潤滑系統(tǒng)調(diào)壓差活門技術(shù)研究與應(yīng)用

趙宏達，毛福榮，谷 俊

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所航空發(fā)動機動力傳輸航空科技重點實驗室,沈陽110015）

0 引言

調(diào)壓差活門為中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所胡興海等研制，并已被授權(quán)為實用新型專利，是某型航空發(fā)動機滑油供油系統(tǒng)重要部件[1]，安裝于滑油泵組上，用于控制滑油系統(tǒng)的供油量，關(guān)系著航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的供油能力和工作穩(wěn)定性[2]。

當(dāng)前，國外軍用航空發(fā)動機（例如美國GE公司的F110軍用發(fā)動機及俄羅斯АЛ-31Ф發(fā)動機）的滑油供油系統(tǒng)均采用定壓活門來控制滑油系統(tǒng)流量，只有中國自主研制的第3代戰(zhàn)斗機滑油供油系統(tǒng)采用調(diào)壓差活門控制滑油系統(tǒng)循環(huán)量[3]，與定壓供油方式相比，該控制方式更為先進，各潤滑點滑油供給量較合理，解決了高壓軸承腔滑油供給困難的技術(shù)問題。但調(diào)壓差活門為國產(chǎn)航空動力潤滑系統(tǒng)首次設(shè)計并使用，在試驗研究、驗證等方面相對欠缺。

在發(fā)動機實際工作中，由于調(diào)壓差活門打開壓力設(shè)置不合理，導(dǎo)致滑油供油壓力過高或偏低，造成飛機報降轉(zhuǎn)信號情況時有發(fā)生[4]。另外，在滑油系統(tǒng)設(shè)計時，由于缺乏調(diào)壓差活門的流量特性相關(guān)數(shù)據(jù)而將其簡化或忽略，從而影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實性。本文通過試驗研究調(diào)壓差活門的開閉特性、溢流特性、響應(yīng)特性等，從而掌握調(diào)壓差活門的工作特性，為滑油系統(tǒng)設(shè)計及外場維護時更好地使用調(diào)壓差活門提供重要參考依據(jù)。

1 調(diào)壓差活門工作原理

調(diào)壓差活門安裝于滑油泵組上，滑油泵組增壓級出口多余的滑油通過調(diào)壓差活門溢流至滑油泵組的總回油出口，其功能原理如圖1所示。

調(diào)壓差活門主要由活門殼體、滑閥、彈簧、導(dǎo)桿、引導(dǎo)螺塞及調(diào)節(jié)螺釘構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

調(diào)壓差活門感受供油管路壓力和中軸承腔壓力，在彈簧力、供油路壓力、中軸承腔壓力的共同作用下滑閥可以前后移動，使溢流孔的開度大小發(fā)生變化，保證各噴嘴前后的壓差穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)，滑閥的受力如圖3所示。

對滑閥進行受力分析，在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)下調(diào)壓差活門開啟狀態(tài)時，滑閥受平衡力為

式中：Fhg、Fzz、Ft分別為滑閥所受供油壓力、中腔壓力及彈簧的作用力；S1、S2為滑閥受力面積，根據(jù)滑閥技術(shù)圖樣可知，S1=S2；Phg為供油壓力；Pzz為中腔壓力；K為彈簧剛度；X為彈簧壓縮量[5]。

因此滑閥開啟時受力為

式中：Pm為供油壓力與中腔壓力之差簡稱滑油供油壓差。

2 調(diào)壓差活門試驗

為了摸清調(diào)壓差活門的工作規(guī)律及溢流特性，制定了試驗方案，并建立試驗器，分別進行了打開壓力試驗、溢流特性試驗和動態(tài)響應(yīng)試驗等。

2.1 調(diào)壓差活門打開壓力試驗

調(diào)壓差活門試驗原理及設(shè)備[6]如圖4～6所示。

在如圖5、6所示的試驗器上進行試驗，調(diào)整供油路電機調(diào)速旋鈕，供油路流量為74～82 L，供油壓力為230～320 kPa。然后調(diào)節(jié)供油壓差路閥門，使得供油壓差路滑油壓力從0開始逐漸升高，注意觀察溢流管的溢流量[7]。

