一种飞机液压管道用卡箍及其设计方法

摘要

本发明公开了一种飞机液压管道用卡箍及其设计方法，方法包括：一、建立卡箍和液压管道振动学方程模型，获取隔振传递率；二、根据飞机飞行剖面，得出目标函数，确定优化参数阻尼率ξ；三、根据优化的阻尼率确定飞机液压管道用卡箍的材料，设计卡箍结构。卡箍包括紧固螺栓、弹簧垫片、上金属橡胶垫块、上ABS塑料卡箍块、下ABS塑料卡箍块和下金属橡胶垫块；下ABS塑料卡箍块内嵌入下金属橡胶垫块，上ABS塑料卡箍块内嵌入上金属橡胶垫块，飞机液压管道位于下金属橡胶垫块与上金属橡胶垫块之间，两个紧固螺栓穿过上ABS塑料卡箍块和下ABS塑料卡箍块，紧固螺栓与上ABS塑料卡箍块之间设有弹簧垫片。本发明提出了以飞机飞行剖面确定的激振源频率点所对应的隔振率加权和为设计卡箍参数的依据，并根据此设计卡箍。

权利要求

1.一种飞机液压管道用卡箍的设计方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一：建立卡箍和液压管道振动学方程模型，获取隔振传递率；

建立卡箍模型，飞机液压充液管道为集中质量块m，k为卡箍刚度，c为卡箍阻尼系数，飞机液压管道中流体的脉动产生的激振力为F(t)，管道受到振动冲击位移为x(t)，Fb(t)表示传递到飞机基础支架上的力；

建立模型运动方程：

设作用在飞机液压管道激振力与位移为：iωt

F(t)＝Fe （2）

iωt

x(t)＝Xe （3）

其中，ω为管道激振源振动频率，F，X是由初始条件确定的常数；将式（2）、（3）代入式（1）中，得：

2 iωt iωt iωt iωt

-ωmXe +iωcXe +kXe ＝Fe （4）传递到飞机基础支架上的力为Fb(t)：将式（3）代入（6）中，可得：

（7）

其中，ωn为充液管道的固有频率， ξ为充液管道的阻尼率，传递到飞机基础支架上的Fb(t)与F(t)之间绝对值之比称为隔振传递率T；

则飞机液压管道经过卡箍的隔振传递率T为：步骤二：根据飞机飞行剖面，得出目标函数,确定优化参数ξ；

根据飞机飞行剖面，得到飞机液压泵在不同转速下的时间比例，飞机液压泵转速与激振源频率一一对应，不同频率所占据的时间比例不同，设定不同频率点的权重比，以不同频率点带入到式（8）中得到不同的隔振传递率，将各传递率以权重比分配得到加权和TF，如式（9）所示；

TF＝a1T(ω1)+a2T(ω2)+···aiT(ωi)+···+amT(ωm) （9）其中，ωi为飞机液压泵不同转速对应的频率；ai为飞机液压泵不同转速所占据的时间百分比；式（9）为优化的目标函数，其中，ωn是确定值；ξ是阻尼率， 是与卡箍阻尼和刚度有关的值，因此改变卡箍材料，优化其阻尼率使式（9）值降为最低；

步骤三、根据优化的阻尼率确定飞机液压管道用卡箍的材料，设计卡箍结构；

通过步骤二得到的阻尼率ξ，查阅相关手册，选择飞机液压管道用卡箍的材料，设计卡箍结构。

说明书

一种飞机液压管道用卡箍及其设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于飞机液压系统高频振动管路减振领域，具体涉及一种飞机液压管道用卡箍及其设计方法。

