民用飞机液压柱塞泵：现状、发展趋势及关键技术

引用文章：

GUO SR, CHEN JH, LU YL, et al. Hydraulic pistonpump in civil aircraft: Current status, future directions and critical technologies, Chin J Aeronaut 2020;33(1): （点击可阅读原文）

1. 1.引言

2. 2.工作原理及设计特点

3. 3.研究热点

4. 4.发展趋势

5. 5.关键技术

6. 6.作者简介

柱塞泵是民机液压系统中的最关键的动力元件。它将航空动力机械（发动机传动机匣、电动机、辅助动力、冲压空气涡轮等）的机械能转换成液压能（压力、流量）输出，给飞控系统、起落架系统以及反推力系统等用户系统提供液压动力。

高压高速化、低脉动、集成化和智能化是现代民机液压系统的发展趋势，这给航空柱塞泵带来了诸多挑战，如图1所示。

图1民机液压柱塞泵面临的挑战

目前民机上应用较广的是压力补偿式变量泵，它能够在低于最大流量的工况下提供恒定的输出压力。图2中的视频介绍了压力补偿式变量泵的工作原理。

图2压力补偿式变量泵工作原理

国外在民用飞机柱塞泵的研究及制造领域一直处于领先地位。ParkHannifin、EatonAerospace等供应商一直在为空客和波音公司提供高性能的柱塞泵。图3为EatonVickers某型号航空柱塞泵剖面图。结合该泵的技术特点，大多数民用飞机液压柱塞泵上集成了离心增压涡轮、截止阀、电气降压阀、压力脉动衰减器、内置摆线泵、高性能机械密封等。

图3典型民用飞机液压泵剖面图

针对液压柱塞泵，国内外的一些研究机构围绕着摩擦副、脉动与噪声、排量控制与智能泵、热管理及故障诊断等研究热点开展了一系列理论与实验研究。

图4研究热点及相关研究机构

民用飞机液压柱塞泵主要沿着高压化、高速化、低脉动、长寿命和智能节能五个方向发展，如图5所示。

图5民机液压柱塞泵发展趋势

5.1 高速高压摩擦副设计

液压柱塞泵在高转速、高压力工况条件下工作，其内部的摩擦副是工作最为严酷的部位，也是可靠性最低的部位。摩擦副失效直接导致液压柱塞泵功能性能降低或丧失，威胁飞机的飞行安全，是一直制约液压柱塞泵发展最为重要的因素之一。液压柱塞泵摩擦副主要包括转子和柱塞体的柱塞副、斜盘（或垫板）和滑靴座的滑靴副、转子和配流盘的配流副这三对摩擦副（图6），其次是轴尾机械密封摩擦副。需从设计、工艺等方面对摩擦副进行技术攻关。

1-配流盘；2-中心弹簧；3-转子；4-柱塞；5-滑靴；6-斜盘；7-主轴

图6液压柱塞泵主要摩擦副

5.2 压力脉动抑制技术

降低液压柱塞泵压力脉动的主要途径有：采用较多的柱塞结构，比如十一柱塞、双列、多列柱塞结构；配流盘增加预压缩角、减振槽、减振孔等设计；控制阀芯与变量随动活塞之间设置补偿器；液压柱塞泵出口通道上集成脉动衰减器等。从单一措施来讲，在液压柱塞泵出口通道上集成脉动衰减器对泵的压力脉动抑制效果最为明显。

图7液压柱塞泵脉动抑制措施

5.3 入口增压涡轮

只有保证液压柱塞泵足够的入口压力，使之吸油充分，才可解决空化问题。在液压柱塞泵入口腔内集成增压叶轮是改善吸油特性最有效的方法。图8是液压柱塞泵涡轮增压结构示意图。针对液压柱塞泵涡轮增压，需开展内部流场分析，提高离心涡轮泵与液压柱塞泵的流量匹配性以及涡轮出口压力和配流盘吸油窗口通油能力匹配性等，同时也应考虑叶轮增压对液压柱塞泵压力脉动的影响、共轴多旋转体传动对液压柱塞泵主轴的受力影响等因素。

图8液压柱塞泵涡轮增压结构示意

5.4 热管理

泵发热会引起油液温度上升，将导致泵内各运动零部件磨损加剧，最终导致泵无法正常工作，寿命缩短。目前解决液压柱塞泵发热问题的主要途径有：增加回油量带走热量；优化液压柱塞泵摩擦副结构尺寸、材料、表面粗糙度等；改善泵的工作环境。Parker航空柱塞泵中配备了内齿轮抽油泵，通过强制液压柱塞泵壳体腔内油液流动来降低内部油液的温度，这种方式直接针对了作为泵内局部温度最高点的壳体回油腔油液，热控制效果显著。需对内置抽油泵与液压柱塞泵的压力、流量匹配性等进行深入研究，防止抽油泵对柱塞泵壳体腔油液吸空以及液压柱塞泵壳体压力超高等。

5.5 故障诊断与健康管理

飞机液压系统是飞机起飞、飞行操纵和着陆过程的关键系统，一旦液压系统瘫痪将可能造成机毁人亡的灾难性后果，因此新型飞机对液压系统的可靠性、维修性及维修保障性要求越来越高。由于柱塞泵在飞机液压系统中的关键作用，因此需要实时提供该复杂产品的健康状态，准确快速地进行故障诊断与定位，预测故障和剩余寿命，达到视情维修。液压柱塞泵故障预测与健康管理系统结构如图9所示。

图9液压柱塞泵故障预测与健康管理系统结构

5.6 高参数机械密封

民机液压柱塞泵的轴尾机械密封主要是端面机械密封，是一种依靠动环与静环端面彼此贴合作相对滑转形成摩擦副，并在弹性元件的补偿弹力作用下对动、静环进行压紧，从而实现密封。机械密封工作参数高，线速度可达15 m/s，宽温梯度大(-55℃～200℃)，工作时还承受振动冲击等，寿命要达到数万小时。民用飞机对于液压柱塞泵的轴封泄漏量要求不大于2 mL/h，在液压柱塞泵寿命后期轴尾机械密封性能降低也是制约泵寿命的主要问题之一，液压柱塞泵的轴尾密封性能对泵的可靠性和寿命具有重要影响。

郭生荣，中航工业金城南京机电液压工程研究中心副总经理，研究员，973首席科学家，中航首席技术专家，总装机载系统技术专业组专家，享受国务院特殊津贴专家。南京市政协委员，中国航空学会理事，江苏省航空航天学会副理事长，江苏省军工学会副理事长，江苏省“333高层次人才培养工程”第二层次中青年科学技术带头人。研究方向为飞机机电系统和辅助动力系统设计。主持了多项国务院、中央军委下达的国家级重点型号项目的研制。先后获国家科技进步二等奖1项、国防科技进步奖二等奖2项，第四届“中国航空学会冯如航空科技精英奖”，航空学会一等奖1项、中国航空学会科技奖三等奖1项、航空学会二等奖1项，中航科技进步奖一等奖1项。获发明专利20余项，已发表学术论文30余篇，撰写专著2部。