0009-飛機起落架液壓系統(tǒng)設計
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前言
任何人造的飛行器都有離地升空的過程，而且除了一次性使用的火箭導彈和不需要回收的航天器之外，絕大部分飛行器都有著陸或回收階段。對飛機而言，實現(xiàn)這一起飛著陸功能的裝置主要就是起落架。 起落架就是飛機在地面停放、滑行、起飛著陸滑跑時用于支撐飛機重力，承受相應載荷的裝置。簡單地說，起落架有一點象汽車的車輪，但比汽車的車輪復雜的多，而且強度也大的多，它能夠消耗和吸收飛機在著陸時的撞擊能量。概括起來，起落架的主要作用有以下四個：
1） 承受飛機在地面停放、滑行、起飛著陸滑跑時的重力；
2） 承受、消耗和吸收飛機在著陸與地面運動時的撞擊和顛簸能量；
3） 滑跑與滑行時的制動；
4） 滑跑與滑行時操縱飛機。
在過去，由于飛機的飛行速度低，對飛機氣動外形的要求不十分嚴格，因此飛機的起落架都是固定的，這樣對制造來說不需要有很高的技術。當飛機在空中飛行時，起落架仍然暴露在機身之外。隨著飛機飛行速度的不斷提高，飛機很快就跨越了音速的障礙，由于飛行的阻力隨著飛行速度的增加而急劇增加，這時，暴露在外的起落架就嚴重影響了飛機的氣動性能，阻礙了飛行速度的進一步提高。
因此，人們便設計出了可收放的起落架，當飛機在空中飛行時就將起落架收到機翼或機身之內(nèi)，以獲得良好的氣動性能，飛機著陸時再將起落架放下來。
然而，有得必有失，這樣做的不足之處是由于起落架增加了復雜的收放系統(tǒng)，使得飛機的總重增加。但總的說來是得大于失，因此現(xiàn)代飛機不論是軍用飛機還是民用飛機，它們的起落架絕大部分都是可以收放的，只有一小部分超輕型飛機仍然采用固定形式的起落架。
所以說設計設計一種安全可靠性能良好和輕便的飛機起落架液壓控制系統(tǒng)是十分必要的。本次設計就一這論題展開設計。
1
1 緒論
液壓技術是一門古老而又興起的學科,隨著技術的不斷革新近百年來又長足的進展。它被廣泛的應用在各行各業(yè)中,諸如,機床液壓、礦山機械、石油化工、冶煉技術以及航天航空等方面。可以說液壓技術的發(fā)展,密切關系著我國計民生的許多方面。
正確合理的設計和使用液壓系統(tǒng),對于提高各類液壓機械裝置的工作品質(zhì)和技術經(jīng)濟性能更具有重要意義。飛機液壓系統(tǒng)設計可以說是極具代表性能的液壓系統(tǒng)設計,現(xiàn)在就以飛機起落架液壓系統(tǒng)作為本次設計。
本次設計飛機起落架液壓系統(tǒng)設計主要包括下述內(nèi)容：
1.1 液壓系統(tǒng)工作原理設計
液壓傳動系統(tǒng)主要由供壓部分(泵源回路)與工作部分(工作回路)所組成的。設計新的液壓系統(tǒng)，首先根據(jù)飛機起落架總體對液壓系統(tǒng)所提出的操縱要求,性能品質(zhì)要求,可靠性要求選用合適的泵源回路與各操縱機構(gòu)的液壓工作回路組成整個起落架液壓系統(tǒng)。
1) 液壓系統(tǒng)方案原理圖設計；
2) 液壓原理方案說明書；
3) 典型工作剖面液壓系統(tǒng)使用功率說明；
4) 液壓系統(tǒng)可靠性、溫度估算；
5) 方案總體評估說明。
1.2 確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)
液壓系統(tǒng)參數(shù)應滿足標準化與規(guī)范化要求,為此進行系統(tǒng)參數(shù)設計前按總體要求首先確定：
1) 液壓系統(tǒng)所用液壓油；
2) 液壓系統(tǒng)的工作壓力等級；
3) 液壓系統(tǒng)的工作范圍；
根據(jù)機構(gòu)執(zhí)行系統(tǒng)工況,負載及性能要求 ,確定各工作回路所要求的輸出功率及泵源回路應提供的功率,從而確定：
4) 液壓裝置的尺寸及性能；
5) 液壓系統(tǒng)的額定流量；
6) 各管段的導管直徑。
1.3 選擇液壓附件,開展對新研制附件的設計工作
根據(jù)工作原理圖對附件的功能要求與所確定的系統(tǒng)主要參數(shù)選擇定型的液壓附件,對新研制的附件提出指標要求,同時開展對輔助附件的設計工作。
1.4 液壓系統(tǒng)的安裝調(diào)試
按液壓系統(tǒng)的設計要求把整個系統(tǒng)在試驗室里組裝起來，通過1:1地面模擬試驗，對液壓系統(tǒng)進行全面的性能考核，通過模擬試驗能在飛機試飛前考核液壓系統(tǒng)性能，并對飛機產(chǎn)生過程中系統(tǒng)的重大更改作出鑒定，為進一步改進液壓系統(tǒng)設計和提高系統(tǒng)安全性提供重要保證。
2 液壓系統(tǒng)設計指標及要求
2.1 使用方面要求
一個液壓系統(tǒng)往往包括多個工作部分，對它們各自都有不同的使用要求，大致可分為以下幾方面：
2.1.1 不同的操縱特點
工作部分液壓部件的操縱特點基本上可以劃分為兩類型：一類是傳動系統(tǒng)，它們有得要求完成一位或多位得方向控制，有得要求進行一級或多級的壓力控制，有的要求進行一速或多速控制；另一類是伺服系統(tǒng)，它們要求液壓部件跟隨操縱指令變化而動作，常用的有機液伺服與電液伺服兩類系統(tǒng)。
2.1.2不同的操縱順序
按照整個系統(tǒng)的要求，了解整個使用過程中各液壓部件操縱的先后順序，哪些是單獨工作的，哪些復合運動的。對影響安全的液壓部件，還應了解在應急情況下有關部件的操縱情況。