背景技术

[0002] 由于飞机液压泵源脉动式的流量输出，飞机液压管道会受到流体的脉动冲击，过大的振动冲击会导致管道破裂造成飞机失事，因此对于飞机管道进行减振设计是亟待解决的问题。新机型设计之初，除了选择符合静强度和疲劳强度要求的支撑结构材料和管道材料外，还要对管道系统进行必要的测试和调整，使管道系统的固有频率避开流体脉动频率，排除流体的脉动引发管道系统疲劳破坏的可能性。由于飞机液压流体具有高压、高速、脉动大的特点，如果没有发生输液管道内流体脉动和固体管道的流固耦合振动，但是压力脉动或者谐振增强后的压力脉动幅值过大，使作用于管壁上的压力脉动超过了管道材料的允许应力极限，甚至超过了管道材料的屈服应力极限，则将在短时间内造成管壁的破裂。

[0003] 以往对管道卡箍都采用经验设计，过多侧重卡箍刚度的设计，但忽视了两个因素：1)现代飞机液压泵转速较高，所对应的激振源频率值较高；2)由于管道是一种梁结构，同时管道充满油液，因此充液管道的固有频率很难达到激振源频率的2.5倍以上，有时甚至小于激振源频率，当管道卡箍设计不当时容易发生管道的共振，因此选择恰当的减振刚度与阻尼并降低卡箍重量是设计卡箍的重要依据。

[0004] 目前国内飞机较多的采用加橡胶垫圈的金属卡箍，如图1所示，目前飞机采用的是HB3-25-2002带垫的夹紧卡箍，卡箍由外围卡箍块(带)和橡胶垫片组成，卡箍块(带)一般采用1Cr18Ni9材料，橡胶为丁腈橡胶材料。

[0005] 此种结构卡箍具备了一定的刚性和阻尼性，橡胶可以吸收部分管道振动，但存在以下缺陷：

[0006] 1)橡胶材料不耐高温，易老化，长时间管道振动会导致橡胶材料失效，导致卡箍支撑存在微动磨损，随着微动磨损的发展，支撑刚度逐渐下降，从而使管道的固有频率逐渐降低，当降低的管道固有频率与压力脉动频率接近或者重合时，发生流固耦合的振动，同样造成管路系统的失效。

[0007] 2)飞机卡箍外围起固定作用的箍块(带)采用金属材料具有很高的刚度，但由于一架飞机的卡箍数量非常多，飞机的设计指标之一是尽最大可能减轻质量，过多的金属材料卡箍会带来额外的重量。

发明内容

[0008] 本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种飞机液压管道用卡箍及其设计方法，首先根据飞机飞行剖面确认激振源各频率点的权重，根据权重比计算卡箍的隔振率得到目标函数，对卡箍阻尼率参数进行优化，通过得到的最优阻尼率选取合适的材料，设计一种新型具有高阻尼、质量轻的复合结构卡箍，使其在飞机液压高频振动管道上发挥消振作用。

[0009] 一种飞机液压管道用卡箍的设计方法，包括以下几个步骤：

[0010] 步骤一：建立卡箍和液压管道振动学方程模型，获取隔振传递率；

[0011] 建立卡箍模型，飞机液压充液管道为集中质量块m，k为卡箍刚度，c为卡箍阻尼系数，飞机液压管道中流体的脉动产生的激振力为F(t)，管道受到振动冲击位移为x(t)，Fb(t)表示传递到飞机基础支架上的力；

[0012] 建立模型运动方程：

[0013]

[0014] 设作用在飞机液压管道激振力与位移为：

[0015] F(t)＝Feiωt (2)

[0016] x(t)＝Xeiωt (3)

[0017] 其中，ω为管道激振源振动频率，F，X是由初始条件确定的常数；将式(2)、(3)代入式(1)中，得：

[0018] -ω2mXeiωt+iωcXeiωt+kXeiωt＝Feiωt (4)[0019]

[0020] 传递到飞机基础支架上的力为Fb(t)：

[0021]

[0022] 将式(3)代入(6)中，可得：

[0023] (7)

[0024]