測得滑油供油壓差為252 kPa時，溢流口溢流，活門打開。

當(dāng)活門剛打開時，存在以下受力平衡K·X=Pm·S1，將K、S1、打開壓力Pm帶入公式，可得彈簧的初始壓縮量X0＝15 mm，對尺寸鏈進行計算可得，當(dāng)活門打開壓力為252 kPa時，調(diào)整螺釘露出引導(dǎo)螺塞13 mm，如圖7所示。此數(shù)據(jù)可指導(dǎo)調(diào)壓差活門生產(chǎn)時，對初始打開壓力的設(shè)定。

2.2 調(diào)壓差活門溢流特性試驗

在如圖5、6所示的試驗設(shè)備上進行調(diào)壓差活門溢流特性試驗，調(diào)節(jié)調(diào)壓差活門入口流量為74～82 L/min，入口壓力為300 kPa，調(diào)節(jié)供油壓差路閥門，對不同供油壓差下活門的溢流量進行測量。當(dāng)滑油溫度為72.7℃、入口流量為79.8 L/min、開啟壓力為252 kPa時，溢流量見表1。

表1 調(diào)壓差活門溢流特性

對調(diào)壓差活門流量特性試驗數(shù)據(jù)進行處理后繪制出調(diào)壓差活門溢流特性曲線，如圖8所示。

從圖中可見，調(diào)壓差活門開始溢流時，隨著滑油供油壓差的增大，溢流量緩慢增加，但當(dāng)供油壓差增大至260～265 kPa時，曲線出現(xiàn)拐點，此后，隨著供油壓差繼續(xù)增大，溢流量增加較快，與供油壓差基本呈線性關(guān)系[8]。

由如圖9所示的調(diào)壓差活門結(jié)構(gòu)可知，進油口處密封結(jié)構(gòu)為圓錐面對尖邊形式，在發(fā)動機停車狀態(tài)、活門未打開前，滑油無法通過該密封結(jié)構(gòu)進入溢流口，起到防止滑油系統(tǒng)虹吸的作用[9]；當(dāng)活門剛打開時，滑油通過滑閥與殼體之間的間隙進入溢流口，如圖10（a）所示；隨著供油壓差的增大，活門開度逐漸增大，但由于滑油溢流路仍為滑閥與殼體之間的間隙（介于圖 10（a）、（b）之間的狀態(tài)），溢流量增加緩慢；隨著活門開度繼續(xù)增大,溢流路變化為殼體上的溢流孔（如圖10（c）所示狀態(tài)），隨著供油壓差進一步增大，溢流孔節(jié)流面積線性增加，溢流流量也線性增加，根據(jù)薄壁小孔流量公式[9]

溢流量與孔面積成正比，試驗結(jié)果與理論曲線變化趨勢基本一致。

對調(diào)壓差活門進行尺寸鏈計算，當(dāng)滑閥從關(guān)閉狀態(tài)開啟至溢流孔溢流時，滑閥需移動0.8 mm，相應(yīng)的彈簧壓縮量增加0.8 mm，此時相應(yīng)的供油壓差Pm需增大13.4 kPa，從 252 kPa增大至265.4 kPa，計算值（拐點）與試驗結(jié)果265 kPa基本一致。

2.3 調(diào)壓差活門動態(tài)響應(yīng)試驗

為了摸清調(diào)壓差活門對滑油系統(tǒng)滑油壓力調(diào)節(jié)的響應(yīng)品質(zhì)，進行調(diào)壓差活門響應(yīng)特性試驗[11]。

試驗器由定量泵（定轉(zhuǎn)速）、進口調(diào)壓開關(guān)K1、油濾、溫度計、激勵開關(guān)K2和其它傳感器組成，試驗原理如圖11所示。

試驗前通過調(diào)整K1使供油壓差（YC表示數(shù)）達到260 kPa，然后迅速扳動K2開關(guān)，通過示波器觀察調(diào)壓差活門流量和壓差響應(yīng)。

