換向閥啟閉特性對流量測量試驗的影響分析

謝　苗　劉治翔　魯啟通　田豐旭　毛　君　黃增平

1.遼寧工程技術大學,阜新,123000 2.大連東方工程建設項目管理有限公司,大連,116000

換向閥啟閉特性對流量測量試驗的影響分析

謝苗1劉治翔1魯啟通2田豐旭2毛君1黃增平1

1.遼寧工程技術大學,阜新,123000 2.大連東方工程建設項目管理有限公司,大連,116000

針對航空液壓泵流量測量系統中換向閥的啟閉特性對流量測量準確性影響較大、啟閉過程耗時不等造成測量誤差等問題，分析了換向閥在測量系統中的工作原理，針對換向閥建立了流量及閥芯的力平衡數學模型。利用AMESim軟件建立了系統仿真模型并對其進行仿真研究，得到了不同系統壓力和不同轉速下，換向閥啟閉過程對系統流量測量的影響,為進行現場測試提供了理論依據。同時,對不同型號、不同工況下被試液壓泵的大量試驗結s果與仿真結果進行了比較,發現兩者基本一致，試驗結果為航空液壓泵流量測量系統的設計提供了理論依據以及實際測試數據的支持。

換向閥；啟閉特性；流量測試；航空液壓泵

0　引言

液壓系統的故障約占飛機故障的40%，占等級比較嚴重的故障中的15%～20%。航空滑油泵的質量與這些故障息息相關,因此,對航空滑油泵的質量進行精確的測試是提高發動機工作可靠性的關鍵[1-2]。本文研究的航空滑油泵流量測量系統是模擬滑油泵在航空發動機潤滑系統中的運行狀態,在一定轉速、滑油壓力、溫度條件下，測量滑油泵的流量性能參數，并將其作為確定滑油泵優劣的重要指標之一，根據測量系統測得的結果與標準泵的數據進行比對來確定被試泵是否合格[3-4]。

高精度的流量測量系統會受到多元因素影響:一是要求測量系統能夠對滑油泵的轉速實現精確控制,孟文俊等[5]針對航空液壓泵測量系統存在的非線性特征,在變頻矢量控制技術的基礎上,提出了神經網絡控制策略來精確控制航空液壓泵的轉速;二是測量系統會受到多種因素影響而使系統產生誤差,如溫度、壓力等，毛君等[6]為了消除滑油泵出口壓力、溫度以及滑油泵轉速三種因素的微弱偏差對流量測量的影響,提出了一種帶回歸系數的流量補償方法,實踐證明該方法能提高測量系統的精度;三是滑油的溫度對滑油密度、傳感器精度等影響較大，因此，要求流量測量時將溫度嚴格控制在要求范圍內,李昂[7]對航空發動機滑油供油試驗系統中溫度的控制進行了研究,提出了基于模糊PID方法對溫度實現精確控制，測量系統的準確性依賴傳感器的性能。文獻[8-10]對用于測量系統測量液位高度的磁致伸縮傳感器的性能進行了優化設計,大大提高了傳感器的可靠性和精度。

針對流量測量系統中的重要組成部件——換向閥對流量測量系統的影響,相關的報道較少。本文對換向閥在流量測量系統中的工作原理進行了分析,并建立了數學模型,通過仿真軟件研究其啟閉特性對流量測量準確性的影響。

1　流量測量試驗系統

1.1流量測量試驗系統組成

航空液壓泵流量測量試驗系統見圖1,本文采用的是靜態容積法,被加熱至試驗溫度(80～85 ℃)的滑油由被交流伺服電機帶動的被試航空液壓泵排出，經過調壓系統調節至適當壓力后,經過換向閥,準備流量測量試驗。

