考虑接触变形的航空管路扩口接头泄漏率计算方法及系统

摘要

本发明公开了一种考虑接触变形的航空管路扩口接头泄漏率计算方法及系统。该方法包括：基于赫兹接触理论，将导管表面波峰转化为导管表面半球体，将管接头表面波峰转化为管接头表面半球体，根据导管表面半球体的半径、管接头表面半球体的半径、导管参数、管接头参数和轴向预紧力，基于渗流理论和有效介质理论，计算接触阈值，根据接触阈值计算航空管路扩口接头泄漏率。采用本发明的方法及系统，能够解决飞机液压管路部件级装配后，油密测试泄漏状态难以定量表征、判定精度较低的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及航空管路装配测试与自动化技术领域，特别是涉及一种考虑接触变形的航空管路扩口接头泄漏率计算方法及系统。

背景技术

在现阶段飞机液压管路系统装配测试过程中，以航空液压油为测试介质，利用液压测试实验车，对飞机部件级装配后的液压管路系统进行接头的密封性能测试。航空管路接头的密封性能要求高，工作压力大，在工作前需要进行密封性能测试。航空管路接头常使用扩口式接头，密封面为配合锥面结构，配合锥面在外螺母扭矩的作用下相互挤压并形成密封环。实际情况中，由于管路制造误差和装配误差的存在，配合锥面形成的密封结构并非理想的密封环境，例如表面粗糙度、圆度等的影响，微观下，配合锥面之间存在微小的缝隙，这些缝隙在管路通油的时候可能会形成泄漏通道，最终导致密封失效；若装配轴向预紧力、锥面接触变形等因素的综合作用，使得流体介质恰好没有形成泄漏通道并流出，则实现密封。

现有的测试过程采用15号航空液压油，采用液压油进行密封性能测试在接头较大泄漏处的结果易于观察判定，但是仅限于定性层面。此外，管路系统进行油密测试时，存在许多较小泄漏处，不易观察与表征，在测试过程中排查难度大、效率低。需要对接头处的泄漏状态进行定量计算与表征，同时建立接头泄漏量与压力损耗之间的关系，为构建接头泄漏的压力响应模型奠定基础。

在机械密封领域，关于界面密封泄漏率计算已经形成一套比较实用的理论。该理论的基础主要基于流体的能量方程，有效介质理论在针对流体特性研究的基础上，解决小间隙下的流体运动通量问题，给出了不同流体介质在微观泄漏通道下的流量特征系数，可用于构建泄漏量模型。现有的泄漏量模型为轴承接触密封工况下构建的，为圆柱面接触状态下的密封泄漏计算。这与航空扩口式接头的工况存在差异：

(1)接头配合密封面为锥面，更容易受装配误差的影响；

(2)接头密封界面装配后存在较大的界面压力，间隙结构存在变化。

航空扩口式接头为锥面-锥面密封结构，受装配误差和制造误差等的影响，配合锥面易形成密封缺陷且难以控制。由于管路液压油工作压力较大，为保证密封性，接头密封界面装配后存在较大的界面压力，密封结构微观间隙产生变化，从粗糙度尺度看，波峰被压平，波谷被填充，形成较复杂的新的密封结构。现有的泄漏率模型针对的间隙结构一般为不产生较明显赫兹接触的界面压力，因此用于计算航空扩口式接头的泄漏率误差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑接触变形的航空管路扩口接头泄漏率计算方法及系统，能够解决飞机液压管路部件级装配后，油密测试泄漏状态难以定量表征、判定精度较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种航空管路扩口接头泄漏率计算方法，包括：

基于赫兹接触理论，将导管表面波峰转化为导管表面半球体，将管接头表面波峰转化为管接头表面半球体；

获取所述导管表面半球体的半径、所述管接头表面半球体的半径、导管参数、管接头参数和轴向预紧力；

根据所述导管表面半球体的半径、所述管接头表面半球体的半径、所述导管参数、所述管接头参数和所述轴向预紧力，基于渗流理论和有效介质理论，计算接触阈值；

根据所述接触阈值计算航空管路扩口接头泄漏率。

可选的，所述根据所述导管表面半球体的半径、所述管接头表面半球体的半径、所述导管参数、所述管接头参数和所述轴向预紧力，基于渗流理论和有效介质理论，计算接触阈值，具体包括：

根据如下公式计算接触阈值：

其中，

R

式中，P

可选的，所述根据所述接触阈值计算航空管路扩口接头泄漏率，具体包括：

判断所述接触阈值是否在预设范围内，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果为是，则获取密封流体的参数，根据所述密封流体的参数和所述接触阈值计算航空管路扩口接头泄漏率；

若所述第一判断结果为否，则航空管路扩口接头泄漏率为0。

可选的，所述根据所述密封流体的参数和所述接触阈值计算航空管路扩口接头泄漏率，具体包括：

根据如下公式计算航空管路扩口接头泄漏率：

其中，

d＝(d

R

R

式中，Q为航空管路扩口接头泄漏率，d为密封流体的等效进入直径，d

本发明还提供一种航空管路扩口接头泄漏率计算系统，包括：

半球体转化模块，用于基于赫兹接触理论，将导管表面波峰转化为导管表面半球体，将管接头表面波峰转化为管接头表面半球体；

数据获取模块，用于获取所述导管表面半球体的半径、所述管接头表面半球体的半径、导管参数、管接头参数和轴向预紧力；

接触阈值计算模块，用于根据所述导管表面半球体的半径、所述管接头表面半球体的半径、所述导管参数、所述管接头参数和所述轴向预紧力，基于渗流理论和有效介质理论，计算接触阈值；

航空管路扩口接头泄漏率计算模块，用于根据所述接触阈值计算航空管路扩口接头泄漏率。

可选的，所述接触阈值计算模块，具体包括：

接触阈值计算单元，用于根据如下公式计算接触阈值：

其中，

R

式中，P

可选的，所述航空管路扩口接头泄漏率计算模块，具体包括：

航空管路扩口接头泄漏率计算单元，用于判断所述接触阈值是否在预设范围内，得到第一判断结果；若所述第一判断结果为是，则获取密封流体的参数，根据所述密封流体的参数和所述接触阈值计算航空管路扩口接头泄漏率；若所述第一判断结果为否，则航空管路扩口接头泄漏率为0。

可选的，所述航空管路扩口接头泄漏率计算单元，具体包括：

航空管路扩口接头泄漏率计算子单元，用于根据如下公式计算航空管路扩口接头泄漏率：

其中，

d＝(d

R

R

式中，Q为航空管路扩口接头泄漏率，d为密封流体的等效进入直径，d

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种考虑接触变形的航空管路扩口接头泄漏率计算方法及系统，基于赫兹接触理论，将导管表面波峰转化为导管表面半球体，将管接头表面波峰转化为管接头表面半球体，根据导管表面半球体的半径、管接头表面半球体的半径、导管参数、管接头参数和轴向预紧力，基于渗流理论和有效介质理论，计算接触阈值，根据接触阈值计算航空管路扩口接头泄漏率。本发明能够解决飞机液压管路部件级装配后，油密测试泄漏状态难以定量表征、判定精度较低的问题。

此外，本发明能够实现静态连接状态下接头泄漏率的计算，改善现有液压管路使用液压油测试中较小泄漏量无法定量表征的问题，本发明的泄漏率计算方法能为研发微小泄漏状态下的泄漏仪提供理论支撑，并且能够计算不同流体介质的泄漏率，实现相同泄漏状态下管路内压的等效转化，便于后续计算接头相同泄漏状态下的不同测试介质压力响应等效关系。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中考虑接触变形的航空管路扩口接头泄漏率计算方法流程图；

图2为本发明实施例中扩口接头泄漏率计算优化原理图；

图3为本发明实施例中扩口接头微观形貌示意图；

图4为本发明实施例中赫兹接触变形示意图；

图5为本发明实施例中有效接触面积计算示意图；

图6为本发明实施例中界面压力计算原理图；

图7为本发明实施例中接头泄漏率计算参数示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种考虑接触变形的航空管路扩口接头泄漏率计算方法及系统，能够解决飞机液压管路部件级装配后，油密测试泄漏状态难以定量表征、判定精度较低的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

