基于TRIZ理论航空液压控制阀集成化轻量化关键技术分析

罗鹏程

（航空工业飞机起落架有限责任公司，长沙410200）

航空液压元件及系统的集成化轻量化设计可降低设备自重、减小原动机功率需求，从而有效提高装备的机动性能、续航能力和人员物资的搭载能力，同时还具有节能减排、绿色制造等优点。据文献统计[1]，飞机重量每减轻1%，其性能将提高3%～5%，且能耗和运营成本将显著降低。大型移动高端装备的集成轻量化设计反映了国家工业技术水平，是大国重器的重要体现。

目前液压控制阀的集成化轻量化已完成了“少管化”“无管化”及“去（单个元件）阀体化”“去（安装面用的）油路块化”的发展历程，进一步集成技术主要体现在下述方面：

（1）液压元件结构的进一步融合

在液压元件或液压系统设计中，可以将元件或系统中多个零件的结构进行融合，从而减少零件个数来实现结构的紧凑化、集成化。

（2）液压元件功能的进一步复合

在液压元件或液压系统设计中，可以将元件或系统中某一零件的功能与其它零件功能进行复合，从而减少零件个数来实现结构的紧凑化、集成化。

本文结合TRIZ理论就液压控制阀组的集成化轻量化关键技术进行了初步探讨，期望为航空液压元件及系统的集成创新设计提供可行研发路径。

1 TRIZ的矛盾动力理论和分析方法

TRIZ理论认为矛盾存在于技术系统并为技术系统的发展提供根本动力，技术矛盾的分析、识别和解决就是创新发明的三部曲[2]。技术矛盾是指技术系统中某一参数（或特性）得到改善的同时，将导致另一参数（或特性）发生恶化而产生的矛盾。TRIZ理论将导致技术矛盾的因素归纳为39个通用工程参数，并提供了40条问题解决的发明原理，上述工程参数和发明原理构成了阿奇舒勒矛盾矩阵表，其分析的基本方法步骤为：首先，对实际问题进行分析、整理、转化成标准问题模型；其次，把存在的技术矛盾用标准工程参数表示，并确定预改善的参数和被恶化的参数；然后根据确定的参数从矛盾矩阵表中查找推荐的发明原理，再经分析、遴选出有益的发明原理，最后，根据发明原理和相关知识确定解决方案。

2 航空液压控制阀组集成化轻量化技术矛盾分析

目前液压控制阀已完成了“少管化”“无管化”及“去（单个元件）阀体化”“去（安装面用的）油路块化”的发展历程，液压控制阀的安装结构发展出了管式、板式、叠加式、插装式等多种型式。进一步的紧凑化高集成度和轻量化设计可减小控制阀组体积重量、降低元件联接的复杂性、改善可维修性、减少泄漏风险、提高可靠性，但同时会带来元件强度、应力分布、结构稳定性等性能的恶化问题，其构成的矛盾矩阵如表1所示。表1中数字分别对应39个通用工程参数序号和40个发明原理编号。

表1 技术矛盾矩阵分析表

表1中推荐24条发明原理来解决相应的技术矛盾，但并不是所有方法均对问题解决有帮助，经过分析和比较，发现第1条“分割原理”、第5条“组合原理”、第24条“借助中介物原理”和第40条“复合材料”可用于航空液压控制阀组集成化轻量化设计。

3 航空液压控制阀组集成化轻量化创新设计路径

3.1 分割发明原理

分割原理是将一个物体分成相互独立的部分，提高物体的可分性或易组装性。该原理可用于液压控制阀结构融合设计，提高元件的集成紧凑性。

在液压控制阀结构设计中，可将分割的相互独立的多个零件重新组装，实现结构融合，从而减少零件个数来实现结构的紧凑化、集成化。例如传统一个单向阀和一个阻尼孔构成的单向节流回路中将单向阀的阀座与阻尼孔融合；一个单向阀和一个溢流阀构成安全保护和低压补油功能的回路中将单向阀的阀体与溢流阀的阀芯融合，可以在实现其各自功能的基础上将两个阀在结构上高度融合从而实现紧凑化设计，如图 1（a）、（b）所示[3，4]。

3.2 组合发明原理

组合原理指在时空上将相近物体或操作加以组合或连续并列进行。

在液压控制阀结构设计中，可将相互独立的某一零件的功能与其它零件功能进行复合，从而减少零件个数来实现结构的紧凑化、集成化。例如在液压阀芯运动阻尼方案设计中，可将阀芯与阻尼器中阻尼头设计成一个零件，实现功能复合，减少零件个数，同时实现良好工艺性，如图2所示。

图1 液压控制阀结构融合

图2 液压元件功能复合

3.3 借助中介物发明原理

传统设计方法采用的是基于强度理论的集中参数法，安全系数大，设计趋于保守，造成系统体积重量大。现代计算机辅助设计方法为分布式参数法，可得到整个流场的参数分布或弹塑体应力场分布，有利于对结构进行精细化改进和优化，借助CAD辅助设计手段这一中介物可发现新结构、新原理[5，6]。

如图3所示，借助CFD计算和有限元分析，可得到阀口流场参数和阀体应力的分布状况，为液压阀结构的改进和优化提供理论支撑。

图3 液压控制阀计算机辅助设计

3.4 复合材料

复合材料原理可理解为新材料新工艺在液压控制阀集成化轻量化上应用。

（1）先进材料

一般要求在满足液压控制阀功能及技术指标要求的前提下，利用轻质高强度材料替代传统钢制材料可有效减轻元件和系统的总重量，同时考虑到液压控制阀环境适应性及目前与之配套的的热处理和表面处理工艺等要求，如安装在陆机飞机驾驶舱内部的液压控制用阀一般采用铝合金、水陆两栖飞机等为适应海洋环境一般采用钛合金或碳纤维增强塑料作为液压控制阀外壳等，表2为几种轻质材料物理力学性能对比表。

表2 几种轻质材料物理力学性能对比

（2）先进制造工艺

采用3D打印增材制造技术用于产品创新及轻量化设计。3D打印技术[7]是一种以三维CAD模型文件为基础，应用粉状、丝状或片状等材料，通过“分层制造，逐层叠加”的方式来构造三维物体的技术。目前应用比较广泛的3D打印成型工艺技术有：激光选区烧结（SLS）、直接金属激光烧结（DMLS）、立体光固化成型（SLA）、熔融沉积成型（FDM）、分层物体制造（LOM）等。3D打印可成型材料涵盖铝合金、不锈钢、高强钢、模具钢、钛合金、高温合金等多个种类，广泛应用于航空航天、军工、工业模具、船舶、医学等领域，特别适合于产品研发试制，加速产品迭代过程。表3为常见两种轻质材料3D打印成型零件与锻造、铸造的力学性能对比表[8]。

表3 轻质材料3D打印成型零件与锻造、铸造的力学性能对比

利用3D打印增材制造技术可以实现液压控制阀流线型复杂内部流道成型，流动能耗损失小，无污染产生，是集成轻量化设计的新工艺。图4为意大利Aidro液压公司在2017年3D打印成型的一种液压控制阀，重量减轻了35%[9]，空客公司于2017年3月30日在A380飞机上使用了首个3D打印液压件试飞成功，预示3D打印技术在航空工业领域的广阔应用前景。

图43 D打印制造的液压阀

4 结语

移动装备液压元件与系统集成轻量化技术是液压的“卡脖子”技术之一，受到国家工信部、科技部等相关部门高度重视。国家在2018重点研发计划“制造基础技术与关键部件”重点专项中专门设立了基础前沿类“液压元件与系统轻量化设计制造新方法”专项指南以引导鼓励从事液压集成轻量化技术的研究。本文基于TRIZ理论，利用矛盾动力分析方法，结合相应发明原理，通过实际案例指出元件结构融合、功能复合、计算机辅助先进设计方法及新材料、新工艺是实现集成轻量化设计的有效路径。