大流量燃油总管试验器液压控制系统设计与研究

发布时间：2016-07-11 08:48

第 1 章 绪论

1.1 研究课题及研究意义
飞机是空中高速飞行的大型设备，技术复杂成本昂贵，飞机在空中飞行遇到故障时无法停机检修，如果无法安全降落，就会造成机毁人亡，生命和财产损失严重，所以飞机元器件的可靠性对飞机安全可靠地运行起着重要的作用[1-2]。飞机发动机是飞机所有元器件中最重要的核心部件，是飞机的动力之源，决定着飞机的各种飞行动作，而燃油总管是飞机发动机的核心部件之一，所以燃油总管的性能指标以及合格与否直接影响着飞机发动机乃至飞机的运行可靠性与否，其重要性不言而喻[3-5]。正因为燃油总管很重要，所以燃油总管装机之前，发动机点火试验之后，或者发动机检修后都需要对燃油总管进行检验检测，只有严格的检验检测才能确保发动机质量可靠，保障飞机的飞行安全。因此燃油总管试验器是发动机研制和制造过程中必不可少试验设备，对发动机的生产制造有重要影响[6]。另外产品的可靠性是测试出来的，试验器的测试精度和准确性是高性能高品质的航空发动机研制的最有力保障。先进的燃油总管试验的研制能够提高大流量燃油总管的测试效率和精度，解放试验人员繁琐的操作流程，保障生产进度，是完成生产计划的基本保障[7-9]。综上所述，燃油总管试验器是发动机研发、生产制造、维修保养的重要保障，对发动机的研制具有重要作用。燃油总管试验器主要测量燃油总管上各个喷嘴的流量，并计算出燃油总管的流量分布不均匀度，如若燃油总管的流量分布不均匀度太大，则需调整更换燃油总管，调整之后还需要对燃油总管进行测试，直至不均匀度达到标准。另外燃油总管还需要进行打压试验，用于检测燃油总管的装配性能[10]。本课题研究的大流量燃油总管试验器是专门检测流量较大的燃油总管的试验器，是大型飞机发动机的研发生产维修的必备试验设备，对大型飞机发动机的研制具有重要作用，所以该研究具有重要的实际价值和意义。
.........

1.2 国内外燃油总管试验器研究现状
国内航空发动机用试验器的研制和应用大致可以分为两个时期，2000 年以前引进或仿制前苏联试的验设备时期，此时的试验器多为手动操作，自动化程度低，技术落后，测量准确性和稳定性差，数据分析处理能力也很差，自动化信息化水平与国外同类设备相比差距很大，未进行技术改造的航空发动机企业所使用的试验器多处于这个阶段[12]。技术改造与引进时期，2000 年以后部分航空发动机企业开始进行技术改造，引进或者自主研发一些自动化程度较高的试验器设备，这个阶段的试验器多采用计算机进行控制，数据采集处理自动化程度较高。其中引进的试验器技术先进价格昂贵数量不多；自主研发的试验器在测量精度、自动化程度、操作便捷性、功能多样性等方面都有或多或少的不足，而且其工作范围有限，种类有限，适应性差，无法满足新产品开发的测试工作。随着我国航空工业的不断发展进步，新型号发动机的研发生产需求越来越多，而以前的试验设备因工作范围、检测精度有限，无法满足实际研发生产需求，迫切需要进行技术改造更新换代，以满足新机型的研发生产需求[13-15]。燃油总管试验器主要用于飞机发动机的燃油总管试验测试，应用场合比较单一固定，更新换代和技术升级比较缓慢。且一款发动机研发生产周期往往较长，产量有限，与之配套的燃油总管试验器往往也是专机专用，一种燃油总管试验器往往配套一种发动机的研发生产维修。由于我国研发制造的发动机种类较少，所以相应的燃油总管试验器种类也很少，因此燃油总管试验器往往无法跟上相关技术的发展主流。另外由于其应用领域狭窄、数量有限和更新换代周期长，使得少有公司企业涉足对其进行深入持久地研究[16]。以上多种原因导致国内现有的燃油总管试验器不少还是很传统的手动操作模式，即使有部分新研制的燃油总管试验器实现了自动化操作，其自动化水平和程度也较低，测量范围有限，操作方便性和效率都不高。
.........

