加油吊艙地面驅(qū)動裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

■ 趙凱 谷鵬舉 趙東莉 李志敏/西安新宇航空維修工程有限公司

0 引言

為了增大航程、延長續(xù)航時間、增加有效載重，以提高作戰(zhàn)效能，現(xiàn)代戰(zhàn)機都要求具備空中加油能力，因此，發(fā)展空中加油技術(shù)已成為增強戰(zhàn)機機動能力和打擊能力的重要措施。加油吊艙作為空中加油系統(tǒng)的主要加油設(shè)備，通常懸掛在左右機翼下方，其研制技術(shù)受到世界各國的高度重視[1-3]。

加油吊艙屬于典型的復(fù)雜系統(tǒng)，主要由殼體、動力裝置、軟管收放及響應(yīng)系統(tǒng)、輸油系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成，涉及燃油、液壓、控制、氣動等多學(xué)科領(lǐng)域，在應(yīng)用前必須進行大量的地面試驗，以模擬其在空中的加油狀態(tài)[4-5]。

加油吊艙的動力裝置一般采用沖壓空氣渦輪，該裝置能夠?qū)砹骺諝鈩幽苻D(zhuǎn)換為機械能，從而驅(qū)動液壓泵或燃油泵旋轉(zhuǎn)，為輸油及收放軟管提供所需的動力[6-7]。然而在地面試驗時，因無法獲得真實的高速來流空氣，沖壓空氣渦輪無法像在高空中那樣正常運行，因此需要研制一套地面驅(qū)動裝置，代替沖壓空氣渦輪來驅(qū)動吊艙系統(tǒng)進行地面加油試驗。本文以國內(nèi)某型加油吊艙為研究對象，根據(jù)假定的技術(shù)指標進行地面驅(qū)動裝置的方案設(shè)計和研制生產(chǎn)，并通過計算機仿真和對接試驗驗證設(shè)計方案的可行性。

1 技術(shù)要求與技術(shù)分析

根據(jù)該型加油吊艙假定的技術(shù)指標，確定本次地面驅(qū)動裝置設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)要求：

1）馬達輸出轉(zhuǎn)速為5000r/min，控制精度為±100r/min，輸出功率不小于150kW（即扭矩不小于286.5N·m）。

2）可實現(xiàn)從“I狀態(tài)”（2300r/min）到“II狀態(tài)”（5000r/min）的線性切換，且轉(zhuǎn)換時間不大于3s。

以上兩點技術(shù)要求也是本次設(shè)計的難點。為保證馬達高轉(zhuǎn)速、大扭矩輸出，必須以能提供大流量、高壓力的液壓源作為動力源，因為流量是馬達轉(zhuǎn)速的保證，壓力差是扭矩的保證，轉(zhuǎn)速精度和狀態(tài)轉(zhuǎn)化時間的保證可通過控制系統(tǒng)的設(shè)計來實現(xiàn)。因此，本次地面驅(qū)動裝置的設(shè)計重點為液壓源和控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。

2 地面驅(qū)動裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計

地面驅(qū)動裝置主要由液壓源系統(tǒng)、液壓馬達系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。液壓源系統(tǒng)為液壓馬達系統(tǒng)提供液壓動力，驅(qū)動液壓馬達旋轉(zhuǎn)，液壓馬達通過對接裝置連接加油吊艙，驅(qū)動加油吊艙工作，液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)速和功率通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓馬達系統(tǒng)中伺服閥的開度來實現(xiàn)，其原理如圖1所示。

2.2 液壓馬達系統(tǒng)設(shè)計

液壓馬達系統(tǒng)由液壓馬達、伺服閥、對接法蘭、壓力傳感器、速度傳感器等組成。液壓馬達是最終實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、大扭矩的關(guān)鍵，其基本性能決定了最終輸出能力[8]。伺服閥為關(guān)鍵控制部件，通過調(diào)節(jié)其開度控制液壓源流量來調(diào)節(jié)馬達速度，其響應(yīng)時間直接影響狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間[9]。伺服閥通過軟管和快速接頭與液壓源連接，整個驅(qū)動組件通過對接法蘭與加油吊艙對接。