[0025] 其中，ωn为充液管道的固有频率， ξ为充液管道的阻尼率，传递到飞机基础支架上的Fb(t)与F(t)之间绝对值之比称为隔振传递率T；

[0026] 则飞机液压管道经过卡箍的隔振传递率T为：

[0027]

[0028] 步骤二：根据飞机飞行剖面，得出目标函数，确定优化参数ξ；

[0029] 根据飞机飞行剖面，得到飞机液压泵在不同转速下的时间比例，飞机液压泵转速与激振源频率一一对应，不同频率所占据的时间比例不同，设定不同频率点的权重比，以不同频率点带入到式(8)中得到不同的隔振传递率，将各传递率以权重比分配得到加权和TF，如式(9)所示：

[0030] TF＝a1T(ω1)+a2T(ω2)+…aiT(ωi)+…+amT(ωm) (9)[0031] 其中，ωi为飞机液压泵不同转速对应的频率；ai为飞机液压泵不同转速所占据的时间百分比；式(9)为优化的目标函数，其中，ωn是确定值；ξ是阻尼率， 是与卡箍阻尼和刚度有关的值，因此改变卡箍材料，优化其阻尼率使式(9)值降为最低；

[0032] 步骤三、根据优化的阻尼率确定飞机液压管道用卡箍的材料，设计卡箍结构；

[0033] 通过步骤二得到的阻尼率ξ，查阅相关手册，选择飞机液压管道用卡箍的材料，设计卡箍结构；

[0034] 一种飞机液压管道用卡箍，包括紧固螺栓、弹簧垫片、上金属橡胶垫块、上ABS塑料卡箍块、下ABS塑料卡箍块和下金属橡胶垫块；

[0035] 下ABS塑料卡箍块内嵌入下金属橡胶垫块，上ABS塑料卡箍块内嵌入上金属橡胶垫块，飞机液压管道位于下金属橡胶垫块与上金属橡胶垫块之间，两个紧固螺栓穿过上ABS塑料卡箍块和下ABS塑料卡箍块，将卡箍固定在飞机机体台架上；紧固螺栓与上ABS塑料卡箍块之间设有弹簧垫片。

[0036] 本发明的优点在于：

[0037] (1)首次提出了以飞机飞行剖面确定的激振源频率点所对应的隔振率加权和为设计卡箍参数的依据，此种方法较以前的经验设计法有更充足的理论依据，可以作为一种通用方法在多频率工况耦合下应用，并根据此针对某机型设计了一种高阻尼轻型卡箍；

[0038] (2)新型卡箍具备高阻尼特性，采用的金属橡胶作为减振材料较原有的橡胶不但有更高的阻尼性，同时其本身作为一种金属材料有耐高温且不易老化等优势；

[0039] (3)新型卡箍外围与飞机台架相连接部分选择了ABS塑料，较原有的金属卡箍块(带)不但质量大幅降低，同时其强度、刚度足够保证固定管道；

[0040] (4)新型卡箍在选材理论依据上做了深入挖掘，并根据材料特性设计新型的卡箍结构，使金属橡胶材料内嵌到外围卡箍块中，保证了减振材料的位置稳定性，同时新型结构工艺易于实现，便于批量生产。

