一種用于風洞液壓設備保障的多功能油源研制

顧海濤，孫常新，李增軍

(中國空氣動力研究與發展中心，四川綿陽 621000)

0 前言

風洞是能人工產生和控制氣流以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動，并可量度氣流對物體的作用以及觀察物理現象的一種管道狀地面試驗模擬設備。暫沖式風洞中實現流場調節的裝置主要包括調壓閥、噴管機構、柵指機構、擴散段調節片機構等。隨著風洞尺寸的增大，調節機構的負載也隨之增大，同時要求響應快、動作平穩、可調性好。液壓系統憑借其自身獨有優點，在1 m量級以上風洞的調節機構中得到廣泛應用。以近期建設的某1.2 m暫沖式跨超聲速風洞為例，流場調節機構除擴散段調節片采用電動方式外，其余均采用液壓驅動。

風洞中的液壓設備一旦發生故障，將導致風洞運行停擺。為提高風洞液壓設備的運行保障能力，需研制一套移動油源，作為應急備用。同時為保證油缸運行的可靠性，需定期對油缸進行地面維護，移動油源需作為地面試驗臺，對維護后的油缸進行加載試驗，達標后回裝到對應的部段機構中。

1 移動油源方案確定

1.1 功能需求

在新建1.2 m暫沖式跨超聲速風洞中，主進氣管路調壓閥、旁路調壓閥、引射管路調壓閥均采用液壓電液伺服系統驅動，其中主進氣管路調壓閥、旁路調壓閥共用1號油源，伺服閥組相對獨立，引射管路調壓閥使用2號油源和獨立的伺服閥組，3個調壓閥工作壓力均為21 MPa，流量分別為170、130、75 L/min；噴管執行機構上下對稱，單邊設置16組油缸，液壓系統使用3號油源，采用低壓成型、高壓鎖緊的運行模式，即各液壓缸動作時采用低壓，到達機械限位后采用高壓進行鎖緊。低壓系統壓力為6 MPa，高壓系統壓力為21 MPa，壓力油分別通過2只三位四通電磁換向閥并聯供向1～16號液壓缸，流量為50 L/min。因此，移動油源作為應急油源使用時，需滿足如下功能：

(1)需具備伺服控制回路，且綜合滿足3個調壓閥在流量差異較大情況下的控制性能；

(2)需具備電磁閥控制回路，滿足噴管執行機構運動與鎖緊能力；

(3)機泵組輸出流量可調，盡量減少發熱、提高效率；

(4)需具備靈活移動能力，結構與電氣接口需滿足快速對接需求。

移動油源作為液壓試驗臺使用時，能夠重點保證對維護后的油缸進行地面加載試驗，需滿足如下功能：

(1)需具備開關動作及節流調速回路，滿足被測油缸運動和速度調整需求；

(2)具備加載油缸和配套的控制回路，滿足其主動位置調整和被動加載需求；

(3)加載油缸另需配置補油回路，滿足被動加載過程中腔體吸空時補油需求；

(4)具備加載臺架及連接板，滿足被測油缸、加載油缸的安裝、連接及調整能力。

1.2 方案確定

現風洞中主進氣管路調壓閥、旁路調壓閥、引射管路調壓閥的液壓控制回路基本相同，僅存在流量差異，原理如圖1所示。噴管執行機液壓控制回路主要需完成主供油路的開關及方向控制，原理如圖2所示。

圖1 調壓閥液壓原理

圖2 噴管執行機液壓原理

因此，移動油源作為應急油源使用時，其主回路原理設計可以與調壓閥的控制回路保持一致，而電磁閥控制回路既是伺服回路的冗余備用，也可作為噴管執行機構主供油路的控制回路，同時當作為液壓試驗臺使用時，電磁閥控制回路可作為被測油缸的開關動作及節流調速回路。

此移動油源作為液壓試驗臺時，要求能夠為被測油缸提供全程加載試驗。近些年來已有一些針對油缸進行加載試驗的液壓試驗臺設計研究，具體涉及基于方向閥、壓力調節閥等構建主動加載回路或被動加載回路，均取得了一定效果。文獻[2]采用電磁換向閥構建了主動加載回路。文獻[3]采用比例調速閥和電磁換向閥構建了主動加載回路。文獻[4]采用比例溢流閥和單向閥構建了主動加載回路。文獻[5]采用比例溢流閥和電磁換向閥構建了主動加載回路。文獻[6]采用溢流閥和單向閥構建了被動加載回路。此試驗臺進行油缸加載試驗時，主要檢查耐壓情況、低壓下的泄漏情況及耐久性情況，基于溢流閥和單向閥的被動加載回路更為適合。為提高工作可靠性，進一步完善被動加載回路，通過電磁換向閥實現加載缸活塞桿的動作進而滿足不同行程的被測缸連接。通過在加載缸兩腔油路溢流閥實現加載力調整，在電磁換向閥后設置外控液控單向閥防止被動加載時油液回流，并在壓力油路通過減壓閥、單向閥分別連接加載缸兩腔，保證真空腔補油的可靠性。