圖1　流量測量系統簡圖

換向閥的A口(入口)與調壓系統出口相連,B口與計量桶相連,C口與油箱相連,流量測量開始前,滑油經過A口進入換向閥，從C口流回油箱;當開始流量測量時,換向閥在氣源壓力的作用下開啟，滑油經過A口進入換向閥，從B口流入計量桶，計量結束時滑油從C口回流至油箱，通過計算單位時間內流入計量桶內滑油的體積即可得到被試航空液壓泵的實際流量,計量桶內滑油體積一方面可以通過高精度磁致伸縮液位傳感器轉換為體積值傳入計算機中，另一方面可以通過標定好的計量游標直接讀取。

1.2換向閥閥芯的數學模型

換向閥受力分析如圖2所示,可以看出,當閥門開啟時,氣源由D口進入，抵消彈簧作用力，使閥芯向開啟的方向運動；當閥門關閉時，關閉D口氣源，閥芯在彈簧力作用下關閉。

圖2　換向閥受力分析

根據流體力學的動量理論對換向閥閥芯受力情況進行分析。作用于閥芯的力在x軸方向的分力與作用在控制液體體積的力大小相等、方向相反，因此，可以利用動量理論對作用于控制體積的作用力進行分析，從而得到作用于閥芯的力。

設彈簧作用力方向為負，滑油從入口A到出口B的流速為uo，滑油從入口A到出口C的流速為uc，換向閥由關閉狀態到開啟狀態，換向閥閥芯受到的軸向力為

(1)

設在節流處的入口寬度為b，流量系數為c，壓降為Δp,從B口、C口滑油的流入角分別為θo、θc,閥口A的寬度為L，閥芯寬度為a，則有

(2)

將式(2)代入式(1),可得到閥芯軸向受力：

Fx=2c bΔp[Xcosθ0-(L-a-X)cosθc]+

(3)

換向閥由開啟狀態到關閉狀態，閥芯受到的軸向力與由關閉狀態到開啟狀態軸向力的表達式形式上完全相同，只是閥芯位移x賦值時要取負值。整理式(3)得

(4)

式中,c1、c2為瞬態項系數;c3為常數項。

1.3換向閥氣缸驅動的數學模型

換向閥閥芯的運動由氣缸活塞驅動,因此,有必要對換向閥氣缸的動態特性進行研究。研究氣缸數學模型及其動態特性時,先作以下假設:①由于工作腔容積小，活塞有效作用面積大，故氣缸充放氣過程視為絕熱過程；②氣源壓力恒定，并且氣源溫度為環境溫度；③氣缸的內外泄漏忽略不計。

1.3.1氣缸容積腔壓力變化方程

根據對圖2中氣缸的分析,可以得到氣缸容積腔壓力變化方程：

(5)

式中,pm為工作腔的空氣絕對壓力;Ts為氣源溫度;Qm為氣源進入工作腔的質量流量;Vm為工作腔容積,Vm=AmX+Vm0;Am為工作腔活塞有效作用面積;Vm0為工作腔起始容積;κ為等熵指數。

1.3.2氣體流量方程

通過氣源管路進入氣缸容積腔的質量流量可表示為

(6)

(7)

σ=pe/ps

式中,Ae為進氣管路有效面積;ps為氣管上游壓力;pe為氣管下游壓力。

1.3.3氣缸活塞運行方程

本文研究的氣缸活塞系統,只有在正行程時需要氣源提供驅動力,回程時由彈簧提供驅動力,屬于單作用氣缸帶動變負載運動,換向閥開啟時，氣缸活塞的運動方程為

(8)

式中,M為氣缸活塞及其驅動部件的等效質量；pa為大氣壓力;F0為氣缸彈簧力;Ff為氣缸活塞摩擦力;c1、c2為變負載力比例系數,由式(4)確定。

為了研究方便,對上述運行方程進行無因次處理，可得

(9)

對工作腔壓力方程進行無因次處理，得

(10)

fa=f+σaf=F/(psAm)

σ=p/psσa=pa/ps

vd=c2S/(psA)x=X/S

x0=X0/Sτ=t/tm

式中,d為空氣的絕熱指數，一般為1.4；f為無因次力負載;σ、σa為無因次壓力;x為無因次位移;x0為無因次起始坐標;τ為無因次時間;tm為時間常數;N為無因次慣性負載。