對不同的飛機還會有一些不同的使用要求。上述要求對液壓系統(tǒng)的布局與參數(shù)選擇有很大的影響。例如對伺服系統(tǒng)要求供壓泵源保持恒壓，而流量有變化要小。對某些危機及安全的液壓部件應采用冗余措施，應備有應急操縱系統(tǒng)和應急泵源。
2.2 工作環(huán)境要求
系統(tǒng)工作環(huán)境如最高與最低溫度、振動頻率與幅值、沖擊強度、過載大小、濕度大小、噪音強度、污染和腐蝕情況對系統(tǒng)影響都比較大，所以應注意。
2.3 外載荷
作用在液壓裝置上的外載荷基本有下述幾種類形:
1) 質(zhì)量力
作用在作動部件活動部分的重心上，它包括作動部件的重量和因飛機作加速運動或作動部件本身加速運動時產(chǎn)生的慣性矩。
2) 外力（接觸力）
作用在作動部件表面上的力，例如飛機操縱面上作用的氣動力，壓緊機構(gòu)的壓緊力等。除了上述的主要載荷外，對液壓作動部件本身有上開鎖力，軸承與密封裝置產(chǎn)生的摩擦力及粘性阻尼力等。但這些力一般都比較小，在計算時通常按基本載荷的百分之幾加以估算。
2.4 性能要求
飛機總體對各動作部件所提出的性能要求時液壓系統(tǒng)設計的主要原始依據(jù)，它包括：動作部件的行程（或轉(zhuǎn)角），運動速度范圍，加速度范圍，動作部件的位置誤差和同步動作的時間誤差等。下面列舉飛機液壓系統(tǒng)各個動作部件的收放時間的大致要求: 表2-1收放時間表
Table 2-1 takes in and puts away the timetable
機型
收放起落架時間(s)
收放減速板時間(s)
剎車時間(s)
殲擊機
7～8
2左右
1.5
前線轟炸機
>20
遠程轟炸機
>25
2.5 可靠性要求
可靠性指標是液壓系統(tǒng)的一項重要指標,它往往被設計者忽略,液壓系統(tǒng)在使用過程中是較容易發(fā)生故障的系統(tǒng)之一,如果液壓系統(tǒng)的可靠性低,會使系統(tǒng)失去其使用價值。液壓系統(tǒng)可靠性指標有:
1) 系統(tǒng)基本可靠性
系統(tǒng)可靠性用平均無故障工作時間MTBF表示,該指標主要反應對系統(tǒng)使用維護及修理后與后勤保障方面的要求。
2) 工作壽命
系統(tǒng)的返修期與報廢期,系統(tǒng)經(jīng)合理維修與更換附件其工作壽命應與整系統(tǒng)同壽。
3) 系統(tǒng)故障容錯要求
除了提高組成系統(tǒng)附件可靠性外,還應該對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)冗余組成提出故障容錯要求。對關鍵液壓系統(tǒng)的泵源部分應滿足一次故障工作,二次故障安全的故障容錯要求。這樣對泵源最少有三套獨立系統(tǒng)。對關鍵工作部分應滿足故障安全的容錯要求。應有正常與應急兩套相互獨立系統(tǒng)。
2.6 重量要求
對飛機上的液壓系統(tǒng)重量指標應控制在整機重量的1％左右，這個指標是比較嚴的，在實際中往往要超過這個數(shù)字的。按實際系統(tǒng)設計而定。
3 液壓系統(tǒng)原理圖設計與參數(shù)初步估算
根據(jù)整個液壓系統(tǒng)所提出的要求,選擇合適的工作回路與泵源回路組成液壓系統(tǒng)。工作部分要滿足各動作部件功能、可靠性能等方面的需要;泵源部分應滿足與工作部分協(xié)調(diào)一致。液壓系統(tǒng)工作部分工作時,系統(tǒng)泵源應能立即提供所要求的功率;液壓系統(tǒng)停止工作時候應能自動轉(zhuǎn)入卸荷狀態(tài)。
選擇好的原理方案，是設計出高質(zhì)量液壓系統(tǒng)的基礎。下面原理是經(jīng)過幾個方案比較比較實際實用的一種，本次設計就以本系統(tǒng)展開。
3.1 原理圖
參照以前資料將液壓系統(tǒng)設計為下圖所示：
圖3-1液壓系統(tǒng)圖
Fig.3-1 Hydraulic scheme
3.2 液壓系統(tǒng)原理方案說明
起落架收放系統(tǒng)的功能應保證;再收起位置鎖緊起落架與艙門起落架放下后鎖緊起落架與艙門;再收起落架過程中開鎖,起落架及輪艙收放與上鎖等動作順序應協(xié)調(diào).起落架收放回路主要是由一些基本順序回路組成。目前起落架收放回路基本上采用兩種類型:一種用行程開關和電磁閥的順序回路;另一種用順序液壓缸和觸動式順序閥的順序回路。
本次設計即用順序液壓缸和觸動式順序閥的回路,供壓部分來的高壓油通到電磁閥1。當駕駛員將艙內(nèi)起落架開關置于放下位置時,電磁閥切換至右位,高壓油管先進入開鎖液壓缸2(順序液壓缸)的無桿腔內(nèi)推動活塞向外運動,打開上位鎖,同時也打開了中間油路。從中間油路流出的高壓油分成兩路:一路經(jīng)應急活門3進入機輪護板液壓缸的左腔,推動活塞向右運動,打開機輪護板;另一路經(jīng)液壓鎖4進入主起架液壓缸左腔,推(右腔)出口處安裝有一單向節(jié)流閥5,起落架放下過程中單向閥處在關閉位置,回油只能經(jīng)過節(jié)流閥流出,減少了起落架.放下時的速度,緩和了撞擊.此外,還可以使起落架放下速度比機輪護板打開速度慢些,起延時作用,以防止起落架撞壞機輪護板。起落架放下后,駕駛員把收放開關放回中立位置,電磁閥斷電, 閥芯恢復到中立位置。此時,液壓缸收起起落架鎖在放下位置,起雙套保險作用。為防止放下腔內(nèi)被鎖閉的油液因油溫升膨脹超壓,和單向液壓鎖一起并聯(lián)安置了熱安全閥6。