第 2 章 试验器总体方案研究

2.1 试验器技术指标及总体方案确定
本课题所研究的大流量燃油总管试验器是专门用于大型航空发动机燃油总管的流量特性测试和耐压性能测试的平台，流量特性测试包括总管流量测量和各个喷嘴流量测量，并计算燃油总管的流量分布不均匀度；耐压性能测试主要是对燃油总管进行打压试验，以检验燃油总管的密封性。要求试验器适应性强，能够测试多种型号的燃油总管。燃油总管的供油压力和供油温度能够连续控制可调，并且能够稳定在一定的精度范围内。燃油总管试验器测量具备强大的数据处理能力，能够采集保存总管流量以及每个喷嘴的喷油流量，并计算各个喷嘴的喷油分布不均匀度，并将测量计算的数据要保存到报表里并打印出来，报表显示内容全面，方便查找和处理。试验器技术指标如下：由试验器的功能和技术指标可知，试验器要具备高控制精度、高测量精度、高自动化程度和强大的数据处理能力，同时还要具备节能、故障诊断和自动报警等功能。试验器的主要功能是测量燃油总管的各个喷嘴的喷油流量，并根据各个喷嘴的喷油流量计算出燃油总管的流量分布不均匀度，所以试验器测量精度和可靠性完全取决于喷嘴流量的控制与测量精度。由于燃油总管相当于节流孔，由节流孔流量公式可知燃油总管的供油压力与流量为函数关系，喷嘴的喷油流量会随着供油压力的变化而变化，从而影响试验器的测量精度，为了提高试验器的测量精度必须为燃油总管的提供压力稳定的高压燃油，供油压力是试验台的最主要控制参数[24-25]。
...........

2.2 试验器液压控制系统方案研究
液压控制系统的方案的设计是根据控制对象工作要求、液压技术和系统的工作条件和环境以及成本、经济性、供货情况等诸多因素综合考虑，进行全面综合的分析设计，最终确定一个各方面都比较合理可行的液压控制系统方案[1-2]。液压控制系统方案设计，首先明确系统控制变量及其控制要求，本试验器主要控制变量是燃油总管的前端压力，压力控制精度高且控制压力可连续调节。其次，选择液压系统控制方式，液压系统有开环和闭环两种控制方式，由于本试验器压力控制精度高，，所以选用闭环控制。闭环控制一般采用电液比例/伺服控制系统，电液比例/伺服控制系统又分为阀控系统和泵控系统两种形式。泵控系统动态响应较差，且结构复杂成本高，常用于功率大、效率高、传动刚度大的场合。阀控系统动作迅速灵敏，因此凡要求系统频带宽、响应快、结构简单、参数变化大、控制精度高而不计效率低、发热量大的中小功率系统都可采用阀控形式。本试验器压力控制精度高、参数变化大，所以采用阀控电液比例/伺服系统。第三，初步确定液压源，液压源分为固定液压源和可变液压源。固定液压源主要有恒流源和和恒压源两种，其输出压力或者流量恒定，结构简单价格低，可控性好。可变液压源有恒功率变量泵、恒流量变量泵和恒压力变量泵，其输出功率、压力或者流量能够随着载荷的变化而变化，功率损失少，系统效率高，但是变量泵结构复杂价格贵，控制复杂。由于液压系统流量很大，工作介质特殊，大排量且可用于航空煤油的变量泵生产厂家少，所以不适合选用变量液压源。由于变量泵排量相对较小，使用变量泵也得两台以上；如果使用两台变量泵，不如直接使用一大一小两个定量泵，在不同的压力点开启不同的液压泵，这样即可以降低成本，又能节约能源，降低发热。因此试验器的液压源采用定量泵供油。第四，对液压系统进行具体的研究，设计液压原理图，选型确定主要元器件和辅助液压元器件。
..........