為了保證盈余量充足，液壓馬達設(shè)計選型時輸出功率Pe按160kW計算，由式（1）得出其輸出扭矩M為305.6N·m。

式中，n為驅(qū)動裝置設(shè)計轉(zhuǎn)速。

通過調(diào)研和分析多種馬達性能參數(shù)，選用力士樂公司M-064型高速軸向柱塞馬達，最大扭矩為327N·m，滿足要求。其排量為64mL/r，額定工作壓力35MPa，最大連續(xù)工轉(zhuǎn)速5700r/min，最大間歇轉(zhuǎn)速6300rpm，機械效率95%，容積效率97%。由式（2）可計算出該型馬達的流量Q為329.9L/min。

式中，q為馬達排量，ηv為馬達容積效率。

該型馬達的理論起始扭矩為10N·m/MPa，則在最大負載工況時，由式（3）計算出馬達最大的實際工作壓力p為32.2Mpa，小于額定工作壓力，滿足使用要求。

式中，ηm為馬達機械效率。

為了降低系統(tǒng)的壓力損失，減少系統(tǒng)發(fā)熱，高精度快速控制馬達轉(zhuǎn)速，伺服閥應(yīng)具有控制邊壓差小、精度高、滯環(huán)小、響應(yīng)快等特點，因此選用Parker高精度高頻響比例閥（DDV閥），型號為D91FPE52HA1VS00，該閥的公稱流量為（單控制邊壓差5bar）450L/min，分辨率＜1%，滯環(huán)＜0.1%，階躍響應(yīng)時間@210bar：19ms，響應(yīng)頻率5%幅值@210bar：95Hz。為了減小對響應(yīng)速度要求的影響，將伺服閥靠近馬達安裝。

圖1 加油吊艙動力驅(qū)動系統(tǒng)原理圖

2.3 液壓源系統(tǒng)設(shè)計

本次地面驅(qū)動裝置中的液壓源采用大流量、高壓力的油泵車，本文中僅就決定油泵車性能的關(guān)鍵部件——油泵和電機進行選型設(shè)計，而液壓系統(tǒng)散熱、污染度保證、液壓系統(tǒng)安全裝置和其他液壓附件等不在此文中介紹，設(shè)計時按照《飛機地面液壓油泵車通用規(guī)范》和《飛機液壓系統(tǒng)及附件試驗臺通用規(guī)范》執(zhí)行[10-11]。

為滿足馬達的運行需要，油泵產(chǎn)生的工作壓力應(yīng)大于32.2MPa，考慮容積效率和管路接頭等損失（效率取80%），油泵的理論流量應(yīng)大于413.4L/min。由于系統(tǒng)要求的油泵流量和功率較大，因此將液壓源設(shè)計成由雙電機-泵并聯(lián)組成的系統(tǒng)，選用兩臺PV180型油泵，每臺油泵標稱輸出壓力為35MPa，額定轉(zhuǎn)速為1450r/min，排量為180mL/r，參照式（2）可計算出每臺泵的理論流量為261L/min，兩臺泵的理論總流量為522L/min，大于馬達工作所需油泵提供的理論流量413.4L/min，滿足設(shè)計要求。

電機的功率P電機即油泵的輸入功率P泵，可由式（4）計算得出，為160.2kW。在上文系統(tǒng)設(shè)計時均考慮最大的負載和最低的效率，為了發(fā)揮電機的使用效能，選擇額定功率為160kW的電機即可滿足系統(tǒng)的使用要求，通過調(diào)研與分析，確定選用Y315L1-4B5型三相異步電機。

式中，p泵為油泵的標稱輸出壓力，Q泵為油泵的理論流量，η為油泵的效率，取95%。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

地面驅(qū)動裝置的控制系統(tǒng)采用的是由伺服閥、液壓馬達、PI控制器、速度傳感器等組成的閉環(huán)速度控制，可根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)速指令和外部負載情況，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力和流量，從而得到與輸入轉(zhuǎn)速指令相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

速度傳感器為安裝在馬達上的非接觸式磁傳感器，輸出信號為脈沖信號，且每轉(zhuǎn)輸出8個脈沖信號，計算每個脈沖之間的時間間隔即可計算出馬達轉(zhuǎn)速。經(jīng)標定，速度傳感器精度小于0.01%。考慮解算精度，轉(zhuǎn)速傳感器的精度小于0.5%。

PI控制器采集速度傳感器信號，并將速度傳感器值和控制信號值相減，得到誤差信號，對誤差信號進行PI計算，將計算值轉(zhuǎn)化為伺服閥電流信號，伺服閥根據(jù)控制電流信號改變流量，控制液壓馬達的轉(zhuǎn)速。