機泵組采用雙泵并聯，可根據流量需求靈活切換雙泵/單泵工作模式。油泵選用恒壓變量式，當系統壓力低于設定壓力時，泵以最大流量供油；當系統壓力達到設定壓力時，泵進入恒壓工況，根據負載的需要改變供往系統的流量，而保持系統壓力基本不變，減少系統發熱、提高效率。

加載油缸與被試油缸分別通過兩側安裝架安裝在加載臺架上，兩側安裝架通過4根導柱和鎖緊螺母連接，油缸通過耳座與中間的連接板連接，連接板可以在4根導柱上自由滑動，安裝架放置在底座上，再安裝在地面，這樣可以將加載力轉化為內力。

2 具體方案設計

移動油源液壓原理如圖3所示。機泵組采用2臺63PCY型變量柱塞泵組12.1、12.2并聯，合流后供油流量最大可達182 L/min，每臺泵組出口均設置有單向閥13.1、13.2，使2臺泵組工作時互不影響。供油壓力通過溢流閥20.1調整。泵的恒壓點可在本地靈活設定，聯動/單動可在本地控制中便捷切換。液壓油源的泵出口設置有兩級過濾器15、16，過濾精度分別為10、5 μm，回油設置有20 μm過濾器39，循環冷卻回路設置有10 μm過濾器41，確保了系統油液的清潔度。

圖3 移動油源液壓原理

伺服控制回路由伺服閥27、液控單向閥30.1、30.2及其外控電磁換向閥26.1組成。伺服閥27電氣接口與風洞現控制接口一致；液控單向閥30.1、30.2控制油為外控，有效規避位置伺服時流量不穩可能導致的機構抖動問題。

電磁閥控制回路由電液換向閥31.1、液控單向閥32、雙單向節流閥33組成。液控單向閥32控制油為內控，與Y型中位機能電液換向閥31.1配合，控制油接通油箱可實現可靠鎖緊。雙單向節流閥33可以實現流量調節。此電磁閥控制回路，共3種使用模式：(1)作為1號油源或2號油源的應急油源使用時，可作伺服控制回路的冗余備用，保證伺服控制回路遇到意外情況下調壓閥能夠通過電液換向閥31.1關閉；(2)作為3號油源應急油源使用時，也作噴管執行機構主供油路的控制回路，通過電液換向閥31.1控制噴管執行機構動作，主供油流量通過雙單向節流閥33調節；(3)作為油缸的液壓試驗臺使用時，通過電液換向閥31.1控制被測油缸動作，供油流量通過雙單向節流閥33調節。

加載回路由溢流閥20.2，單向閥36.1、36.2，電液換向閥31.2，液控單向閥30.3、30.4及其外控電磁換向閥26.2，加載缸組成。溢流閥20.2通過單向閥36.1、36.2與加載油缸兩腔連通，通過溢流閥可以調整被動的載荷大小；電液換向閥31.2可以主動驅動加載油缸活塞桿運行，以滿足不同行程的被測油缸連接需求；液控單向閥30.3、30.4及其外控電磁換向閥26.2可防止加載試驗時油液經電液換向閥回流微漏，增加加載回路可靠性。加載油缸采用雙出桿對稱缸，保證加載回路不工作時加載油缸位置不會漂移。

補油回路由減壓閥38，液控單向閥30.5，單向閥37.1、37.2組成，其中液控單向閥30.5為外控，控制閥與加載回路中電磁換向閥26.2共用。當加載油缸被動運動時，一腔會形成一定的真空度，減壓閥38入口與系統壓力油路連通，出口減至1.5 MPa(可調)后會通過單向閥37.1或37.2供往出現真空一側油缸腔體，保證補油可靠性。

電氣控制系統主要包括上位機觸摸屏、PLC控制系統。通過觸摸屏及按鈕開關實現本地控制，包括主油泵啟停控制、油冷機組(油溫)控制、電磁閥控制、參數設置及故障報警信息的查詢和處理。

3 相關仿真分析

3.1 閥控缸位置伺服系統動態性能分析

出于統籌考慮，移動油源伺服回路中選用的伺服閥，與主進氣管路調壓閥液壓系統中的規格型號一致，在額定壓降0.5 MPa下額定流量為150 L/min，閥節流邊面積比為1∶2，死區小于1%，滯環小于0.5%，頻率為50 Hz。移動油源單泵供油流量為91 L/min。考慮到引射管路調壓閥液壓系統流量為75 L/min，重點對移動油源伺服回路與引射管路調壓閥油缸所組成的系統進行分析，驗證較大規格伺服比例閥是否能夠滿足其動態特性要求。