第 3 章 电液比例压力控制系统建模........31
3.1 电液比例压力控制系统数学模型的建立..........31
3.2 电液比例压力控制系统 AMESim 模型建立........35
3.3 电液比例压力控制系统 AMESim 模型的参数确定..........43
3.3.1 单向阀的仿真模型参数确定..........43
3.3.2 其他元器件模型参数确定......46
第 4 章 电液比例压力控制系统仿真分析........47
4.1 压力控制系统频率响应分析......47
4.2 压力控制系统时间响应分析......48
4.3 液压系统的误差分析..........49
4.4 压力控制系统 PID 校正......50
4.5 压力控制系统抗干扰能力仿真分析..........52
4.6 管道对系统动态特性的影响分析......55
第 5 章 结论........58

第 4 章 电液比例压力控制系统仿真分析

本实验台主要功能是在稳定的压力下测量燃油总管的流量特性，测试是在固定的压力下进行的，因此最主要的控制目标是系统的压力及压力稳定性。所以试验器压力控制系统仿真主要分析系统的频率特性、系统的压力阶跃响应和误差分析，然后对控制系统进行校正以提高其动态特性指标，分析外界干扰对系统的影响，以及液压管道对系统压力控制特性的影响。

4.1 压力控制系统频率响应分析

控制系统中的信号可表示为不同频率正弦信号合成，控制系统的频率特性反映正弦信号作用下系统响应的性能。通过分析不同频率正弦波输入时系统的响应来考察系统性能的方法称为频率分析法。频率特性分析可建立起系统的时间响应与其频率特性之间的直接关系，而且可沟通在时域与在频率对系统的研究与分析。根据 3.1.7 节所建立的试验器压力控制系统的数学模型对压力控制系统进行频率特性仿真，压力控制系统的伯德图如图 4.1 所示。从图 4.1 中可以看出，幅值特性曲线的最大值为 14.3dB，其穿越频率为 118Hz，穿越频率对应的相位角为 150°>180°，相位裕度为 30°；另外系统的相位滞后最大值不超过 180°，所以压力控制系统是稳定的，压力可以控制。

..........

结论

本篇论文研究了对大流量燃油总管试验器的研究设计，并对试验器压力控制系统进行了建模仿真，并对干扰和液压管道对系统动态性能的影响做了对比分析研究。首先简单介绍了试验器中使用的电液比例控制技术的特点以及发展情况，在详细地分析研究试验器功能要求的基础上研究设计了试验器的液压系统、电气控制及软件系统、燃油总管的装夹测量系统，并对关键液压元器件进行选型和计算。对采用比例方向阀双通道的接法控制系统的压力的方案进行详细地分析研究。建立了液压系统的传递函数，采用 AMESim 的 HCD 研究库建立比例方向阀的仿真模型，并搭建试验模型对比例方向阀进行仿真试验，并把仿真试验结果与样本曲线对比以此来调整确定最佳的仿真模型参数。然后建立系统的仿真模型，系统仿真模型建立以后，首先对系统模型进行的各个元器件进行参数设置，然后检验系统对于压力的阶跃响应特性，阶跃响应误差曲线，以及系统的频率响应。液压系统基本动态特性仿真表明所建液压系统是稳定的，但是响应时间和频率特性并不好，需要进行校正。最后对液压系统进行 PID 校正，校正后液压系统的动态特性得到大幅度的改善。同时又仿真了干扰信号对系统的动态特性的影响，着重对比仿真了颤振信号对系统动态特性的影响。还仿真了管道的直径和长度对液压系统频率特性的影响。经过全文的分析研究以及工程实际，可以得到如下的一些结论：（1）整个试验器液压系统仿真表明试验器的压力控制稳定性和准确性都很好，响应速度也很快，表明试验器液压系统原理和方案设计正确，液压元器件选型合理可行。（2）试验器的比例方向阀旁路节流控制系统压力的模型创建合理可行，满足仿真需求。（3）仿真结果表明试验器压力控制系统稳定，压力控制稳定。（4）在系统的前项通道添加了 PID 校正后，对系统的数学模型进行仿真后发现，校正后的系统的稳态误差大幅减少，系统的动态特性以及静态特性得到了一定程度的改善。
.........
参考文献(略)

本文编号：68783