為了保證放下的可靠,再一般飛機上,應急放起落架都應采用壓縮空氣作為應急能源。應急放下起落架時,駕駛員首先用手拉開上位鎖,然后再打開應急放起落架冷氣開關,儲存再冷氣瓶中的高壓氣體通過應急活門3進入起落架與機輪護板液壓缸放下腔,將機輪護板打開并放下起落架.當駕駛員將起落架開關置于收上位置時,電磁閥切換至左位,高壓油通到收上管路。一方面高壓油進入開鎖液壓缸,使起落架上位鎖鎖鉤復位;另一方面進入起落架液壓缸右腔使起落架收起.為了保證先收起起落架再關閉機輪護板的工作順序,采用了處動式順序回路。當起落架收起后,觸動按壓式順序閥7,使高壓油進入機輪護板液壓缸右腔,將機輪護板收上.觸動式順序閥有一個泄露油口與回油相通,防止由于活門不氣密機輪護板過早收上。
3.3 系統(tǒng)基本可靠性估算
可根據(jù)附件類型，工作環(huán)境條件，從非電子附件可靠性手冊中查出附件的失效率，下表給出一般液壓附件失效率數(shù)據(jù)，查出失效率，查出有關附件的失效率，乘上環(huán)境因子K后，可按下式估算出系統(tǒng)的平均無故障工作時間。
故障時間公式:
(3-1)
式中 －為某類的附件數(shù)目;
L－為附件種類數(shù)目;
－某附件的失效率;
K –環(huán)境因子取80。
表3-1其他閥選取表
Table 3-1 Other valve selection
附件名稱
故障次數(shù) 10-6/h
下限
平均
上限
順序閥
2.10
4.6
8.1
電動泵
2.25
8.7
27.4
固定節(jié)流孔
0.01
0.15
2.11
溢流閥
0.224
3.92
7.25
三通電磁閥
1.87
4.6
8.1
液壓缸
0.005
0.008
0.12
液壓系統(tǒng)原理放案最后通過評比確定，目前常用的評比辦法是記分法，把評比的內(nèi)容按其重要性的主次給以一定分值，總分值最高的方案為當選方案。用這樣方法所選定的方案能夠比較全面的滿足總體提出要求。
4 系統(tǒng)主要參數(shù)的確定與估算
4.1選擇系統(tǒng)所用液壓油
系統(tǒng)液壓油選擇一般按飛機的總體要求確定,本次設計選取10號航空專用液壓油。
下面是其性能指標:
表4-1油指標表
Table 4-1 Oil target table
項目
質(zhì)量指標
實驗方法
外觀
紅色通明液體
目測
運動黏度
GB/T256
50°C 不小于
10
-50°C 不大于
1250
機械雜質(zhì)
無
GB/T511
油膜質(zhì)量（65°C+1°C）
合格
GB/T264
密度（20°C）
850
GB/T1884
4.2 選取系統(tǒng)工作壓力等級與系統(tǒng)工作溫度范圍
4.2.1 系統(tǒng)壓力確定
液壓系統(tǒng)工作壓力是系統(tǒng)的最基本參數(shù)之一，它對整個系統(tǒng)的性能有很大影響，隨著液壓系統(tǒng)輸出功率增大，系統(tǒng)工作壓力等級有日益提高的趨勢。
現(xiàn)研究主要著眼于尋求最輕液壓系統(tǒng)重量的所謂最佳壓力.最早的結(jié)論是28MPa后來又以選擇不同的壓力等級來設計液壓系統(tǒng),結(jié)果表明在現(xiàn)有的材料條件下把現(xiàn)有的21MPa分別提高到28MPa,35MPa和42MPa,系統(tǒng)重量分別比原來輕5%,6%和4.5%所以認為系統(tǒng)的最佳壓力為32-35MPa.提高工作壓力等級對液壓系統(tǒng)會帶來密封困難,附件加工精度高,附件生產(chǎn)成本高,發(fā)熱量加大可靠性和壽命降低.因此在選取壓力等級時不能一味追求高壓結(jié)合實際情況選取本設計選取28MPa,由于要設計起落架根據(jù)材料選取22 MPa作為設計壓力。
壓力選取具體參照下圖：
圖4-1壓力曲線圖
Fig.4-1Pressure diagram of curves
4.2.2 系統(tǒng)主參數(shù)給定
液壓系統(tǒng)主要參數(shù)應滿足標準化與規(guī)范化的要求，在此進行系統(tǒng)參數(shù)設計設定。
1) 泵的輸出壓力Pg=22MPa；
2) 主起落架液壓缸的輸入壓力為P1=19.8MPa；
3) 溢流閥工作壓力P=26.4MPa；
4) 液壓系統(tǒng)的工作溫度范圍：-55°C～70°C。
4.3 確定執(zhí)行機構(gòu)的參數(shù)
現(xiàn)在以起落架主起液壓缸和溢流閥為設計實例:
4.3.1 液壓缸設計
1) 液壓缸的設計通常要求滿足下述最基本技術要求：
(1) 承受最大的負載力，即輸出力P=6.125×104N；
(2) 輸出動作時間T＝7s；
(3) 最大工作行程L=47.8㎝。
以上數(shù)據(jù)是由被操作對象的要求提出來的。例如起落架收放液壓缸的負載力P是根據(jù)作用在起落架上的空氣動力負載，起落架本身的重量以及慣性等來確定的。最大速度或動作時間t則是根據(jù)飛機的戰(zhàn)術技術所規(guī)定的收放時間提出來的，最大工作行程L則是根據(jù)起落架傳動圖從收起位置到放下位置之間的運動范圍提出的。
為了滿足所提出的技術要求，設計液壓缸最基本的內(nèi)容在于保證其一定的有效面積，強度和不漏油，并滿足性能指標及使用要求。
2）設計步驟和方法
(1) 液壓缸的輸入壓力P是根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力來確定
液壓缸的輸入壓力p是根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力來確定的，通常有三種不同的觀點：
