壓差控制器設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)燃油計(jì)量系統(tǒng)影響研究.doc

壓差控制器設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)燃油計(jì)量系統(tǒng)影響研究摘要：某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)采用數(shù)字電子控制，其執(zhí)行裝置仍然是機(jī)械液壓式。對(duì)于液壓機(jī)械裝置的研究，以往主要針對(duì)調(diào)整參數(shù)，針對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的研究目前還鮮有論文發(fā)表。針對(duì)上述問(wèn)題，本文利用amesim軟件對(duì)燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，得到了設(shè)計(jì)參數(shù)，如壓差活門(mén)型孔、油壓作用面、彈簧剛度、節(jié)流嘴等對(duì)燃油計(jì)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性的影響，結(jié)論為液壓機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)、改進(jìn)改型和性能優(yōu)化提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；液壓機(jī)械裝置；設(shè)計(jì)參數(shù)a study of the impact of design parameters of differential pressure controller on the fuel metering systemabstract：an aero-engine control system uses digital electronic control, its implementation is still the hydro-mechanical unit. for the study of hydro-mechanical unit, in the past mainly for adjusting parameters, few papers are published for design parameters.in response to this problem, the simulation model of the hydro-mechanical actuators of fuel control system is established by amesim in this paper. we obtain the impact of design parameters such as differential pressure valve-shaped hole, the force surface of fuel, spring stiffness and hydraulic restrictor on the dynamics and steady-state characteristics of fuel metering system. the conclusion provide evidence for the design, the improvement and modification, performance optimizationof the hydro-mechanical unit.keywords：aero-engine; hydro-mechanical unit; design parameters111 引言航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)按照控制方式可以分為液壓機(jī)械控制系統(tǒng)和數(shù)字電子控制系統(tǒng)1。數(shù)字電子控制技術(shù)以其調(diào)節(jié)精度高、可維護(hù)性好與可變更性好、容易實(shí)現(xiàn)飛行/推進(jìn)/火控一體化綜合控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)2。航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是由控制軟件、電子控制器、液壓機(jī)械裝置、傳感器、電氣部件組成的。其中液壓機(jī)械裝置較之前的純液壓機(jī)械式燃油調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)上要簡(jiǎn)單，但仍然具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、加工困難，加工周期長(zhǎng)，對(duì)介質(zhì)要求較高等特點(diǎn)，為了提高液壓機(jī)械裝置的性能和可靠性并縮短研制周期，必須在設(shè)計(jì)階段對(duì)液壓機(jī)械裝置進(jìn)行仿真分析。設(shè)計(jì)參數(shù)是指在液壓機(jī)械裝置設(shè)計(jì)階段，對(duì)系統(tǒng)的性能起決定性作用的參數(shù)，譬如各個(gè)活門(mén)的尺寸，型面、彈簧剛度等；而調(diào)整參數(shù)是指在液壓機(jī)械裝置調(diào)試階段，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的調(diào)整，使系統(tǒng)性能獲得有限的變化的參數(shù)，譬如彈簧初始預(yù)緊力、調(diào)整墊圈等。對(duì)于液壓機(jī)械裝置的研究，以往只是針對(duì)液壓機(jī)械裝置的調(diào)整參數(shù)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的影響3,4,5，而對(duì)于設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)影響的研究則很少。