地面驅(qū)動裝置要求輸出轉(zhuǎn)速控制在5000±100r/min，即精度為2%。為滿足精度要求，必須將誤差分布于各個部件，并且保證有一定的余量。液壓部分主要考慮伺服閥精度，控制部分主要考慮轉(zhuǎn)速傳感器精度、算法精度、DA精度等。由于采用32位浮點計算，算法精度基本忽略，采用16位DA采集卡，精度為0.01%，系統(tǒng)的精度總和為0.61%，考慮信號干擾等因素，誤差放大為理論計算的一倍，即1.22%，小于2%的技術(shù)要求，滿足要求。

3 計算機仿真驗證

AMEsim軟件是一款由IMAGINE公司開發(fā)的用于機械液壓復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真的軟件，可為流體、機械、電氣、電磁以及控制等工程系統(tǒng)提供良好的建模環(huán)境[12-13]。為驗證地面驅(qū)動裝置的設(shè)計可行性，采用AMEsim軟件對液壓馬達系統(tǒng)的關(guān)鍵部件及控制方式進行仿真計算。為了簡化模型，提高仿真速度，省略油濾、安全閥、單向閥等液壓元件，組成小簡系統(tǒng)，仿真計算模型如圖3所示。設(shè)定管路通徑32mm，長度20m，溢流閥壓力33MPa，PI控制器P參數(shù)0.15，I參數(shù)0.003，考慮系統(tǒng)其他因素，設(shè)定伺服閥精度1%，其他系統(tǒng)參數(shù)依據(jù)上文各選型部件的指標設(shè)定。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

圖3 液壓馬達系統(tǒng)仿真計算模型

輸入信號為5000r/min，分別選取 轉(zhuǎn) 動 慣 量 為 1kg·m2、2kg·m2、3kg·m2的三個典型狀態(tài)對系統(tǒng)仿真計算模型進行計算。馬達轉(zhuǎn)速隨時間的調(diào)節(jié)曲線如圖4所示，從中可以看出，從“I狀態(tài)”到“II狀態(tài)”調(diào)節(jié)的線性度較好，調(diào)節(jié)時間分別為0.8s、1.5s、2.4s，控制最終轉(zhuǎn)速分別為4949r/min、4982r/min、5016r/min，控制精度和調(diào)節(jié)時間均滿足要求。

輸出轉(zhuǎn)速為5000r/min時，伺服閥各油口的計算數(shù)據(jù)見表1。從中可以看出，馬達入口壓力為32.4MPa，出口壓力為2.7MPa，壓力差小于馬達的額定工作壓力35MPa，馬達流量為351.3L/min，考慮容積效率等因素（效率取80%）時，泵組需提供439.1L/min的流量，而泵組理論流量為522L/min，所以選擇的泵組流量富裕。

4 地面測試驗證

按照上文設(shè)計方案進行地面驅(qū)動裝置的生產(chǎn)、組裝和調(diào)試，然后在某試驗中心進行了該裝置和加油吊艙的對接測試試驗。當(dāng)設(shè)定PI控制器參數(shù)P=0.2，I=0.005時，從“I狀態(tài)”到“II狀態(tài)”的切換時間約為1s，調(diào)節(jié)時間過快。將參數(shù)修改為P=0.1，I=0.003時，從“I狀態(tài)”到“II狀態(tài)”的切換時間為2～2.5s，馬達最終轉(zhuǎn)速達到4950r/min，輸出扭矩299N·m，系統(tǒng)供油壓力為32MPa，流量334L/min，馬達入口壓力31.5MPa，出口壓力0.8MPa，各項數(shù)據(jù)和仿真計算結(jié)果基本一致，說明該地面驅(qū)動裝置的系統(tǒng)設(shè)計合理，液壓部件等選型正確。

圖4 不同轉(zhuǎn)動慣量下馬達轉(zhuǎn)速隨時間的調(diào)節(jié)曲線

表1 伺服閥各油口計算數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

從計算機仿真和地面測試的結(jié)果可以得出，地面驅(qū)動裝置的液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計合理，馬達、伺服閥、泵組等部件選擇正確，轉(zhuǎn)速控制精度滿足要求，狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間可通過修正PI控制器參數(shù)來保證。按照本文設(shè)計方案研制的地面驅(qū)動裝置滿足技術(shù)要求，可以代替沖壓空氣渦輪驅(qū)動加油吊艙系統(tǒng)進行地面加油模擬試驗。