附图说明

[0041] 图1是背景技术中卡箍的结构示意图；

[0042] 图2是本发明的方法流程图；

[0043] 图3是本发明的卡箍和液压管道模型示意图；

[0044] 图4是本发明的某型号飞机飞行剖面；

[0045] 图5是本发明的卡箍阻尼率与隔振率变化关系；

[0046] 图6是本发明中应用的金属橡胶与普通橡胶材料的迟滞回线比较；

[0047] 图7是本发明的卡箍与管道安装简化图；

[0048] 图8是本发明的卡箍的三维结构图；

[0049] 图9是本发明的卡箍的二维结构图。

[0050] 图中：

[0051] 1-紧固螺栓 2-弹簧垫片 3-上金属橡胶垫块

[0052] 4-上ABS塑料卡箍块 5-下ABS塑料卡箍块 6-下金属橡胶垫块

[0053] 7-飞机液压管道 8-飞机机体台架

具体实施方式

[0054] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

[0055] 本发明是一种飞机液压管道用卡箍的设计方法，流程如图2所示，包括以下几个步骤：

[0056] 步骤一：建立卡箍和液压管道振动学方程模型，获取隔振传递率。

[0057] 建立卡箍模型，如图3所示，飞机液压充液管道为集中质量块m，k为卡箍刚度，c为卡箍阻尼系数，飞机液压管道中流体的脉动产生的激振力为F(t)，管道受到振动冲击位移为x(t)，Fb(t)表示传递到飞机基础支架上的力。

[0058] 建立模型运动方程：

[0059]

[0060] 设作用在飞机液压管道激振力与位移为：

[0061] F(t)＝Feiωt (11)

[0062] x(t)＝Xeiωt (12)

[0063] 其中，ω为管道激振源振动频率，F，X是由初始条件确定的常数。将式(11)、(12)代入式(10)中，得：

[0064] -ω2mXeiωt+iωcXeiωt+kXeiωt＝Feiωt (13)[0065]

[0066] 传递到飞机基础支架上的力为Fb(t)：

[0067]

[0068] 将式(12)代入(15)中，可得：

[0069] (16)

[0070]

[0071] 其中，ωn为充液管道的固有频率， ξ为充液管道的阻尼率，传递到飞机基础支架上的Fb(t)与F(t)之间绝对值之比称为隔振传递率T。

[0072] 则飞机液压管道经过卡箍的隔振传递率T为：

[0073]

[0074] 步骤二：根据飞机飞行剖面，得出目标函数，确定优化参数ξ。

[0075] 根据飞机飞行剖面，得到飞机液压泵在不同转速下的时间比例，由于飞机液压泵转速与激振源频率一一对应，不同频率所占据的时间比例不同，根据此设定不同频率点的权重比，以不同频率点带入到式(17)中得到不同的隔振传递率，将各传递率以权重比分配得到加权和TF，如式(18)所示。

[0076] TF＝a1T(ω1)+a2T(ω2)+…aiT(ωi)+…+amT(ωm) (18)[0077] 其中，ωi为飞机液压泵不同转速对应的频率；ai为飞机液压泵不同转速所占据的时间百分比。式(18)反应了卡箍的减振效果，是优化的目标函数，式(18)中，ωn是确定值；ξ是阻尼率， 是与卡箍阻尼和刚度有关的值，因此改变卡箍材料优化其阻尼率使式(18)值降为最低，也就是针对不同液压泵的转速使卡箍的减振效果最佳。

[0078] 举例：

[0079] 如图4所示，为某型号飞机飞行剖面。通过飞行剖面，飞机液压泵在全转速下时间比例为29％，80％全转速(巡航转速)下时间比例为63％，65％全转速下时间比例为8％。因此通过调整卡箍的阻尼及刚度可以使隔振率在三种飞行工况下的加权和降到最低。优化的参数是ξ；

[0080] 目标函数是：

[0081] TF＝0.29T1(ω1)+0.63T2(ω2)+0.08T3(ω3) (19)[0082] 通过对式(19)求导可得其最小值，同时得到优化后的阻尼比ξ。

[0083] 通过一实例仿真得到最优卡箍减振参数，飞机一段典型充液管道固有频率为440Hz，飞机液压泵源在全转速下频率为600Hz，80％转速下的频率为480Hz，65％转速下的频率为390Hz，代入式(19)中进行计算，求出ξ在0～5区间内的最小值，如图5所示。

