液压源管路系统随机压力脉动可靠性研究

　　液压脉动不但影响执行机构的工作精度,还是导致液压管道振动和疲劳破坏的重要原因^{[1, 2]}。未来战斗机将使用高压、变压液压系统[3],压力脉动问题将更加突出。目前航空界通过规定许用脉动幅值进行预防性设计,例如对于21MPa的液压系统,要求压力脉动幅值不大于额定压力的±10%^{[1, 3]}。然而,考虑到飞行状态、操作时间等因素,实际的压力脉动是一个随机过程,已有经验表明:采用传统的安全系数、许用应力等控制指标难以保证这类工程结构的动力安全。研究还表明:由于不同液压系统固有频率的差异,它们对压力脉动的耐受能力是不一样的,某个系统可接受的压力脉动水平对另一个系统则不一定能接受^{[1, 4-6]}。可靠性法是未来关键结构安全度评估发展的方向^[7-10],因此,在设计阶段对压力脉动进行可靠性分析和评估是十分必要的。

　　本文将液压源管路系统的压力脉动近似为平稳随机过程,在压力脉动频域分析的基础上,结合随机疲劳累积损失破坏机制,提出了液压源管路系统随机压力脉动的可靠性分析方法,为工程液压系统的动强度可靠性评估提供了有价值的参考。

　　1 液压源系统压力脉动特性分析

　　图1为一典型飞机液压源管路系统^[2]_,标号1为液压泵输出端, 2点处连接有溢流阀支路, 4分支点处连接有蓄压器, 5点为液压源管路系统的终端,它们之间通过管道组成输流网络。

　　由于5点处连接执行机构,该处的压力脉动直接影响伺服系统的工作品质。为了研究泵源输出流量的波动对5点处的压力波动变化的影响,利用各个元件的传递函数法和流体网络链形规则将系统内的单管路和分支元件进行分解,对各部分管道作等效直管l₁, l₂,l₅简化处理,如图2所示。

　　系统输入输出端的压力和流量的传输方程^[2]:

式中:P_pump和Q_pump,P₅和Q₅分别表示泵源、管路终端压力和流量的拉普拉斯变换,G_v,G_a为溢流阀和蓄压器支路的传递函数^[2,9,10]。符号A_l,B_l,C_l,D_l表示长度为l的输流管道传输参数,其定义为:

式中:分别为输入输出端的压力和流量的拉氏变换,(s)l为管道的传播算子,由于液压油的黏性不能忽略,这里采用频率相关摩擦模型^[2,10,11],有:

式中:内径为r₀,管内油液密度为Q,L为液压油黏度系数,J₀、J₁分别为0阶、1阶的第一类贝塞尔函数; c为管道中压力波的传递速度(声速),一般取c=1 200 m/s,ZC为管道的特征阻抗: