一种航空减速器回油性能定量评估与优化方法及系统

本发明涉及航空传动系统润滑与冷却，具体是涉及到一种航空减速器回油性能定量评估与优化方法及系统。

背景技术：

1、航空减速器是航空传动系统中的重要组成部分，其内部通常设置有齿轮、轴承以及相应的润滑和回油结构。航空减速器在高速、重载以及姿态变化等工况下运行时，润滑油在齿轮啮合、离心甩油、重力回流、壁面附着以及局部导流结构等因素的共同作用下，会在减速器内部形成飞溅、聚集、滞留和回流等复杂流动状态。润滑油在对齿轮、轴承等运动部件进行润滑的同时，还承担冷却及热量传递作用，因此，减速器内部润滑油能否及时、稳定地由回油口排出，是减速器润滑系统设计过程中需要考虑的重要因素。

2、目前，针对齿轮箱或航空减速器内部的润滑油流动过程，通常采用有限体积法、光滑粒子流体动力学方法、格子玻尔兹曼方法等数值计算方法建立气液两相流模型，对减速器内部润滑油的运动过程进行分析。在完成数值计算后，一般通过润滑油分布云图、回油口流量曲线或者相应的试验观察结果，对减速器内部的润滑状态以及回油状态进行判断。

3、在现有的回油性能分析过程中，通常需要根据回油口流量随时间的变化曲线确定减速器是否进入稳定回油状态。然而，稳定阶段的确定往往依赖于分析人员对流量曲线进行人工观察和选取，不同分析人员或者不同运行工况下所选择的稳定时间区间可能存在差异，使得基于所述稳定时间区间获得的评价结果缺乏统一的判定依据。

4、同时，现有回油性能评价方法较多采用回油口流量或者回油率等单一参数表征减速器整体回油情况，而减速器内部的润滑油在回流过程中可能存在局部聚集或者滞留现象，仅根据回油口处的流量数据难以表征减速器内部不同区域的油液分布情况以及内部积油程度。另一方面，现有的润滑油分布云图通常主要用于对内部流动状态进行可视化展示，回油口流量时域数据与内部润滑油空间分布数据之间缺少统一的数据处理和评价方式，因而不同结构方案或者不同工况之间的回油状态不易进行定量比较。

5、此外，航空减速器的回油性能不仅与回油量有关，还与稳定回油阶段内的流量波动、减速器内部的油液滞留以及启动或工况切换后的回油建立过程有关。现有以回油率为主的评价方式难以同时表征回油充分程度、内部积油程度、回油流量稳定程度以及回油动态响应过程，因而难以形成能够综合表征不同运行工况下回油状态的统一评价结果。

6、进一步地，在获得减速器回油性能评价结果后，现有评价结果与减速器结构参数之间通常缺少明确的对应关系。例如，当减速器在某一运行工况下出现回油不足、内部积油、回油流量波动或者回油响应迟滞时，现有评价方式难以直接依据评价结果确定应当针对回油口尺寸、回油通道、回油口位置、导流结构或者腔体壁面等结构进行何种调整，从而使回油性能评价与后续结构优化之间存在一定脱节。

7、因此，有必要对航空减速器回油性能的分析和评价方式进行改进，以建立能够对稳定回油阶段、内部油液分布、回油流量变化以及不同工况下的回油状态进行统一处理的定量评价方法，并使评价结果能够与航空减速器的回油结构设计相对应。

技术实现思路

1、本发明提供了一种航空减速器回油性能定量评估与优化方法及系统，其目的是解决现有航空减速器回油性能评价依赖人工判断、评价指标单一且难以兼顾内部积油与动态响应，并且评价结果与结构优化缺乏明确对应关系的问题。

2、为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种航空减速器回油性能定量评估与优化方法，包括如下步骤：

3、获取航空减速器在多个预设工况下的回油口流量时域数据、入口总流量以及内部油相体积分数场；

4、根据所述回油口流量时域数据，采用滑动窗口双判据识别各所述预设工况对应的稳定回油阶段；

5、根据所述稳定回油阶段、所述入口总流量以及所述内部油相体积分数场，计算各所述预设工况对应的回油性能评价指标，所述回油性能评价指标包括稳定平均回油率、空间积油率、回油波动系数和回油响应时间；

6、根据各所述预设工况对应的回油性能评价指标，计算各所述预设工况对应的综合回油性能指数；

7、根据各所述预设工况对应的综合回油性能指数以及对应的工况权重，计算所述航空减速器的多工况综合回油性能指数；

8、根据各所述回油性能评价指标、所述综合回油性能指数以及所述多工况综合回油性能指数，确定所述航空减速器的结构优化方向；

9、根据所述结构优化方向调整所述航空减速器的回油结构参数。

10、进一步的，获取航空减速器在多个预设工况下的回油口流量时域数据、入口总流量以及内部油相体积分数场的方法包括：

11、建立所述航空减速器的三维模型；

12、从所述三维模型中提取所述航空减速器的内部流体域；

13、基于所述内部流体域建立气液两相流数值仿真模型；

14、采用所述气液两相流数值仿真模型分别对多个所述预设工况进行气液两相流仿真，得到各所述预设工况对应的仿真结果；

15、从各所述预设工况对应的仿真结果中获取所述回油口流量时域数据、所述入口总流量以及所述内部油相体积分数场。

16、进一步的，采用滑动窗口双判据识别各所述预设工况对应的稳定回油阶段的方法包括：

17、按照预设时间窗口长度将所述回油口流量时域数据划分为多个连续的时间窗口；

18、提取各所述时间窗口内的回油口流量数据，作为对应时间窗口的窗口回油口流量数据，并对所述窗口回油口流量数据进行平均处理，得到各所述时间窗口对应的窗口平均回油口流量；

19、根据各所述时间窗口对应的窗口回油口流量数据以及窗口平均回油口流量，计算各所述时间窗口对应的窗口回油口流量波动程度；

20、根据相邻两个所述时间窗口对应的窗口平均回油口流量之间的变化程度，以及各所述时间窗口对应的窗口回油口流量波动程度，对多个所述时间窗口进行双判据筛选；

21、在连续多个时间窗口满足所述双判据，且自首次满足所述双判据的时间窗口起始时刻之后，所述回油口流量时域数据中的回油口流量值不再随时间持续上升或持续下降时，确定所述稳定回油阶段。

