急刹车，以提高飞机着陆的安全性。

油箱增压蓄压器：用于确保液压泵吸油口压力，阻止气穴的形成，从而保证系统正常工作和液压泵寿命。

从以上蓄压器在液压系统中的作用以及飞机液压系统蓄压器功能分析可以看出，蓄压器不仅应具有满足系统要求表现为气腔压力和气腔容积的势能，而且必须具有释放气腔势能和吸收系统动能的动态性能，既就是蓄压器压力传递灵敏度。

蓄压器的类型主要有重力式、弹簧式和气压式三种。重力式蓄压器和弹簧式蓄压器虽然结构简单、加工方便，但因容积小且存在重量、体积和安装问题等缺点，已不在现代飞机液压系统中使用，气压式蓄压器根据其不同的结构形式分为气瓶式、活塞式和胶囊式三种。气瓶式蓄压器由于气体与液体直接接触，容易使气体溶解于液体中或使气体进入液压系统中，影响液压系统工作，飞机液压系统一般不采用，气囊式蓄压器存在寿命短、制造工艺复杂以及安装固定困难等问题，现代飞机上已逐步淘汰而普遍采用活塞式蓄压器，活塞式蓄压器因活塞运动惯量、阻尼和摩擦力等影响，其压力传递灵敏度相对于气囊式蓄压器要差，但其结构简单、体积小、重量轻、安装容易的优点而普遍使用。本发明提供了解决活塞式蓄压器压力传递灵敏度低这一问题的理论依据与工程指导。

活塞式蓄压器压力传递灵敏度是一个隐形动态性能，其对液压系统及其负载部件的作用如果不专门研究，其作用效果短期内看不出来，除非系统出现严重的不稳定或损坏。以往蓄压器设计、制造和维修部门，技术人员重点考虑的是气腔压力与气腔容积等静态指标的确定，以及完好的密封性设计。对其动态性能(压力传递灵敏度)是否与液压系统及其负载相匹配，没有研究或者很少提及，国内长期存在的液压附件寿命短、故障率高、跑冒滴漏等现状就与蓄压器的动态性能与系统需求不匹配相关联。

基于此，本发明提出了目前飞机普遍使用的活塞式蓄压器压力灵敏度的描述方法，利用这个方法设计与评价活塞式蓄压器压力传递灵敏度，能够保证其满足液压系统和负载对蓄压器压力传递灵敏度的要求。

发明内容

为了解决上述难题，本发明提供了一种活塞式蓄压器压力传递灵敏度计算方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种活塞式蓄压器压力传递灵敏度计算方法，包括如下步骤：

1)设定分析假设：蓄压器工作过程为等温过程；不考虑液腔液压油的压缩性；液压管嘴流阻不计；活塞隔离开的液压油与气体内漏量不计；

2)气腔气态方程：基于以上假设，对于活塞式蓄压器的气腔，根据等温过程密封容器内的气腔气态方程：

P

式中：

V

M＝气腔气体质量；

R＝气腔气体系数(氮气）；

T＝气腔气体温度。

3)活塞动力学方程：基于以上假设，对于蓄压器内的活塞，根据活塞动力学方程：

式中：

4)气态方程求微分：依据假设，M为常数，R为常数，T不变，对式(1)求微分，则有

5)动力学方程求Laplace变换：对式(2)进行拉普拉斯变换，得到：

P

6)气态方程求Laplace变换：对式(3)进行拉普拉斯变换，得到：

P

7)方程联立求解：考虑到V

8)对公式(6)和拉普拉斯算子换成频域，得到活塞式蓄压器压力传递灵敏度描述公式：

9)制作方框图。

本发明采取上述结构取得有益效果如下：本发明提供的一种活塞式蓄压器压力传递灵敏度计算方法，揭示了活塞式蓄压器压力敏感度传递特性的本质；为研究和设计活塞式蓄压器动态特性，提供了理论依据和工程指导；用此方法设计活塞式蓄压器时，压力传递灵敏度就应作为设计指标提出，而不是仅有最高充气压力和气腔容积两个静态指标；结合实际液压系统和负载需求，可以设计出满足压力传递灵敏度要求的活塞式蓄压器；研制出的活塞式蓄压器，能够充分吸收脉动压力、冲击压力从而提高液压附件及管路寿命；研制出的活塞式蓄压器，能够快速响应负载需求，充分补充油液，提升液压泵、作动器等的性能和寿命。