图1为本发明实施例中考虑接触变形的航空管路扩口接头泄漏率计算方法流程图，如图1所示，一种考虑接触变形的航空管路扩口接头泄漏率计算方法，包括：

步骤101：基于赫兹接触理论，将导管表面波峰转化为导管表面半球体，将管接头表面波峰转化为管接头表面半球体。

步骤102：获取导管表面半球体的半径、管接头表面半球体的半径、导管参数、管接头参数和轴向预紧力。

步骤103：根据导管表面半球体的半径、管接头表面半球体的半径、导管参数、管接头参数和轴向预紧力，基于渗流理论和有效介质理论，计算接触阈值。

步骤103，具体包括：

根据如下公式计算接触阈值：

其中，

R

式中，P

步骤104：根据接触阈值计算航空管路扩口接头泄漏率。

步骤104，具体包括：

判断接触阈值是否在预设范围内，得到第一判断结果；

若第一判断结果为是，则获取密封流体的参数，根据密封流体的参数和接触阈值计算航空管路扩口接头泄漏率；

若第一判断结果为否，则航空管路扩口接头泄漏率为0。

其中，根据密封流体的参数和接触阈值计算航空管路扩口接头泄漏率，具体包括：

根据如下公式计算航空管路扩口接头泄漏率：

其中，

d＝(d

R

R

式中，Q为航空管路扩口接头泄漏率，d为密封流体的等效进入直径，d

本发明还提供一种考虑接触变形的航空管路扩口接头泄漏率计算系统，包括：

半球体转化模块，用于基于赫兹接触理论，将导管表面波峰转化为导管表面半球体，将管接头表面波峰转化为管接头表面半球体。

数据获取模块，用于获取导管表面半球体的半径、管接头表面半球体的半径、导管参数、管接头参数和轴向预紧力。

接触阈值计算模块，用于根据导管表面半球体的半径、管接头表面半球体的半径、导管参数、管接头参数和轴向预紧力，基于渗流理论和有效介质理论，计算接触阈值。

航空管路扩口接头泄漏率计算模块，用于根据接触阈值计算航空管路扩口接头泄漏率。

其中，

接触阈值计算模块，具体包括：

接触阈值计算单元，用于根据如下公式计算接触阈值：

其中，

R

式中，P

航空管路扩口接头泄漏率计算模块，具体包括：

航空管路扩口接头泄漏率计算单元，用于判断接触阈值是否在预设范围内，得到第一判断结果；若第一判断结果为是，则获取密封流体的参数，根据密封流体的参数和接触阈值计算航空管路扩口接头泄漏率；若第一判断结果为否，则航空管路扩口接头泄漏率为0。

航空管路扩口接头泄漏率计算单元，具体包括：

航空管路扩口接头泄漏率计算子单元，用于根据如下公式计算航空管路扩口接头泄漏率：

其中，

d＝(d

R

R

式中，Q为航空管路扩口接头泄漏率，d为密封流体的等效进入直径，d

为了解决现有检测方法无法实现航空扩口式管路接头泄漏量定量表征的问题，本发明提供了一种在飞机部装液压管路接头密封性能测试中应用的接头泄漏率计算模型，能够实现飞机液压管路接头密封性临界值和泄漏率的计算。

本发明的接头泄漏率定量计算方法基于构建的接头锥-锥配合面微观密封结构模型，结合流体密封特性，建立接头密封临界值及泄漏模型，可用于计算扩口式接头处的泄漏率，可进一步用于计算接头产生泄漏时气-液等效压力等。

本发明方法实现步骤：

1.分析扩口式接头密封结构形式，重构接头配合界面的表面形貌，基于现有的轴承泄漏率模型，分析待优化界面间隙参数的特征，基于渗流理论计算配合界面不同密封状态下的接触变形。

2.通过赫兹接触理论，计算接触变形后等效间隙高度，代入现有泄漏率计算公式中得到优化后的泄漏率计算模型。针对理论上的完全接触密封状态和泄漏状态分别计算密封面间隙高度，代入计算模型中，得到泄漏率模型分段表达。

该方法的主要技术思路为考虑接头密封配合面的变形量对泄漏率的影响，利用赫兹接触理论计算接头微观密封间隙结构变形量，优化现有泄漏率计算模型，并基于渗流理论计算接头密封零泄漏量的临界变形量，对优化的泄漏率公式进行分段表示。

