活門組件綜合試驗器研制

王野牧，諶超逸

(沈陽工業大學機械工程學院，遼寧沈陽 110870)

活門組件和獨立活門是飛機發動機重要組成部分，“活門組件綜合試驗器”(以下簡稱試驗器)主要是針對飛機發動機活門組件和3 種獨立活門的測試而設計制造的設備，是將原來手動調節、手工記錄、人工填寫報表的“燃油獨立活門試驗器”與之前研制的“燃油靜態試驗器”合二為一形成的，不僅節省了空間，減少了能源消耗，更優化了布局配置，提高了自動化程度，大大減少了人工作業的復雜程度和出錯率。圖1 為此試驗器設備正在使用中的正面照片。

圖1 設備主面板圖

試驗器左側為活門組件實驗區，右側為獨立活門實驗區，兩實驗區各自有獨立的質量流量計、二次儀表、精密電源和相互獨立的壓力、流量調節閥，并共用一臺工業控制計算機，用于數據匯總處理、顯示和打印。

1 試驗器基本技術要求

試驗器試驗工作介質為RP-3 航空煤油，流量測量范圍:20～350 kg/h，過濾精度:3 μm，工件入口處介質溫度:(20 ±2)℃，壓力應在150～1 500 kPa內連續可調，測量精度:0.5 級。試驗器壓力、流量調節由人工手工控制調節閥完成。壓力、流量調節值和活門關斷時間由計算機自動采集完成，同時要求控制軟件具備數據保存、處理、管理、打印等功能。

2 試驗器具體實施方案

試驗器從功能上分為液壓控制系統和計算機測控系統。液壓控制系統包括液壓泵站和獨立制冷機、活門組件測試區、獨立活門測試區3 個部分;計算機測控系統包括測控系統硬件部分和測控系統軟件部分。

2.1 液壓控制系統原理

液壓控制系統由液壓泵、質量流量計、壓力傳感器、電磁換向閥、數字式壓力表、溫度傳感器、高精度濾油器、獨立的冷卻系統和加熱系統、各種報警裝置組成。

2.1.1 液壓泵站及獨立制冷機原理

液壓泵站和獨立制冷機原理如圖2 所示。

圖2 活液壓泵站和獨立制冷機原理部分

泵站為上置式，布置了電機、液位計、溢流閥、壓力表等元器件，有帶壓、零壓兩條回油管路。在溫度控制上布置了油溫傳感器、加熱器、獨立制冷機(冷卻控制單元)，以保證精確的溫度控制。出口P1、P2 分別去往活門組件測試回路和獨立活門測試回路。

2.1.2 活門組件測試回路

活門組件是將飛機發動機上的停車開、關兩個電磁活門與啟動電磁活門及增壓活門由原分體式結構變為一體式結構的組合部件［1］。作者在原“燃油靜態試驗器”的基礎上，結合近幾年工廠實際工作中所顯露出的問題及新的技術要求，對原試驗器進行了一系列改進，改進后的原理圖如圖3 所示。

主要改進之處有:

(1)針對傳感器增加了進一步的壓力保護裝置。為了防止意外情況損壞各壓力傳感器，每個壓差傳感器的兩端都安裝有電磁換向閥(如YV7、YV8)和直動式溢流閥，使得壓差傳感器在不工作時，前后腔壓力均為零。

迭代過程中為避免算法陷于局部最優的問題,在每次迭代之前對粒子群中的少部分粒子進行變異,并根據其適應值決定粒子的概率,即其適應值越小則發生變異的概率也越小,適應值越大發生變異的概率越大。粒子一旦判定變異,則將其隨機拋擲到鄰域空間的任意位置。變異規則定義如下。

圖3 活門組件實驗區液壓原理圖

(2)針對不同的實驗步驟，實現不同的油路通斷，由計算機自動切換電磁閥的帶電順序，從根本上杜絕了因誤操作而導致壓差表損壞的情況發生。

(3)由于油液由泵輸出后經過調節閥、電磁閥和管道最后到達工件入口處，溫度會發生較大變化，而且壓力和流量調節值不同時，溫度的升降范圍也不同［2］，因此采用兩個溫度傳感器進行溫度控制。一個傳感器(BT1)放置在油箱上;另一個放置在試驗工件入口處(BT2)，油箱配置有加熱器和大功率獨立冷卻器，構成閉環控制系統，有效地將溫度控制在(20 ±2)℃范圍內［3］。

2.1.3 獨立活門測試回路

獨立活門實驗區是針對3 種不同試驗工況的單獨活門所設計的，其液壓原理如圖4 所示。之前使用的“燃油獨立活門試驗器”存在幾個主要問題:實驗過程全部由人工操作完成，無自動化程度可言，不僅對操作人員的設備掌握程度要求很高，而且出錯的概率也比較大、實驗耗時也比較長;對各個壓力傳感器沒有相應的安全保護措施，在生產實際中會發生壓力超量程而損壞傳感器并導致實驗結果不準確的故障。

圖4 單獨活門實驗區液壓原理圖

針對以上一些問題，作者采取了相對應的一些措施和辦法，主要有:

(1)把原來安裝單獨活門的夾具進行了較大的改動，將人工操作切換油路通斷的方法改為由4 個電磁換向閥(YV11—YV14)來完成對應工作，減少了勞動強度，增加了可靠性。

(2)為了防止意外情況損壞各壓力傳感器，設計了相應的安全保護措施。在各個壓力及壓差傳感器測壓處布置了不同調壓范圍的溢流閥，并在設備調試過程中，根據不同的傳感器量程，調定不同溢流閥的壓力。

(3)獨立活門實驗區的測試操作面板上，設計了相應的預留壓力測點和預留壓差測點，這樣可以在控制計算機出現問題時，仍然可以通過手動方式完成對實驗科目的測量工作，同時也可以在設備出現故障時精確定位、快速排除。

2.2 計算機測控系統

從結構角度上講，測控系統由兩部分組成，一個是測控系統硬件部分，一個是計算機軟件部分。

硬件部分由工控機、A/D 數據采集模塊、繼電器輸出模塊、高速時間測試儀及數字顯示儀表、常規電氣控制元件組成。電氣控制部分(柜)與液壓管路隔離開，內有斷路器、接觸器、中間繼電器、熱保護器等，主要負責電機、循環泵、冷卻器的啟停。同時為了保證安全，采用防爆控制柜。硬件組成框圖如圖5 所示。

圖5 測控系統硬件部分原理圖

在活門組件測試實驗中，有一項是針對活門關斷時間的精確測量，該被測時間具有精度高、時間短等特點。高速時間測試盒即是為此設計的精密測量儀器，該時間測試儀器是自主研發記錄響應時間的高精度產品，還可以與工控機進行雙向通信，將所測得的精確時間通過232 通信口傳輸給COM2 進入計算機［4－5］。

在抗干擾方面，設備使用獨立供電的A/D 數據采集模塊，相對于計算機板卡具有更強的抗干擾特性。同時，選用的A/D 數據采集模塊采用了光電隔離技術，使計算機與現場信號之間全部隔離，來提高模塊測量的抗干擾能力。同時為了解決在電機、制冷機啟停，電磁閥通斷過程中產生的拉弧引起的電網波動而導致的采樣信號波動大的問題，作者將信號線網與設備電網物理隔離，在前端各加裝精密電源，并將電容電阻組合成無源濾波裝置［6］，同時結合計算機軟件濾波，有效解決了采集信號波動大的問題。

2.2.2 計算機軟件部分

軟件系統以WINDOWS XP 操作系統為環境，以Access 數據庫服務器為數據存儲基礎，使用三維力控軟件作為主要開發環境，以Visual Basic 語言為后臺數據處理開發語言，構建燃油系統試驗器的軟件系統，設備操作界面見圖6 所示。

該軟件主要包括數據采集、處理、實驗基本參數修改、傳感器標定等功能。針對不同的實驗進行自動切換，滿足不同工況對流量、壓力的要求。因工作介質為航空煤油，軟件同時具有溫度報警、壓力報警等功能，保證設備的安全運行。

圖6 工控軟件設備操作界面

除具有以上功能外，系統還具備強大的數據管理功能，將實驗數據按操作者、日期完整地保存、管理起來，并具備相應的打印報表(報告編輯)功能。為了防止計算機故障(如死機、誤操作、病毒等)對設備造成影響，控制系統中設有一套完整的手動控制切換按鈕，可將設備逐一回復到原始狀態。測試程序流程見圖7。

圖7 測試程序流程圖

3 結論

歷經一年多的設計、制造和調試，活門組件綜合試驗器順利通過了法國樣件的全部試驗，所測數據和樣件數據高度吻合。現已正常工作半年，可以得出以下結論:

(1)將“燃油靜態試驗器”和“燃油獨立活門試驗器”合二為一，證明設計理念是可行的，所采用的自動采集、控制、數據處理方法，減輕了工作量、提高了工作效率。

(2)針對原“燃油靜態試驗器”設備的問題和故障，提出了有針對性的具體措施和辦法，能夠很好地解決壓差傳感器易損壞、采集數據波動大等問題。

(3)克服了原“燃油獨立活門試驗器”操作不便和使用的弊端。通過計算機控制，降低了設備使用難度，減小了使用過程中的出錯概率，提高了生產效率。

(4)在計算機軟件上，選用三維力控軟件和Visual Basic 進行開發，縮短了開發周期，增強了軟件的易用性和可維護性。

該設備的成功設計、制造，對同類產品設計、加工和制造有一定的指導意義。

［1］劉茂生，陳克賓，楊文祥.減壓活門性能試驗臺系統方案設計［J］.航空精密制造技術，2001(3).

［2］顧瑞龍.控制理論與電液控制系統［M］.北京:機械工業出版社，1984.

［3］張春行.液壓控制系統［M］.北京:機械工業出版社，1999.

［4］夏揚.計算機控制技術［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［4］祝常紅.數據采集與處理技術［M］.北京:電子工業出版社，2008.

［6］陳永強，魏金成，吳昌東.模擬電子技術［M］.北京:人民郵電出版社，2007.