其一，按最小重度觀點。經(jīng)理論計算和實驗檢驗，航空液壓系統(tǒng)總重量與系統(tǒng)工作壓力有關，目前系統(tǒng)認為的最佳壓力應為Pg=22MPa。所以，液壓缸的輸入壓力P1在考慮進油管路損失時，取： P1=0.9Pg=22×0.9=19.8MPa
其二，按最佳強度觀點，此觀點在本質(zhì)上還是為了減小元件的尺寸和重量，不過是以材料強度為依據(jù)罷了，其結(jié)果形式為：
（4-1）
式中為液壓缸缸壁材料的許用應力。這就是說，此種方法是按照液壓缸材料來確定壓力的 ，其壁厚應滿足筒內(nèi)外徑比值
其三，按液壓泵的實際工作壓力確定液壓缸的最大輸入壓力。即
（4-2）
這種方法不能滿足最佳性能的要求，但卻是一種按具體問題采取具體解決的方法。式子種的系數(shù)，是考慮到傳輸管路和控制閥的壓力損失。
(2) 確定有效面積F內(nèi)徑D和桿徑d
以雙面活塞桿液壓缸為例，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)取回油腔的壓力為P2=0.05P1
那么輸入力公式變?yōu)椋?
P=(P1-P2)F=(P1-0.05P1)F=0.95P1F （4-3）
則有效面積的計算公式為：
F=P/0.95P1=22/(0.95×19.8)≈4.418×10-3㎡ （4-4）
為了確定液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d，按經(jīng)驗引入一個結(jié)構(gòu)系數(shù)即
m=d/D=0.25～0.7 （4-5）
取m=0.56
式中m為結(jié)構(gòu)系數(shù)，低速小負載下取小反之取大值，由得下式
；d=md （4-6）
將 F=4.418×10-3㎡;
m=0.56代入;
得 D=7.8㎝ ; d=4.4㎝;
(3) 確定殼體壁厚δ和外徑Dw
根據(jù)（16>D/δ>3）計算公式
（4-7）
式中為強度系數(shù)，（無縫鋼管 =1），c為考慮壁厚公差及侵蝕的附加厚度0.2cm
=1.06+0.2
=1.26cm
據(jù)統(tǒng)計，飛機液壓缸一般屬于中等壁厚，故推薦用中等壁厚公式。
壁厚確定后，按下式確定外徑Dw
Dw=D+2δ=7.8+2.6=10.4㎝ （4-8）
(4) 確定密封裝置的型式和尺寸
液壓缸的密封裝置廣泛地采用圓界面橡膠圈。這種形式結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，壽命長，在30MPa壓力下具有良好的密封性能。密封裝置按不同的工作條件來選擇。
表4-2如下表為圓截面橡膠密封圈的各項要求
Table 4-2 For circular cross-section rubber seal packing collar each request
密封形式
圓截面橡膠密封圈
密封原理
基于密封圈和被密封表面間的接觸壓力和側(cè)壓力作用而加強密封性
密封材料
硅橡膠；氟橡膠四塑料
特殊技術要求
要正確的計算和選擇壓縮率，正確選擇槽寬度配合精度和光度在超過15mpa的壓力下，一般增設保護擋圈，性能更可靠
優(yōu)缺點及應用
結(jié)構(gòu)簡單裝卸方便成本低可用于35mpa以下壓力和溫度在-60～3000c范圍內(nèi)工作在飛機液壓系統(tǒng)中得到廣泛應用
關于密封裝置得原理理論計算在設計中修正了圓截面橡膠密封圈得 經(jīng)驗公式:
圖4-2活塞密封圈示意圖
Fig.4-2 measurement of piston structural representation
;; （4-9）
式中的s為活塞于內(nèi)腔的間隙，一般可用二級配合，壓力越高，s值越小。
(5)確定液壓缸長度
缸未伸出長度為L；活塞寬度;行程長；導向長度；結(jié)構(gòu)長度；導向套長度
（4-10）
式中k為隔離套長度。
將式中的已知量帶入得：（見圖）
圖4-3 缸結(jié)構(gòu)尺寸示意圖
Fig.4-3 Cylinder structure size schematic drawing
； （4-11）
（4-12）
； （4-13）
（4-14）
(6) 驗算活塞桿縱向彎曲強度和穩(wěn)定性
在一般情況下當桿與桿徑之比小于15時候，可不用驗算活塞桿縱向彎曲強度和 穩(wěn)定性比值大時候，可按下式公式進行驗算：
（4-15）
式中的
為缸筒的慣性矩
為桿的慣性矩
因為
所以需要驗算
P=6.125×104N
故滿足條件。
(7) 缸體與缸蓋的焊縫強度計算
其焊縫應力公式為：
（4-16）
式子
帶入可得：
（4-17）
故符合要求。
4.3.2 確定液壓泵參數(shù)
液壓泵的兩個主要參數(shù)為所承受的最大壓力于應提供的最大流量.液壓泵所承受的最大壓力有所選定的系統(tǒng)工作壓力確定.液壓泵應提供的流量可按下述步驟確定:
1) 計算液壓缸所需提供的流量
已知液壓缸尺寸及其收放或收方速度要求,可按照下式計算液壓缸所需要的流量: （4-18）
式中: -液壓缸有效工作面積;
-液壓缸要求的收放速度;
-液壓缸工作行程;
-收方時間。
2) 確定所有工作部分所需用的流量
（4-19）
主起落架收放液壓缸與工作容積為
cm3
前起落架收放液壓缸與工作容積為
cm3
根據(jù)總體要求,起落架收起時間為7S,這起落架收放系統(tǒng)所需用的流量
3) 確定液壓泵供油量
液壓泵供油量根據(jù)上面算出的式子有以下公式可得:
(1) 液壓系統(tǒng)存在內(nèi)部泄漏；
(2) 帶動液壓泵的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降時,液壓泵的流量下降；