如图2所示，图2中的α为扩口式接头锥面锥角为74度，β为装配误差偏心角，计算时为无偏角理想状态，值为0。

航空扩口接头泄漏率优化计算方法优化的原理如下：

航空扩口接头的密封形式为扩口管的内表面和管接头的外表面的锥-锥面配合，在预紧力矩的作用下，两锥面相互挤压，形成密封结构。从宏观尺度看，两锥面形成完整的密封结构，没有间隙；但是从微观尺度看，零件表面并未形成致密接触，由于表面粗糙度的影响，存在微观间隙，密封面挤压后产生变形间隙较少，但依旧存在。当间隙达到一定高度和区域时便形成泄漏通道，从而产生泄漏。因此，首先求解表面粗糙度的尺度的密封结构间隙，其次求解界面的接触变形量，然后根据变形量对泄漏状态进行划分，最后建立优化模型。

S1：零件表面粗糙度通常使用统计学来量化，大多数表面粗糙度是随机的，表面高度的分布通常遵循高斯分布，根据平行粗糙表面的密封模型，可以得到金属密封的平均泄漏间隙h：

式中，h为平均泄漏间隙，在数值上等于粗糙深度构成的缝隙高度，R

S2：基于赫兹接触理论，分析粗糙表面挤压变形过程，计算不同界面压力下的密封面接触变形量δ；

根据S1中描述，粗糙表面的微观形貌分布具有随机性，不便于进行接触变形计算。因此，赫兹接触理论作如下处理：提取一组表面波峰，简化为半球体，赫兹接触假设变形是弹性的，相对于物体的整体尺寸，接触面积的尺寸很小，半径可以被认为是恒定的。接触变形、接触面积、接触区应力的解由传统的赫兹理论求解。

在接头预紧力矩的作用下，密封界面产生界面压力，微观形貌产生：

接触变形：

接触面积：A＝πa

接触变形后形成圆形面积，半径a由下式给出：

如图4所示，F

组合半球体的有效模量E

其中，E

由于导管和接头均为不锈钢材质，表面粗糙度加工等级均为R

R

R＝R

S3：基于渗流理论和有效介质理论，分析形成界面“零泄漏”的接触变形条件，联立计算不同密封状态下的密封面间隙量；

由于液体分子大小及动力粘度的影响，在微观间隙结构下的密封状态比较复杂，存在一定的不确定性。微观间隙结构下，介质能否从顶端贯穿该材料直至到达底部。直到19世纪80年代由哈里·凯斯滕给出二维方格的渗流接触阈值的完整证明，渗流阈值为0.5时不会形成泄漏通道。在实际的弹性接触中，根据Bruggeman有效介质理论，Bruggeman接触阈值为0.42时，视为“零泄漏”状态。

根据赫兹接触理论、渗流理论和有效介质理论定义的有关参数如下：

A

A

P

P

S2中考虑导管和接头材质、粗糙度的相同，简化了部分公式。在此，为便于计算，提取一组半球体中的其中一个半球体进行有效接触面积的表述和计算。两个半球体尺寸一致，则每个半球体的轴向接触变形量为总变形量的一半。将粗糙表面等效为半球体时，所在的范围为其地面圆形的外切正方形。具体如图5所示。

有效接触面积：

已知公式(3)求解接触面积为：A＝πa

联立公式(8)求解：

带回公式(2)，联立公式(4)、(9)，得到：

公式(12)中，R

变形后的间隙：H＝h-δ(13)

S4：基于现有泄漏模型，结合S2-S3部分的计算工作，优化模型；

根据Mayer推导的边界摩擦条件下泄漏率计算公式：

根据S2，S3部分优化后的间隙H，得到优化后的泄漏率计算模型：

Q＝{0|其他}

Q＝{0|其他}d为密封流体的等效进入直径，d

本发明能够实现静态连接状态下接头泄漏率的计算，改善现有液压管路使用液压油测试中较小泄漏量无法定量表征的问题，建立的泄漏率计算模型可以为研发微小泄漏状态下的泄漏仪提供理论支撑。建立的泄漏率优化计算模型，可以计算不同流体介质的泄漏率，并能够实现相同泄漏状态下管路内压的等效转化，便于后续计算接头相同泄漏状态下的不同测试介质压力响应等效关系。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。