換向閥關閉時,氣缸活塞的運動方程為

(11)

同樣進行無因次處理，得

(12)

(13)

2　換向閥啟閉特性分析

通過試驗發現，換向閥開啟時,由于彈簧的阻力作用使得閥門完全開啟的時間長于閥門關閉的時間。當開始流量測量，閥門開啟時，就會有相當一部分滑油從閥門C口損失，而閥門關閉時，又有一定量本應從C口流回油箱的滑油流入了計量桶中，這樣就產生了測量誤差。下面采用定性定量的方法對換向閥的動態特性對流量測量影響進行分析。

圖3為換向閥各階段的動態特性的定性圖解，圖中曲線形狀與趨勢與換向閥實際工作時的工作腔壓力與活塞位移隨時間變化的曲線形狀相似，但數值大小不能反映換向閥實際工作時的情況。

圖3　換向閥各階段動態特性

換向閥開啟過程消耗的時間tN由以下三部分組成：準備時間tα、運動時間tβ、結束時間tχ，即

tN=tα+tβ+tχ

(14)

換向閥開啟過程準備時間tα等于以下三部分之和：電磁換向閥的切換時間t1、壓力波從電磁換向閥到氣缸容積腔的傳播時間t2、壓力波進入氣缸后氣缸容積腔壓力增大至推動活塞開始運動所消耗的時間t3,電磁換向閥的切換時間t1通常忽略不計,t2、t3由下式計算：

(15)

式中,l為從電磁換向閥到換向閥氣缸管路的長度;a為聲波在空氣中的傳播速度;Ae為進氣管路有效面積；σc1為工作腔充氣時初始無因次壓力;σcq為工作腔充氣時無因次啟動壓力;φ1(σc1)和φ1(σcq)的計算方法由文獻[11]中的充氣計算曲線得出。

結束時間tχ一般指換向閥開啟過程中,氣缸活塞達到最大行程后,氣缸容積腔內壓力增大至最大值的時間，以及換向閥關閉過程中，氣缸活塞恢復到初始位置后，氣缸容積腔壓力減小至大氣壓力使用的時間，雖然tχ可以通過公式精確計算，但是其結果并不會對本文研究的流量測量產生影響，故不對其進行詳細研究。

(16)

式中,σd1為工作腔排氣時初始無因次壓力;σdq為工作腔排氣時無因次啟動壓力；ψ1(σa/σd1)和ψ1(σa/σdq)的計算方法由文獻[11]中的排氣計算曲線得出。

3　換向閥特性對流量測量的影響分析

由上文對流量測量過程分析可知,流量測量時的時間測量點選取在換向閥開啟與關閉瞬間，由于換向閥開啟與關閉時間不同造成了被試航空液壓泵的測量流量有較大誤差，忽略其他因素引起的誤差，在流量測量過程中，由換向閥啟閉時間不同造成的誤差可表示為

(17)

式中,Vu為流量測量過程中流入計量桶中滑油體積的測量值;Vr為流量測量過程中從被試航空液壓泵實際排出滑油的體積;Vol為流量測量過程中閥門開啟時從C口損失滑油的體積;Vcl為計量過程中閥門關閉時從B口流入滑油的體積;em為流量測量過程中由于換向閥啟閉時間不同造成的誤差;qo為閥門開啟時從C口損失滑油的平均流量;qc為閥門關閉時從B口流入滑油的平均流量。

通過對流量測量過程中,由換向閥啟閉時間不同造成的誤差分析可以看出,如果將閥門開啟時從C口損失的滑油與閥門關閉時從B口流入計量桶的滑油相抵消，那么測得的流量就是被試泵實際的流量,由于閥門開啟時從C口損失滑油的平均流量及閥門關閉時從B口流入滑油的平均流量難以測得，無法建立準確的數學模型，故需要對流量測量時間進行補償。補償前后的測量流量可表示為

(18)

(19)