(3) 長期使用液壓泵使供油量下降；
(4) 系統(tǒng)中有些控制閥直接流回油箱。
因此,液壓泵的供油量應為:
（4-20）
故液壓泵的供油量為故選取泵型號: CB-FD40
理論排量/mL·r^(-1): 40.38
壓力/MPa|額定: 22
壓力/MPa|最高: 25
轉(zhuǎn)速/r·min^(-1)|額定: 2000
轉(zhuǎn)速/r·min^(-1)|最高: 3000
轉(zhuǎn)速/r·min^(-1)|最低: 600
容積效率/%: ≥91
總效率/%: ≥82
驅(qū)動功率/kW(額定工作狀況): 31
液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)就是壓力和流量，他們是設計液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定與外載荷。流量取決于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。
4.3.3 溢流閥設計
溢流閥的設計，通常式根據(jù)其工作所要求的壓力和流量選擇閥的基本結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)最大流量并按經(jīng)驗確定閥的各部分尺寸，根據(jù)靜態(tài)特性要求確定彈簧系數(shù)，然后計算靜態(tài)特性。即按靜態(tài)性能要求進行設計，之后可對動態(tài)特性能如壓力超調(diào)量，閥的自振頻率等進行校驗。下面我們對先導溢流閥為例來介紹溢流閥的設計。
以下為尺寸示意圖：
圖4-4 閥結(jié)構(gòu)尺寸示意圖
Fig.4-4 measurement of valve structural representation
1) 設計要求
一般提出以下設計要求：
(1) 額定壓力 MPa
(2) 額定流量
(3) 調(diào)壓范圍MPa
(4) 背壓
(5) 調(diào)成最高調(diào)成壓力時，導閥的開啟壓力
(6) 調(diào)成最高調(diào)成壓力時，主閥的開啟壓力；此時的溢流量
(7) 調(diào)成最高調(diào)成壓力時，主閥的閉合壓力；此時的溢流量
(8) 卸荷壓力MPa
2）主要的結(jié)構(gòu)尺寸的初步確定
(1) 進油口尺寸確定按照額定流量和允許流速來決定則：
（4-21）
式中V一般取6m/L;－額定流量，將已知量帶入可得：
cm
(2) 主閥芯直徑
按經(jīng)驗取 cm （4-22）
(3) 主閥芯活塞直徑
cm （4-23）
對閥的靜態(tài)特性影響很大。按上式選取時，對額定流量小的閥選較大的值。
(4) 主閥芯上段直徑
按經(jīng)驗取主閥芯活塞下邊面積與上邊面積之比為：
根據(jù)上式子可得：
cm （4-24）
活塞下邊面積稍小于上邊面積，主閥關閉時的壓緊力主要靠這個面積差形成液壓力作用在主閥芯上。主閥彈簧只是在低壓和無壓力時使主閥關閉，因此主閥彈簧剛度可以很小。
(5) 主閥芯半錐角，主閥座半錐角和擴散角
按經(jīng)驗?。?
稍大于，使主閥芯與主閥座近似為線接觸（接觸線的直徑近似于），密封性較好。
(6) 尾碟（消振尾）直徑、長度、過度直徑
尾碟的作用是消除液動力引起的振動。其尺寸、、可參考已定型閥的尺寸選取。無尾碟時，作用在主閥芯上的液動力方向向上；有了尾碟時，液動力方向向下。
(7) 節(jié)流孔直徑、長度
按經(jīng)驗取:
cm （4-25）
cm （4-26）
節(jié)流孔的尺寸和對溢流閥性能有重要影響。如果節(jié)流孔太大或太短，則節(jié)流作用不夠，將使閥的啟閉特性變差，而且工作中會出現(xiàn)較大的壓力振擺；反之，如果節(jié)流孔太小或太長，則閥的動作會不穩(wěn)定，壓力超調(diào)量液會加大。按上式取和時，對額定流量小的閥選較小的值。要求通過節(jié)流孔的流量小于或等于額定流量的1％時所造成的壓降足以使主閥開始打開。因此，要通過靜態(tài)特性計算對選定的和進行適當?shù)恼{(diào)整。
(8) 導閥芯的半錐角
按經(jīng)驗取 ： ＝20
取得小一些，密封性能較好但太小使閥芯與閥座得接觸應力加大，影響使用壽命。
(9) 導閥座孔的孔徑和
按經(jīng)驗取 cm （4-27）
cm （4-28）
取得大則導閥彈簧要硬，使尺寸加大；取得太小又影響閥的穩(wěn)定性能。
不能取的太大，否則容易發(fā)生尖叫和振動。
(10) 主閥芯溢流口的直徑和長度
和可根據(jù)結(jié)構(gòu)來確定。不要太小，以免產(chǎn)生的壓差太大，不利于主閥的開啟。
(11) 主閥座的孔徑
按經(jīng)驗取 （4-29）
(12) 閥體沉割直徑、沉割寬度
按經(jīng)驗取 （4-30）
按結(jié)構(gòu)確定，應保證進油口直徑的要求。
本設計中取 （4-31）
(13) 主閥芯與閥蓋的間距
應保證主閥芯的位移要求，即
是主閥的最大開度，的大小見靜態(tài)特性計算。
(14) 導閥彈簧的裝配長度
（4-32）
式中的為彈簧的自由長度。為了使溢流閥能夠卸荷，調(diào)節(jié)手輪全松開時應使導閥彈簧恢復其自由長度，留有的間隙.的數(shù)值要在導閥彈簧設計后才確定。
(15) 主閥彈簧的裝配長度
（4-33）
式中 －主閥彈簧的自由長度；
－主閥彈簧的預壓縮量,的數(shù)值要在彈簧設計后才能確定.