[0084] 从图5中可以看出，当ξ较小时，也就是卡箍刚度过大时，隔振率T值较大，基本无法起到隔振作用，当ξ＝0.5716时，隔振率T取得最小值为0.9845，当ξ＞0.5716时，隔振率T又逐渐增大。通过计算以往普通卡箍的阻尼率ξ较小，一般在0.25附近，因此需要调整卡箍材料使其阻尼率ξ在选取最优值附近。

[0085] 步骤三、确定飞机液压管道用卡箍的材料，设计卡箍结构。

[0086] 通过步骤二得到的阻尼率ξ，查阅相关手册，选择飞机液压管道用卡箍的材料，设计卡箍结构。

[0087] 通过查阅相关手册，并经过详细计算，在步骤二所举实例中，本发明卡箍外围固定结构材料采用高强度ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料)塑料，减振垫采用金属橡胶材料。

[0088] 选择的依据是：1)现有卡箍的减振垫橡胶材料不耐高温，易老化，长时间管道振动会导致橡胶材料失效，因此要选择高阻尼性且耐高温材料作为管道的减振材料，金属橡胶由1Cr18Ni9材料的金属丝缠绕成网状结构，并挤压成型。图6是其与普通橡胶材料的迟滞回线比较，迟滞回线包围面积越大，说明其耗散性能越强，其干摩擦阻尼特性优于橡胶阻尼，同时金属材料耐高温不易老化，因此金属橡胶材料较橡胶减振垫更适合作为减振装置。

[0089] 2)现有卡箍外围固定块(带)所采用的1Cr18Ni9金属材料密度约为7.9g/cm3，3
而ABS材料密度仅有1.04g/cm，其密度仅为1Cr18Ni9的13.2％，可在-40℃～100℃范围内长期使用，同时其抗拉硬度为48MPa，抗弯曲强度为65MPa，因此足够可以作为管道的外围卡箍块，并且使卡箍质量有大幅降低，刚度明显小于金属材料。通过计算所采用的新型卡箍结构阻尼率大约为0.56，接近最优值。

[0090] 本发明首先根据飞机飞行剖面确定了激振源各频率点占据时间的百分比，设定各频率点所对应的隔振率加权和为目标函数，通过调整卡箍阻尼率得到目标函数最小值，同时得到了最优的卡箍参数，并通过此参数选取了合适的材料作为新卡箍选取依据，最后选定金属橡胶块作为减振材料，ABS塑料作为卡箍外围固定材料，并设计了新型卡箍的结构。

[0091] 一种飞机液压管道用卡箍，如图7、图8、图9所示，包括紧固螺栓1、弹簧垫片2、上金属橡胶垫块3、上ABS塑料卡箍块4、下ABS塑料卡箍块5和下金属橡胶垫块6。

[0092] 下ABS塑料卡箍块5内嵌入下金属橡胶垫块6，上ABS塑料卡箍块4内嵌入上金属橡胶垫块3，飞机液压管道7位于下金属橡胶垫块6与上金属橡胶垫块3之间，两个紧固螺栓1穿过上ABS塑料卡箍块4和下ABS塑料卡箍块5，将卡箍固定在飞机机体台架8上。紧固螺栓1与上ABS塑料卡箍块4之间设有弹簧垫片2。

[0093] 如图7所示，飞机液压管道7与卡箍的安装位置关系，从图中可以就看出，ABS塑料卡箍块与飞机机体台架8固联，主要起到飞机液压管道7的固支作用，上金属橡胶垫块3、下金属橡胶垫块6嵌套到塑料卡箍内，起到管道的消振作用。

[0094] 如图9所示，上ABS塑料卡箍块4、下ABS塑料卡箍块5分别在留有d＝1～2mm的槽使上金属橡胶垫块3、下金属橡胶垫块6嵌套到卡箍块中，上金属橡胶垫块3、下金属橡胶垫块6留在卡箍块外面的部分为2～3mm；当飞机液压管道7位于卡箍内时，上部分结构与下部分结构留有w＝1mm间隙，用紧固螺栓1加紧飞机液压管道7。