式中,qm、qn分別為流量測量時間補償前后測得的被試泵流量;tm為流量測量時間補償前的計量時間;tP為流量測量時間補償前的計量時間。

式(18)為流量測量時間補償前測得的被試泵流量,由于閥門啟閉過程產生的誤差使得測量得到的流量小于實際流量,式(19)通過減小流量測量時間使得閥門啟閉過程產生的誤差被消除，當補償時間調整至最優值時誤差被完全消除,流量測量值與實際值相等。

4　仿真研究

為了研究換向閥啟閉時流量特性對流量測量的影響，使用液壓仿真軟件AMESim，根據實際的測量系統建立系統仿真模型[12]。

選擇在10 200 r/min轉速下標準流量為110 L/min的低壓后支點回油泵作為試驗泵,將滑油溫度加熱至80～85 ℃,通過調壓閥將系統壓力分別調整至0.147 MPa、0.267 MPa、0.340 MPa,在這三種壓力下,待壓力穩定后2 s開啟換向閥,1.5 s后關閉換向閥,得到在這三種不同壓力下換向閥啟閉對被試泵流量的影響,如圖4所示。可以看出,在換向閥動作的瞬間,會對流量產生一定的擾動,并且系統壓力越大,抵抗擾動與恢復穩定流量的能力越強。在低壓大流量航空液壓泵的流量測量試驗中,系統流量會受到微弱壓力變化的影響。為減小換向閥啟閉過程對系統流量的影響,應注意使用閉環控制使得系統壓力穩定,并且要求換向閥啟閉過程消耗時間盡量短。

圖4　換向閥啟閉對不同壓力下被試泵流量的影響

仍然將上述后支點回油泵作為試驗泵,將交流伺服電機轉速分別調整至6500 r/min、8350 r/min、10 200 r/min，此時泵的標準流量分別為70 L/min、90 L/min、110 L/min,將系統壓力恒定為0.34 MPa。在這三種轉速下,待壓力穩定2 s后開啟換向閥,1.5 s后關閉換向閥,得到在這三種不同轉速下換向閥啟閉對被試泵流量的影響,如圖5所示。可以看出同一種航空液壓泵由于轉速不同,其流量特性亦不同,流量越大,初始穩定時間越長,而在換向閥啟閉過程中,恢復原始流量的調整時間越短。

圖5　換向閥啟閉對不同轉速被試泵流量的影響

在后支點回油泵的10 200 r/min,壓力為0.147 MPa工況下,1.0 s時開啟換向閥,3.5 s時關閉換向閥,得到換向閥閥芯位移曲線,如圖6中曲線3所示。可以看到在換向閥開啟過程中,換向閥進氣口D口的氣源作用于氣缸的力克服彈簧預壓縮量的彈力時,閥芯開始移動,該過程大約需要1.3 s。在換向閥關閉的過程中,由于沒有氣源壓力的作用,而在彈簧力的作用下,氣缸與閥芯做回彈移動,直至換向閥完全關閉,該過程大約需要0.8 s。因此,閥門啟閉時間的不同勢必會對影響規定流量測量時間內流經換向閥的滑油體積,圖6中曲線1為從被試滑油泵排出,經過換向閥流入計量桶中滑油的體積,最終值約112 L,大于標準值。通過對時間進行修正后的閥芯位移曲線如圖6中曲線4所示，從被試滑油泵排出，經過換向閥流入計量桶中滑油的體積，最終值約110 L,與標準值相等。

5　試驗研究

本文基于前期理論研究的基礎上,設計完成了航空液壓泵流量測量系統,圖7為現場試驗設備的照片,可以看到,有分別用于對100 L以下和100 L以上流量測量的兩個容積不同的計量桶以及分別測量液位的高精度磁致伸縮液位傳感器,每個計量桶配備了一個換向閥。

圖7　現場試驗裝置

為了驗證理論分析與模擬仿真的正確性，對換向閥啟閉特性對流量測量影響進行大量試驗，并對試驗數據進行采集。選取的5種被試航空液壓泵在不同工作條件下12種的標準流量值見表1。表1中的數據代表了被試航空液壓泵的實際流量值。