3）靜態(tài)特性計算
(1) 基本方程式
先導式溢流閥的靜態(tài)特性決定于導閥、主閥和節(jié)流口結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此，計算靜態(tài)特性時要列寫流量方程式和力平衡方程式，作為計算靜態(tài)特性的基礎。
如圖所示主口示意圖：
圖4-5 主閥口示意圖
Fig.4-5 mostly valve port representation
a.主閥閥口節(jié)流方程式
(4-34)
式中 —通過主閥的流量；
—主閥流量系數(shù)；
—主閥節(jié)流面積。
將式子整理得：
b.主閥芯受力平衡方程式
主閥芯軸線方向所受的作用力包括彈簧力、重力、摩擦力、主閥芯溢流孔壓降引起的作用力、A腔和B腔壓力的作用力、閥口溢流時產(chǎn)生的液動力。如主閥芯等速上升，則可列出受力平衡方程式為:
(4-35)
式中 —主閥彈簧剛度；
—主閥彈簧預壓縮量；
—主閥芯重量；
—主閥芯所受的摩擦力；
—主閥芯溢流孔壓降引起的作用力；
—主閥芯所受的液動力；
根據(jù)圖所示液流情況，可按下式計算:
(4-36)
式中 —閥口流速；
—尾碟處液體流出速度的軸向分量。
因為尾碟附近過流面積遠大于閥口截面積，而且尾碟與主閥芯軸線垂直。所以，尾碟附近流速的軸向分量接近于零，即0。閥口流速可按下式計算：
(4-37)
在局部阻力系數(shù)時，流速系數(shù)。因此可得：
由式可知，的作用方向于相同。計算出來的穩(wěn)態(tài)液動力略為偏大一些。
若尾碟過大，出口通道過小，即尾碟附近截流面積減小，則加大。這樣，實際液動力會比計算出來的小，若主閥開度較大則使得過小過大則穩(wěn)態(tài)液動力可能出現(xiàn)零值甚至反向。所以，設計尾碟和選取半錐角時要加以注意。
將上式聯(lián)立可得主閥芯平衡方程式：
(4-38)
c.節(jié)流孔流量方程
當截流孔中流動為層流時，流過節(jié)流孔的流量與節(jié)流孔前后壓差（）成正比；當節(jié)流口中的流動為紊流時，流量與成比例。實際上節(jié)流孔中的流動多處于從流層到紊流的過渡狀態(tài)，所以與成比例?？砂聪率鼋?jīng)驗公式計算，式中的單位必須是米、公斤、秒制。
(4-39)
式中 －通過節(jié)流孔的流量；
－節(jié)流孔截面積；
－油的運動粘度；
－油的重度。
d.導閥閥口節(jié)流方程式
由式(4-39)得：
(4-40)
式中 -通過導閥得流量；
-導閥流量系數(shù)；
-導閥節(jié)流面積；
(4-41)
式中 －導閥得開度。
將看成近似等于零，則：
(4-42)
f.導閥芯受力平衡方程
導閥芯軸線方向所受得作用力有彈簧力、液動力、導閥前腔C中壓力得作用力等。受力平衡方程為：
(4-43)
式中 -導閥座孔徑處的截面積
－導閥彈簧剛度；
－導閥彈簧預壓縮量；
－導閥芯所受的液動力。
液動力的求法與相似，得：
(4-44)
式(4-44)中的流量系數(shù)、是難以精確確定的。嚴格的說，在閥的不同工作情況下，流量系數(shù)又不同的數(shù)值。通常將流量系數(shù)看成常數(shù)，帶來的誤差并不大，卻可以大大地減化計算。主閥與導閥的閥口處的流量系數(shù)可分別取為：
靜態(tài)特性計算的目的，一方面是根據(jù)對靜態(tài)特性設計要求，求出主閥彈簧和導閥彈簧的剛度和預壓縮量，作為進行彈簧設計的依據(jù)；另一方面是校核上面所確定的主要結(jié)構(gòu)尺寸，看能否滿足對靜態(tài)特性的要求,并進行必要的調(diào)整與復算，直到特性滿足要求為止。
(2)彈簧剛度和預壓縮量計算
a.主閥彈簧剛度和預壓縮量
由式子（4-38），可得當主閥剛要打開，還未打開時可得：
(4-45)
利用上式可求出和，但必須先做以下工作：
(a)主閥剛要打開，還未打開，為主閥的開啟壓力
取為最高調(diào)定壓力下的開啟壓力，即：
(4-47)
，
此時候流量為：
(b)由（4-39）節(jié)流孔流量方程式求
取節(jié)流孔流量，得:
(4-48)
將已知量帶入：
可得：
(4-49)
(c)主閥芯摩擦力
包括主閥芯上段直徑處和活塞直徑處得摩擦力，可表示為:
(4-50)
式中 -摩擦系數(shù)；
-處的側(cè)壓力；；
-處的側(cè)壓力。
側(cè)壓力與縫隙兩端壓力差、縫隙長度、圓柱直徑成正比。將其他因數(shù)用系數(shù)表示，并取摩擦系數(shù)，則可表示為：
(4-51)
將壓力看成近似等于零，則:
(4-52)
式中為系數(shù)，，直徑小、接觸長度短時取大值。
(d)求主閥芯溢流孔壓降引起的作用力
溢流孔壓降由沿程阻力和進口、出口處的局部阻力所組成。
可表示為：
(4-53)
式中 —進口處局部阻力系數(shù)；
—出口處局部阻力系數(shù)；
—沿程阻力系數(shù)。
通過主閥芯溢流孔的流量等于通過導閥的流量，取近似。于是，
主閥芯溢流孔流速為：
(4-54)
雷諾數(shù)的表示式為：
由于很小，很小，主閥芯溢流孔內(nèi)流動為層流，可以，，。于是，由壓降引起的作用力為：
(4-54)
(e)求出主閥最大開度
在卸荷情況下（通過額定流量）主閥由最大開度，
由此可得：
(4-55)
＝6.9
式中為卸荷壓力。
然后按經(jīng)驗?。?