22、进一步的，所述稳定平均回油率的计算方法包括：

23、从所述回油口流量时域数据中提取所述稳定回油阶段内的回油口流量数据，得到稳定阶段回油口流量数据；

24、对所述稳定阶段回油口流量数据进行平均处理，得到稳定阶段回油口流量平均值；

25、根据所述稳定阶段回油口流量平均值以及所述入口总流量计算所述稳定平均回油率。

26、进一步的，所述空间积油率的计算方法包括：

27、根据所述内部油相体积分数场计算所述稳定回油阶段内各保存时刻对应的内部油液体积；

28、对所述稳定回油阶段内各保存时刻对应的内部油液体积进行平均处理，得到稳定阶段平均内部积油体积；

29、根据所述稳定阶段平均内部积油体积以及所述内部流体域的有效容积计算所述空间积油率。

30、进一步的，所述回油波动系数的计算方法包括：

31、根据所述稳定阶段回油口流量数据以及所述稳定阶段回油口流量平均值，计算所述稳定回油阶段内的回油口流量离散程度；

32、根据所述回油口流量离散程度以及所述稳定阶段回油口流量平均值计算所述回油波动系数。

33、进一步的，所述回油响应时间的计算包括：

34、根据所述稳定阶段回油口流量平均值确定回油响应判定基准；

35、将所述回油口流量时域数据中的各回油口流量值与所述回油响应判定基准进行比较，确定所述回油口流量时域数据中的回油口流量值首次达到所述回油响应判定基准的时刻；

36、将所述时刻确定为所述回油响应时间。

37、进一步的，计算所述综合回油性能指数以及所述多工况综合回油性能指数方法包括：

38、分别对各所述预设工况对应的稳定平均回油率、空间积油率、回油波动系数以及回油响应时间进行无量纲化处理，得到各所述预设工况对应的无量纲评价指标；

39、根据各所述预设工况对应的无量纲评价指标进行加权计算，得到各所述预设工况对应的综合回油性能指数；

40、根据各所述预设工况的重要程度、飞行任务持续时间占比、转速区间占比或者试验评价要求确定各所述预设工况的工况权重；

41、根据各所述预设工况对应的综合回油性能指数以及对应的工况权重进行加权计算，得到所述多工况综合回油性能指数。

42、进一步的，确定所述航空减速器的结构优化方向并调整所述航空减速器的回油结构参数的方法包括：

43、根据各所述预设工况对应的综合回油性能指数以及所述多工况综合回油性能指数，确定待优化工况；

44、将所述待优化工况对应的稳定平均回油率、空间积油率、回油波动系数以及回油响应时间分别与对应的目标回油率、空间积油率允许上限、回油波动系数允许上限以及回油响应时间允许上限进行比较，得到指标比较结果；

45、根据所述指标比较结果确定所述待优化工况对应的优化条件，其中：

46、第一优化条件为：所述稳定平均回油率低于对应的目标回油率，且所述空间积油率高于对应的空间积油率允许上限；

47、第二优化条件为：所述稳定平均回油率不低于对应的目标回油率，且所述空间积油率高于对应的空间积油率允许上限；

48、第三优化条件为：所述回油波动系数高于对应的回油波动系数允许上限；

49、第四优化条件为：所述回油响应时间高于对应的回油响应时间允许上限；

50、当满足所述第一优化条件时，从回油口截面、回油通道截面、回油通道局部结构以及回油口位置中确定至少一项第一待调整回油结构参数；

51、当满足所述第二优化条件时，从腔体底部导流结构、导油槽、导油筋以及腔体壁面倾角中确定至少一项第二待调整回油结构参数；

52、当满足所述第三优化条件时，从回油口截面、导油通道截面过渡、回油口附近腔体结构以及喷嘴流量分配中确定至少一项第三待调整回油结构参数；

53、当满足所述第四优化条件时，从油液汇集区域至回油口的导流路径、回油口高度、回油口位置以及导流结构中确定至少一项第四待调整回油结构参数；

54、根据所述第一待调整回油结构参数、第二待调整回油结构参数、第三待调整回油结构参数和第四待调整回油结构参数中的至少一项，调整所述航空减速器的回油结构。

55、为实现上述目的，本发明第二方面提供了一种航空减速器回油性能定量评估与优化系统，包括：

56、数据获取模块，用于获取航空减速器在多个预设工况下的回油口流量时域数据、入口总流量以及内部油相体积分数场；

57、稳定回油阶段识别模块，用于根据所述回油口流量时域数据，采用滑动窗口双判据识别各所述预设工况对应的稳定回油阶段；

58、回油性能评价指标计算模块，用于根据所述稳定回油阶段、所述入口总流量以及所述内部油相体积分数场，计算各所述预设工况对应的回油性能评价指标，所述回油性能评价指标包括稳定平均回油率、空间积油率、回油波动系数和回油响应时间；

59、综合回油性能指数计算模块，用于根据各所述预设工况对应的回油性能评价指标，计算各所述预设工况对应的综合回油性能指数；

60、多工况综合回油性能指数计算模块，用于根据各所述预设工况对应的综合回油性能指数以及对应的工况权重，计算所述航空减速器的多工况综合回油性能指数；

61、结构优化方向确定模块，用于根据各所述预设工况对应的回油性能评价指标、综合回油性能指数以及所述多工况综合回油性能指数确定所述航空减速器的结构优化方向；

62、回油结构参数调整模块，用于根据所述结构优化方向确定待调整的回油结构参数。

63、本发明的有益效果：

64、与现有技术相比，本发明提供的一种航空减速器回油性能定量评估与优化方法及系统，通过对航空减速器回油口流量时域数据与内部油相体积分数场进行联合分析，采用滑动窗口双判据识别稳定回油阶段，并基于稳定平均回油率、空间积油率、回油波动系数和回油响应时间对不同工况下的回油性能进行定量表征，再通过综合回油性能指数及多工况综合回油性能指数实现多指标、多工况的统一评价，同时根据各评价指标与对应评价基准之间的关系确定回油薄弱环节及结构优化方向，从而减少人工选取稳定阶段带来的主观性，使回油充分性、内部积油程度、回油稳定性及动态响应能够得到综合评价，并建立评价结果与回油口、回油通道、导流结构及腔体结构优化之间的对应关系。