附图说明

图1为本发明一种活塞式蓄压器压力传递灵敏度计算方法的推导思路图；

图2为本发明一种活塞式蓄压器压力传递灵敏度计算方法的活塞式蓄压器压力传递灵敏度描述公式方框图；

图3为本发明一种活塞式蓄压器压力传递灵敏度计算方法的活塞式蓄压器简图；

图4为本发明一种活塞式蓄压器压力传递灵敏度计算方法的计算公式方框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。以下结合附图，对本发明做进一步详细说明。

如图1-4所述，本发明一种活塞式蓄压器压力传递灵敏度计算方法，包括如下步骤：

1)设定分析假设：蓄压器工作过程为等温过程；不考虑液腔液压油的压缩性；液压管嘴流阻不计；活塞隔离开的液压油与气体内漏量不计；

2)气腔气态方程：基于以上假设，对于活塞式蓄压器的气腔，根据等温过程密封容器内的气腔气态方程：

P

式中：

V

M＝气腔气体质量；

R＝气腔气体系数(氮气)；

T＝气腔气体温度。

3)活塞动力学方程：基于以上假设，对于蓄压器内的活塞，根据活塞动力学方程：

式中：

4)气态方程求微分：依据假设，M为常数，R为常数，T不变，对式(1)求微分，则有

5)动力学方程求Laplace变换：对式(2)进行拉普拉斯变换，得到：

P

6)气态方程求Laplace变换：对式(3)进行拉普拉斯变换，得到：

P

7)方程联立求解：考虑到V

8)对公式(6)和拉普拉斯算子换成频域，得到活塞式蓄压器压力传递灵敏度描述公式：

9)制作方框图。

本发明根据活塞式蓄压器气腔密闭容器气态方程和活塞动力学方程以及相关的合理假设，推导完成了活塞式蓄压器压力传递灵敏度计算公式：

式中：

ω

ξ

P

P

A—活塞面积；

F—活塞运动摩擦力；

B—活塞运动阻尼系数；

P

V

m—活塞质量。

将上述活塞式蓄压器压力传递灵敏度描述公式做成方框图形式，如图2所示，能够进一步理解它的物理本质与属性。

设计师可以根据对液压系统及其负载的分析，提出对蓄压器压力传递灵敏度要求，合理选择活塞面积A、液压系统额定压力P

活塞式蓄压器压力传递灵敏度描述方法基于密闭容腔气态方程和介于气腔与液腔之间活塞的动力学方程，推导如下。

活塞式蓄压器简图如图3所示。

假设：

(1)蓄压器工作过程为等温过程：由于蓄压器工作在环境基本不变且属于瞬态工作特性，其温度来不急发生大的变化；

(2)不考虑液腔液压油的压缩性：相对气腔气体(常用氮气)，液腔液压油的体积弹性模量要大好几个数量级(活塞式蓄压器正是利用了液压油与氮气弹性模量差异很大这个物理特点)；

(3)液压管嘴流阻不计：为了提高蓄压器压力传递灵敏度，液压管嘴一般选择的都比较大，液压油流进流出的流阻很小，可以认为液压腔内液压油压力与管路内流液压油压力相一致；

(4)活塞隔离开的液压油与气体内漏量不计：为了防止蓄压器内气腔气体与液腔液体互串，蓄压器活塞都设计成多道(胶圈)密封，严谨内漏。

基于以上假设，对于活塞式蓄压器的气腔，根据等温过程密封容器内的气体气态方程：

P

式中：

V

M＝气腔气体质量；

R＝气腔气体系数(氮气)；

T＝气腔气体温度。

同样基于以上假设，对于蓄压器内的活塞，根据活塞动力学方程：

式中：

依据假设，M为常数，R为常数，T不变，对式(1)求微分，则有

对式(2)和式(3)进行拉普拉斯变换，分别得到：

P

P

考虑到V

将式(6)画成方框图形式，如图4所示。

如果对公式(6)和图4中拉普拉斯算子换成频域，就得到前面已经表述的活塞式蓄压器压力传递灵敏度描述公式：

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。