(4-56)
將上式子帶入主方程可得：
所以：
(f) 主閥芯重量G
由已知初選結(jié)構(gòu)尺寸計算，活塞面積F3和F4之比按經(jīng)驗取為。在做好以上準備工作之后，即可求出主閥彈簧剛度k。而主閥彈簧預壓縮量h1已經(jīng)定出選取h1時，額定流量小的閥選小的值。K1和h1是以乘積的形式出現(xiàn)在靜態(tài)特性方程中的這給計算帶來了苦難。因此上面我們先根據(jù)公式來假定h1的值，然后再帶入方程求出k1的值。這樣的出k1與h1值還需要反復進行比較驗算。如果出現(xiàn)矛盾，就要對靜態(tài)特性方程式中的一些可變因素進行調(diào)整。
主閥彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)，既要保證彈簧給主閥芯以足夠的復位力和密封力，又能保證閥的靈敏性。因此，剛度K1要小，預壓縮量h1要大，即彈簧要軟而長。這給主彈簧的設計帶來難度。但是k1的影響遠不如的F3/F4影響來得大，尤其當F4較大時候更是這樣。就是說的K1h1取值范圍很寬的。這就把相互制約的設計要求給主閥彈簧的設計帶來的困難，轉(zhuǎn)化為正確的選取主閥活塞兩側(cè)面積比F3/F4的問題這正是這種結(jié)構(gòu)溢流閥的一個優(yōu)點。由此可見，面積比F3/F4是個影響靜態(tài)的重要因素。
b.導閥彈簧剛度和預壓縮量
由公式可知：當導閥要打開，還未打開時，
(4-57)
此時為導閥的開啟壓力。取為最高調(diào)定壓力下的開啟壓力，即
因此得：
將由（4-54）式求出的代入式子并取，即得出導閥彈簧再開啟壓力為時的導閥開度。
(4-58)
將已知量帶入(4-58)中得：
所以有：
5 確定系統(tǒng)其他附件及指標要求
5.1 選取其它閥
系統(tǒng)其他閥部分選取標準件，具體選取按照下表：
表5-1其它閥選取表
Table 5-1 Other valve selection table
名稱
額定流量
額定壓力
型號確定
電磁閥
36.2
22
34WEH28
單向閥
32
22
SV6PB
梭閥
32
22
SFZ0O
節(jié)流閥
32
22
MKG12
5.2 油箱的確定與散熱面積估算
油箱的總?cè)莘e包括兩部分:一部分是油液所占空間;另一部分是空氣所占的空間。估算油箱容積一般是以停機加油狀態(tài)的油面做為計算時的標準.根據(jù)飛機飛行的各個階段繪制油箱油面變化圖,最后確定油箱的總?cè)莘e。本次設計取油箱容積為20L。
5.2.1 系統(tǒng)散熱功率計算
系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量主要由油箱散熱,由于管道散熱于吸熱基本平衡,可以忽略不計,油箱散熱功率按下式計算:
(5-1)
式中 -油箱散熱系數(shù);取
-系統(tǒng)達到熱平衡的溫度;
-環(huán)境溫度;-油箱散熱面積;
當油箱的三邊比的機構(gòu)尺寸比例為1:1:1-1:2:3,油面高度是油箱高度的80%時,其散
熱面積A的近似計算公式為:
(5-2)
式中的為油箱體積，取m2得:
當系統(tǒng)產(chǎn)生得熱量全部被散熱表面散發(fā)系統(tǒng)達到熱平衡,這樣液壓系統(tǒng)達到熱平衡這時液壓系統(tǒng)得溫升為:
(5-3)
式中 －液壓泵的輸入功率；
－液壓系統(tǒng)總效率，
故液壓系統(tǒng)應該加冷氣源。
5.2 選擇濾油器
根據(jù)濾油得承壓能力,過濾精度,流通能力,阻力壓降及過濾容量等方面要求來選擇濾油器.對不同用途于壓力等級得系統(tǒng)與附件來選取濾油器得過濾精度。
表5-2濾油器選取表
Table 5-2 Oil filter selection table
系統(tǒng)(um)
附件(um)
低壓系統(tǒng) 100—150
7 MPa 50
速度控制 10--15
伺服控制 10
21--35 MPa 10
電液伺服系統(tǒng) 5
高精度伺服系統(tǒng) 2.5
滑閥 1/3最小間隙
節(jié)流孔 1/7孔徑
橡膠動密封 25
安全閥 25--30
溢流閥 25--30
流量控制閥 15--20
不同安裝位置對濾油器及吸油管的要求:
(1) 油箱吸入口濾油器把過濾元件直接安排在油箱內(nèi),這樣安排結(jié)構(gòu)簡單,但維護不便.其過濾精度一般為125um.在吸油管路上一般不裝濾油器,如果液壓泵要求在吸油管上安裝濾油器,應保證濾油器的壓力降不妨礙液壓系統(tǒng)工作,濾油器內(nèi)應裝有安全活門.
(2) 液壓泵出口濾油器與回油濾油器.液壓泵出口濾油器應有足夠的強度,在選用濾油器時應注意過濾元件的溫度要求,其過濾精度一般為.在滿足系統(tǒng)反壓的要求下可選用精度較高的回油濾油器.