當(dāng)滑油溫度為85℃、滑油供油壓差從260 kPa突增至270 kPa時，調(diào)壓差活門的溢流量由12.8 L/min增加至15.6 L/min，響應(yīng)時間為384 ms；當(dāng)滑油溫度為85℃、滑油供油壓差從260 kPa突降至250 kPa時，調(diào)壓差活門的溢流量突減響應(yīng)時間為178 ms。

從試驗結(jié)果可知，調(diào)壓差活門所在的液壓系統(tǒng)響應(yīng)時間不超過384 ms，去除試驗系統(tǒng)中其它反應(yīng)較慢部件的影響，調(diào)壓差活門本身的響應(yīng)速度應(yīng)低于示波器示數(shù)響應(yīng)時間，針對機械系統(tǒng)而言，該活門調(diào)節(jié)時間較短，響應(yīng)快，對正常的壓力變化能及時響應(yīng)，可滿足發(fā)動機的正常使用[12]。

3 調(diào)壓差活門試驗結(jié)果應(yīng)用

3.1 流量特性在仿真中應(yīng)用

將試驗得到的調(diào)壓差活門溢流特性曲線應(yīng)用到Flowmaster仿真計算中[13]。將試驗所得的溢流特性數(shù)據(jù)輸入Flowmaster數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，得到性能數(shù)據(jù)曲線[14]，然后將調(diào)壓差活門特征中Pressure v Flow Rate參數(shù)設(shè)定為新定義的性能曲線，這樣即得到自定義調(diào)壓差活門元件。調(diào)壓差活門元件在Flowmaster中的應(yīng)用如圖12所示，用于仿真計算滑油系統(tǒng)供油流量和供油壓力。

將自定義的調(diào)壓差活門元件應(yīng)用于某新型發(fā)動機滑油系統(tǒng)的供油流量和供油壓力仿真分析中，最終得到計算結(jié)果比以往分析更接近于真實值，滑油系統(tǒng)仿真模型如圖13所示[15]。

3.2 打開壓力試驗在生產(chǎn)中應(yīng)用

根據(jù)試驗所得的活門打開壓力及計算所得的調(diào)整螺釘外露高度，指導(dǎo)調(diào)壓差活門生產(chǎn)廠家對活門初始打開壓力的設(shè)定，并按照打開壓力試驗方法進行打開壓力的校核，將調(diào)壓差活門的打開壓力設(shè)置在合理范圍內(nèi)，使滑油系統(tǒng)的供油壓力、流量滿足發(fā)動機工作需求。

4 結(jié)論

（1）首次建立了針對調(diào)壓差活門試驗的試驗系統(tǒng)，為后續(xù)其它型號的調(diào)壓差活門試驗奠定了基礎(chǔ)。

（2）得到了活門打開壓力值，可指導(dǎo)后續(xù)生產(chǎn)時對活門打開壓力合理地設(shè)定，使發(fā)動機潤滑系統(tǒng)各噴嘴的滑油壓力及流量滿足發(fā)動機使用需求，減少了發(fā)動機使用的故障。

（3）根據(jù)調(diào)壓差活門的溢流特性曲線，在后續(xù)發(fā)動機潤滑系統(tǒng)設(shè)計中可對活門打開壓力進行合理設(shè)定，使滑油系統(tǒng)壓力、流量等滿足發(fā)動機需求。

（4）將根據(jù)活門流量特性曲線建立的調(diào)壓差活門數(shù)字仿真模型應(yīng)用到航空發(fā)動機滑油系統(tǒng)壓力、流量設(shè)計計算中，提高了滑油系統(tǒng)供油流量和壓力仿真計算的準(zhǔn)確性和真實性，從而縮短型號研制周期，減小試驗工作量，降低研制成本。

（5）根據(jù)調(diào)壓差活門動態(tài)響應(yīng)時間可為滑油壓力波動的分析提供數(shù)據(jù)支持。

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