本文利用amesim軟件對(duì)燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，重點(diǎn)分析了壓差控制器設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的影響，通過(guò)對(duì)液壓機(jī)械裝置仿真分析可以及早發(fā)現(xiàn)并修正系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的缺陷，確定最佳的設(shè)計(jì)方案, 為液壓機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)、改進(jìn)改型和性能優(yōu)化提供了依據(jù)。2 燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置簡(jiǎn)介燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置主要由齒輪泵、燃油計(jì)量活門(mén)、壓差控制器、lvdt等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置的功能如下：1）接受電子控制器信號(hào)計(jì)量供給燃燒室的燃油；2）防喘切油；3停車(chē)切油。圖1 燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置工作原理如圖2所示。飛機(jī)油箱的燃油，經(jīng)過(guò)燃油增壓泵初次增壓后，輸送到齒輪泵進(jìn)一步增壓。齒輪泵后的燃油經(jīng)過(guò)計(jì)量活門(mén)計(jì)量后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。由電子控制器按發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)計(jì)劃和控制規(guī)律給出電信號(hào)控制電液伺服閥，改變隨動(dòng)活塞控制腔的油壓來(lái)控制計(jì)量活門(mén)的位移，同時(shí)由安裝在隨動(dòng)活塞上的lvdt傳感器反饋信號(hào)給電子控制器，形成計(jì)量活門(mén)位置反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)電子控制器對(duì)燃油流量的控制。壓差活門(mén)用來(lái)保證計(jì)量活門(mén)前后恒定的壓差，使供油量?jī)H取決于計(jì)量活門(mén)流通面積。圖2 燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置工作原理壓差控制器的功用是保持計(jì)量開(kāi)關(guān)前后壓差不變，使流過(guò)計(jì)量開(kāi)關(guān)的燃油量與計(jì)量開(kāi)關(guān)的流通面積呈單值關(guān)系。流過(guò)計(jì)量開(kāi)關(guān)的燃油流量可用下式表示：式中：流過(guò)計(jì)量開(kāi)關(guān)的燃油流量； 計(jì)量開(kāi)關(guān)處的流量系數(shù)，由于燃油流動(dòng)損失的影響，其值小于1； a計(jì)量開(kāi)關(guān)流通面積； 燃油密度； 計(jì)量開(kāi)關(guān)前后壓差。由于計(jì)量開(kāi)關(guān)的流量系數(shù)和燃油密度變化很小，它們可以近似看做常數(shù)。因此，當(dāng)為常數(shù)時(shí)，通過(guò)計(jì)量開(kāi)關(guān)的燃油量與計(jì)量開(kāi)關(guān)的流通面積呈線性關(guān)系。3 燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置仿真模型建模采用的軟件是amesim。amesim提供了一個(gè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的完整平臺(tái)，使得用戶可以在一個(gè)平臺(tái)上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入的分析。使用戶能夠借助其友好的、面向?qū)嶋H應(yīng)用的方案，研究元件或回路的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。amesim使得用戶從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來(lái)從而專(zhuān)注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)，而不需要書(shū)寫(xiě)任何程序代碼。此外，amesim還具有與其它軟件包豐富的接口，例如simulink, adams, simpack，rtlab等6。amesim建模是面向?qū)嵨飳?duì)象模型的，所以在了解了原系統(tǒng)的工作原理后，即可非常方便的讀懂仿真結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)，利用amesim 建立的燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置的模型如圖3所示。將查詢(xún)的各個(gè)元件的尺寸輸入模型即可得到系統(tǒng)的完整模型。4 性能分析利用建立好的燃油計(jì)量系統(tǒng)的amesim模型，通過(guò)分析燃油計(jì)量系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)輸出流量的變化，對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估。方案中壓差控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)為：壓差活門(mén)型孔、壓差活門(mén)出口節(jié)流嘴、回油活門(mén)阻尼孔均為圓形，直徑分別為1mm、0.6mm、0.8mm；壓差活門(mén)油壓作用面直徑為8mm；壓差活門(mén)彈簧剛度為8.711n/mm。設(shè)定齒輪泵轉(zhuǎn)速為7000r/min，2s時(shí)刻，給定信號(hào)控制計(jì)量活門(mén)位移由5mm變化到20mm（對(duì)應(yīng)計(jì)量活門(mén)流通面積由19.5變至78.5）。計(jì)量系統(tǒng)輸出流量的仿真結(jié)果如圖4所示。圖3 amesim模型圖4 計(jì)量系統(tǒng)輸出流量從仿真結(jié)果得到：1） 當(dāng)燃油計(jì)量系統(tǒng)由一個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)變到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，計(jì)量系統(tǒng)輸出流量在1.1s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，小于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的1.5s；2） 計(jì)量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出流量為157.75l/min，穩(wěn)態(tài)誤差不超過(guò)0.5%，并且沒(méi)有出現(xiàn)燃油流量振蕩現(xiàn)象。可以得出，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案滿足對(duì)燃油計(jì)量系統(tǒng)的要求。5 壓差控制器設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)液壓機(jī)械裝置的影響壓差控制器包括壓差活門(mén)、安全活門(mén)和回油活門(mén)，其作用是保持計(jì)量活門(mén)前后壓力差恒定，使得通過(guò)計(jì)量活門(mén)的流量只與其流通面積有關(guān)。對(duì)于壓差控制器的設(shè)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)基本采用預(yù)估與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，但由于該方法存在周期長(zhǎng)、成本高等不足之處，制約著深入研究壓差控制器對(duì)燃油計(jì)量裝置特性影響機(jī)理。壓差控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)包括三個(gè)活門(mén)的尺寸，各個(gè)型孔的直徑，彈簧的剛度和初始預(yù)緊力，回油型面和計(jì)量型面以及節(jié)流嘴的大小等等。本文選取壓差活門(mén)型孔、壓差活門(mén)油壓作用面、彈簧剛度、壓差活門(mén)出口節(jié)流嘴直徑、回油活門(mén)阻尼孔直徑等7五個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析。參數(shù)的大小是在原有方案設(shè)計(jì)尺寸基礎(chǔ)上適當(dāng)增加或者減小。下面分別對(duì)這些設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)燃油計(jì)量系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析。以下研究均是在齒輪泵轉(zhuǎn)速為7000r/min，計(jì)量活門(mén)位移在2s時(shí)刻由5mm變化到20mm進(jìn)行的。圖5 壓差控制器結(jié)構(gòu)圖 （1：壓差活門(mén)型孔；2：壓差活門(mén)油壓作用面；3：節(jié)流嘴；4：阻尼孔）5.1 壓差活門(mén)型孔對(duì)液壓機(jī)械裝置的影響壓差活門(mén)型孔的作用是當(dāng)壓差活門(mén)兩端壓差沒(méi)有達(dá)到設(shè)定值時(shí)，通過(guò)調(diào)整型孔的大小來(lái)調(diào)節(jié)壓差活門(mén)兩端壓差。壓差活門(mén)的型面是兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的圓孔。當(dāng)壓差活門(mén)型孔直徑在0.6-2mm之間變化時(shí)，壓差活門(mén)兩端壓差及計(jì)量活門(mén)輸出流量的動(dòng)態(tài)仿真曲線分別如圖6、7所示。圖6 壓差活門(mén)兩端壓差隨壓差活門(mén)型孔直徑變化曲線圖7 計(jì)量活門(mén)輸出流量隨壓差活門(mén)型孔直徑變化曲線（曲線1、2、3、4、5分別對(duì)應(yīng)型孔直徑為0.6、0.8、1、1.5、2mm）從上述仿真結(jié)果可以看到：當(dāng)壓差活門(mén)活門(mén)型孔直徑從0.6mm逐漸增加到2mm時(shí)，壓差活門(mén)兩端壓差變小，壓差動(dòng)態(tài)特性基本不變，計(jì)量活門(mén)穩(wěn)態(tài)輸出流量變小，輸出流量調(diào)節(jié)時(shí)間基本不變。當(dāng)壓差活門(mén)型孔直徑為1.5mm和2mm，計(jì)量活門(mén)流通面積較小時(shí)，壓差活門(mén)兩端壓差出現(xiàn)波動(dòng)，導(dǎo)致計(jì)量系統(tǒng)輸出流量波動(dòng)。因此，壓差活門(mén)型孔直徑應(yīng)小于1.5mm。5.2 壓差活門(mén)油壓作用面對(duì)液壓機(jī)械裝置的影響油壓作用面的大小可以影響壓差活門(mén)兩端壓差，此處的作用面是一個(gè)圓形，并且面積是固定的，不會(huì)隨活門(mén)位移的變化而變化。當(dāng)油壓作用面直徑從7mm增加到10mm時(shí)，壓差活門(mén)兩端壓差和計(jì)量系統(tǒng)輸出流量的動(dòng)態(tài)曲線分別如圖8、9所示。圖8 壓差活門(mén)兩端壓差隨壓差活門(mén)油壓作用面直徑變化曲線圖9 計(jì)量活門(mén)輸出流量隨壓差活門(mén)油壓作用面直徑變化曲線（曲線1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)油壓作用面直徑為7、8、9、10mm） 圖10 油壓作用面直徑與壓差活門(mén)兩端壓差關(guān)系從上述仿真結(jié)果可以看出，油壓作用面面積的變化，對(duì)壓差活門(mén)兩端壓差影響比較大，進(jìn)而影響計(jì)量活門(mén)穩(wěn)態(tài)輸出流量。隨著油壓作用面面積的增加，壓差活門(mén)兩端壓差減小，計(jì)量活門(mén)的穩(wěn)態(tài)輸出流量減小，而調(diào)節(jié)時(shí)間基本不變。因?yàn)?，?dāng)壓差活門(mén)兩端受力差值一定時(shí)，油壓面積增大時(shí)，單位面積的壓力減小，導(dǎo)致壓差活門(mén)前后壓差減小，計(jì)量系統(tǒng)輸出流量減小。油壓作用面直徑與壓差活門(mén)兩端壓差的關(guān)系如圖10所示。當(dāng)油壓作用面直徑減小到7mm時(shí)，壓差活門(mén)兩端壓差出現(xiàn)波動(dòng)，導(dǎo)致計(jì)量系統(tǒng)輸出流量波動(dòng)，因此，選取油壓作用面時(shí)，其直徑應(yīng)該大于7mm。5.3 壓差活門(mén)彈簧剛度對(duì)液壓機(jī)械裝置的影響調(diào)整壓差活門(mén)彈簧剛度對(duì)壓差活門(mén)兩端壓差有影響。在壓差活門(mén)彈簧初始預(yù)緊力一定的條件下，彈簧剛度從5n/mm逐漸增加到15n/mm，壓差活門(mén)兩端壓差和計(jì)量活門(mén)輸出流量的動(dòng)態(tài)仿真曲線分別如圖11、12所示?？梢钥闯?，隨著壓差活門(mén)彈簧剛度的增加，壓差活門(mén)兩端壓差增加，計(jì)量活門(mén)穩(wěn)態(tài)輸出流量也隨之增加，但動(dòng)態(tài)特性不受影響。圖11 壓差活門(mén)兩端壓差隨彈簧剛度變化曲線圖12 計(jì)量活門(mén)輸出流量隨彈簧剛度變化曲線（曲線1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)彈簧剛度為5、8.711、12、15n/mm） 5.4 壓差活門(mén)出口節(jié)流嘴對(duì)液壓機(jī)械裝置的影響壓差活門(mén)出口節(jié)流嘴可以影響壓差活門(mén)兩端壓差的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)壓差活門(mén)出口節(jié)流嘴直徑在0.4-0.7mm變化時(shí)，壓差活門(mén)兩端壓差和計(jì)量活門(mén)輸出流量的動(dòng)態(tài)仿真曲線分別如圖13、14所示。圖13 壓差活門(mén)兩端壓差隨節(jié)流嘴直徑變化曲線圖14 計(jì)量活門(mén)輸出流量隨節(jié)流嘴直徑變化曲線（曲線1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)壓差活門(mén)出口節(jié)流嘴直徑為0.4、0.5、0.6、0.7mm）從上述仿真結(jié)果可以看出，壓差活門(mén)出口節(jié)流嘴直徑的大小對(duì)壓差活門(mén)兩端壓差動(dòng)態(tài)特性的影響比較明顯，隨著壓差活門(mén)出口節(jié)流嘴直徑的增大，壓差活門(mén)兩端壓差的調(diào)節(jié)時(shí)間變短，進(jìn)而計(jì)量活門(mén)輸出流量調(diào)節(jié)時(shí)間變短，而計(jì)量活門(mén)穩(wěn)態(tài)輸出流量不變。5.5 回油活門(mén)通泵后燃油阻尼孔對(duì)液壓機(jī)械裝置的影響調(diào)節(jié)回油活門(mén)通泵后燃油阻尼孔可以影響壓差控制器的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而影響計(jì)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)阻尼孔直徑從0.4mm到1mm變化時(shí)，壓差活門(mén)兩端壓差和計(jì)量活門(mén)輸出流量的動(dòng)態(tài)曲線分別如圖15、16所示。圖15 壓差活門(mén)兩端壓差隨阻尼孔直徑變化曲線圖16 計(jì)量活門(mén)輸出流量隨阻尼孔直徑變化曲線（曲線1、2、3、4、5分別對(duì)應(yīng)回油活門(mén)阻尼孔直徑為0.4、0.5、0.6、0.8、1mm）從上述仿真結(jié)果可以看出，隨著回油活門(mén)阻尼孔孔徑的增大，壓差活門(mén)兩端壓差調(diào)節(jié)時(shí)間變短，壓差穩(wěn)態(tài)值有微小的增加，進(jìn)而計(jì)量系統(tǒng)輸出流量調(diào)節(jié)時(shí)間變短，穩(wěn)態(tài)輸出流量增加。當(dāng)阻尼孔直徑由0.4mm增加到0.6mm時(shí)，對(duì)壓差控制器調(diào)節(jié)時(shí)間影響比較明顯，在0.6mm到1mm變化時(shí)，影響不太明顯。6 結(jié)論本文利用amesim軟件對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，通過(guò)仿真分析得出現(xiàn)有的液壓機(jī)械裝置的性能滿足設(shè)計(jì)要求，并對(duì)壓差控制器設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)液壓機(jī)械裝置的影響進(jìn)行分析。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以依據(jù)上述結(jié)論指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)