表1　各被試航空液壓泵的標準流量

圖8所示為換向閥啟閉對不同轉速被試泵流量的影響的實測數據曲線,圖9所示為時間修正前后換向閥閥芯位移與滑油體積實測數據曲線對比。可以看出實測曲線和仿真曲線基本相同,由于實際現場工況條件復雜,溫度、壓力等因素導致實測數據略大于仿真數據。

圖8　換向閥啟閉對不同轉速被試泵流量的影響

1.修正前閥芯位移　2.修正后閥芯位移　3.修正后計量桶內滑油體積　4.修正前計量桶內滑油體積圖9　時間修正前后換向閥閥芯位移與滑油體積對比

針對表1中的各個被試航空液壓泵，在其工況條件下進行流量測量，通過傳感器測得該泵的流量值以及換向閥開啟與關閉過程消耗的時間，并根據與標準流量值對比計算出測量時間的修正值，然后使用修正后的測量時間進行流量測量，可以得到表2所示的對比數據。

表2　時間修正前后流量測量值對比

由表2可以看出,對測量時間修正前，被測試泵的流量值比實際流量值偏大，超過了系統允許誤差值，通過對測量時間進行修正后，被測試泵的流量值與實際流量值基本相同，誤差在±0.5 L/min以內，因此，通過對測量時間的修正基本可以消除由換向閥啟閉過程所引起的誤差。

6　結論

(1)在換向閥動作的瞬間，會對流量產生一定的擾動，并且系統壓力越大，抵抗擾動與恢復穩定流量的能力越強。

(2)同一種航空液壓泵，由于轉速不同，其流量特性亦不同，流量越大初始穩定時間越長，而在換向閥啟閉過程中，恢復原始流量的調整時間越短。

(3)由于換向閥啟閉過程耗時不等，故需要對測量時間進行修正以提高系統的精確性。

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(編輯陳勇)

Analyses of Influences of Valve Open and Shut Characteristics on Flow Measurement Tests

Xie Miao1Liu Zhixiang1Lu Qitong2Tian Fengxu2Mao Jun1Huang Zengping1

1.Liaoning Technical University,Fuxin,Liaoning,123000 2.Dalian East Engineering Construction Project Management Co., Ltd.，Dalian，Liaoning,116000

Aimed at the problem that opening-closing characteristics of reversing valve in aviation hydraulic pump flow measurement system had great influences on flow measurement accuracy, and measurement errors were caused by the unequal time of the valve opening and closing process,the principles of reversing valve in the measurement system were analysed, and the mathematical model of flow and the force balance of valve spool was established.AMESim software to was used to establish the system simulation model and simulation study. The influences of the opening and closing process of the reversing valve on the flow measurement of the system was obtained under different pressures and different speeds.The simulation results can provide theoretical basis for field test. At the same time, the simulation results has were compared with the test data from the different types and different working conditions of hydraulic pump. The results show the two conditions are basically the same, and the research provides a theoretical basis and practical test data support for the design of aero hydraulic pump flow measurement system.

reversing valve; opening-closing characteristic; flow testing; aero hydraulic pump

2015-01-27

國家自然科學基金資助項目(51304107);遼寧省教育廳資助項目(L2012118);遼寧省煤礦液壓技術與裝備工程研究中心開放基金資助項目(CMHT-201206)

TP271DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.20.001

謝苗,女,1980年生。遼寧工程技術大學機械工程學院副教授、博士研究生導師。主要研究方向為機械動力學分析及控制。劉治翔,男,1988年生。遼寧工程技術大學機械工程學院博士研究生。魯啟通，男，1988年生。大連東方工程建設項目管理有限公司助理工程師。田豐旭，男，1984年生。大連東方工程建設項目管理有限公司助理工程師。毛君，男，1960年生。遼寧工程技術大學機械工程學院教授、博士研究生導師。黃增平，男，1986年生。遼寧工程技術大學機械工程學院碩士。