(3) 高精度附件入口處的濾油器.在通向助力器,舵機及各種精密附件的管路上均安置保護濾油器.濾油器中不允許加載安全閥,濾油器的過濾精度應按附件要求選取.
(4) 液壓泵循環(huán)管路濾油器.循環(huán)管路內(nèi)油液往往會帶有磁性的金屬雜質(zhì),在管路上安裝磁性濾油器.安裝在循環(huán)管路上的濾油器其助力不應影響液壓泵正常工作。
6 結(jié)論
飛機起落架的的正常工作保障了對整個飛機的安全性，設計可靠安全的液壓系統(tǒng)是力在畢行。在安全性能保證的情況下提高效率和減少重量和空間也是十分必要的。再設計中卻遇到了安全性能和實用性能的沖突。本次設計最后以保證其安全性能的前提下，最大限度的設計良好的實用性能。達到一定的預期效果。
本次設計液壓系統(tǒng)基本能實現(xiàn)控制起落架動作的正常完成，基本上達到其安全和使用性能要求。設計的零部件也基本上達到其應有的性能和結(jié)構(gòu)要求。本次設計已經(jīng)達到預期效果，但由于設計時間和本人能力及知識有限，所以有諸多不完善和不正確的地方還請老師多教導。
致謝
論文的完成得意于王慧老師及其他老師的悉心的指導、關懷和幫助,從論文的選題、方案設計、方案選取、參數(shù)給定、零件設計到最后的定稿無不浸透導師的心血。這讓我很感謝。尤其在這期間導師的淵博、導師的平易近人、導師的嚴謹治學的態(tài)度、忘我工作作風無時無刻不感染著我,使我深受教益。我深信我四年的學習必將對我以后的學習、生活、工作產(chǎn)生重要深遠的影響。導師的教誨我永記于心。寥寥數(shù)語我無法表達自己的感激之情。只能在次衷心的祝愿導師和幫助過的老師同學們。
最后,向評審本論文的論文的各位老師表示由衷的感謝。
參考文獻
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附錄A
高分子材料的加工工藝性能
1 高分子材料概述
材料是科學與工業(yè)技術發(fā)展的基礎。一種新材料的出現(xiàn)，能為社會文明帶來巨大的變化，給新技術的發(fā)展帶來劃時代的突破。材料已當之無愧的成為當代科學技術的三大支柱之一。高分子材料科學已經(jīng)和金屬材料、無機非金屬材料并駕齊驅(qū)，在國際上被列為一級學科。高分子材料科學是材料科學中的一個重要的分支學科。現(xiàn)代材料科學的范圍定義為研究材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和組成、合成和加工、材料的性能這四個要素以及它們之間的相互關系。高分子材料科學的基本任務是：研究高分子材料的合成、結(jié)構(gòu)和組成與材料的性質(zhì)、性能之間的相互關系；探索加工工藝和各種環(huán)境因素對材料性能的影響；為改進工藝，提高高分子材料的質(zhì)量，合理使用高分子材料，開發(fā)新材料、新工藝和新的應用領域提供理論依據(jù)和基礎數(shù)據(jù)。高分子材料科學是一門年輕而新興的學科，它的發(fā)展要求科學和工程技術最為密切的配合，它的進步需要跨部門、多學科的最佳協(xié)調(diào)和共同參與。
目前各種合成高分子的應用已遍及國民經(jīng)濟的各部門，特別是軍事及尖端技術對具有各種不同性能的聚合物材料的迫切需要，促使了高分子合成和加工的技術有了更快的發(fā)展，高分子成型和加工已經(jīng)成為一種獨立的專門工程技術了。由于加工技術理論的研究、加工設備設計和加工過程自動控制等方面都取得了很大的進展，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率大大提高，產(chǎn)品適應范圍擴大，原材料和產(chǎn)品成本降低，聚合物加工工業(yè)進入了一個高速發(fā)展時期。加工過程中高分子表現(xiàn)出形狀、結(jié)構(gòu)、和性質(zhì)等方面的變化。形狀轉(zhuǎn)變往往是為滿足使用的最起碼要求而進行的；材料的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變包括高分子的組成、組成方式、材料宏觀與微觀結(jié)構(gòu)的變化等；高分子結(jié)晶和取向也引起材料聚集態(tài)變化，這種轉(zhuǎn)變主要是為了滿足對成品內(nèi)在質(zhì)量的要求而進行的，一般通過配方設計、材料的混合、采用不同加工方法和成型條件來實現(xiàn)。加工過程中材料結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變有些是材料本身固有的，亦或是有意進行的；有些則是不正常的加工方法或加工條件引起的。大多數(shù)情況下，高分子的加工通常包括兩個過程：首先使原材料產(chǎn)生變形或流動，并取得所需要的形狀，然后設法保持取得的形狀。高分子加工與成型通常有以下形式：高分子熔體的加工、類橡膠狀聚合物的加工、高分子液體的加工、低分子聚合物或預聚物的加工、高分子懸浮體的加工以及高分子的機械加工。除機械加工以外的大多數(shù)加工技術中，流動－硬化是這些加工的基本程序。根據(jù)加工方法的特點或高分子在加工過程中變化的特征，可用不同的方式對這些加工技術進行分類。通常根據(jù)高分子在加工過程有否物理或化學變化，而將這些加工技術分為3類：第一類是加工過程主要發(fā)生物理變化的；第二類是加工過程只發(fā)生化學變化的；第三類則是加工過程同時兼有物理和化學變化的。這些加工技術大致包括一下四個過程：1.混合、熔融和均化作用；2.輸送和擠壓；3.拉伸或吹塑;4.冷卻和固化（包括熱固性高分子的交聯(lián)和橡膠的硫化）。
2 高分子材料加工原理
1) 高分子材料的加工性質(zhì)
高分子具有一
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