引射調壓閥油缸缸徑100 mm，桿徑56 mm，行程325 mm。油缸雙向受載，最大載荷40 kN，負載質量400 kg。要求油缸最大速度大于160 mm/s，加減速時間小于0.2 s，定位精度優于±0.1 mm。閥控缸位置伺服系統AMESim仿真模型如圖4所示，仿真結果如圖5所示。可以看出：引射調壓閥油缸的最大速度、加速度時間和定位精度均滿足要求。

圖4 閥控缸位置伺服系統AMESim仿真模型

圖5 油缸閉環控制位置、速度仿真結果

3.2 框架底座強度分析

框架底座、移動油源集成安裝在框架小車上，小車由Q235矩形管焊接而成，用于放置電機泵組、油箱閥組、油冷機及電控柜等。框架一側設置有扶手，并配有帶剎車的腳輪，方便移動；框架底部設置有集油盤，可以收集油液，并帶有放油口，可對廢油進行回收，如圖6所示。框架移動油源的主要承力部件，在質量集中部位如油箱、電機泵組、閥組的安裝位置施加載荷；選取腳輪安裝位置為固定約束。經過分析計算，結果如圖7所示。可以看出：在載荷作用下，框架的最大應力為95.4 MPa，小于材料屈服強度235 MPa，最大變形為1.37 mm，滿足使用要求。

圖6 框架小車示意

圖7 框架應力、應變分布

3.3 加載臺架強度分析

加載臺架主要由底座、安裝架、導柱、連接板、被試油缸等構成，如圖8所示。加載油缸與被試油缸分別安裝在兩側的安裝架上，兩側安裝架通過4根導柱和鎖緊螺母連接，油缸通過耳座與中間的連接板連接，連接板可以在4根導柱上自由滑動，安裝架放置在底座上，再安裝在地面，這樣可以將加載力轉化為內力，但安裝架、導柱、連接板均為承力部件。本文作者逐一進行了強度分析，結果均滿足3倍安全系數。以加載油缸支座為例，它受拉力時應力、應變分布如圖9所示，受推力時的應力、應變分布如圖10所示。

圖8 加載臺架示意

圖9 加載油缸支座受拉時應力應變分布

圖10 加載油缸支座受壓時應力應變分布

4 調試與應用效果

此移動油源完成研制后，隨即開展了風洞現場的調試，各項功能性能均達到要求。

4.1 調壓閥液壓系統應急油源功能調試

將移動油源軟管與引射管路調壓閥油缸進出油口連接，且保證伺服閥大小節流邊分別與油缸無桿腔、有桿腔對應，電機泵組12.1動力電由原1號油源動力柜提供，伺服閥27、外控電磁換向閥26.1、電液換向閥31.1的電氣接口直接從引射管路調壓閥液壓系統切換對接。電機本地/遠程啟動，溢流閥20.1調整壓力21 MPa，壓力、溫度等狀態通過移動油源電控柜總線接口與原上位機進行信息交互，上位機對伺服閥27、外控電磁換向閥26.1發送指令控制油缸動作，在伸桿與縮桿方向進行多輪動作調試。經測試，油缸的最大速度為180.6 mm/s，加減速時間為0.19 s，油缸的定位精度如表1所示，均滿足系統要求。

表1 現場調試測試結果 單位：mm

模擬動力電突然斷電的異常情況，將機泵組12.1關停，上位機安全聯鎖使外控電磁換向閥26.1斷電，油缸保持在當前位置，此時電液換向閥31.1的24 V直流電由控制間UPS保證，操作人員通過控制電液換向閥31.1，在蓄能器24的作用下，能夠實現油缸縮桿進而實現閥門關閉。調試現場如圖11所示。

圖11 風洞現場調試

主進氣管路調壓閥、旁路調壓閥的應急油源調試與引射管路調壓閥相同，效果均比較理想，唯一區別是主進氣管路調壓閥、旁路調壓閥的應急油源調試為雙泵供油。

4.2 噴管執行機構應急油源功能調試

將移動油源軟管與噴管執行機構液壓系統主供回油管路連接，電機泵組12.1或12.2動力電由原3號油源動力柜提供，電液換向閥31.1的電氣接口直接從噴管執行機構液壓系統切換對接。電機本地/遠程啟動，溢流閥20.1調整壓力6 MPa，壓力、溫度等狀態通過移動油源電控柜總線接口與原上位機進行信息交互，上位機對電液換向閥31.1發送指令控制油缸動作，油缸的成型、回零動作正常，在M1.0型面成型到位后，溢流閥20.1調整壓力21 MPa，高壓鎖緊正常。

4.3 液壓試驗臺功能調試

將被測油缸100/160-955通過支架安裝于加載臺，在被測油缸完成排氣后，通過移動油源控制面板，使外控電磁換向閥26.2解鎖，電液換向閥31.2控制加載油缸活塞桿伸出，與被試缸通過連接板連接后，電液換向閥31.2斷電，外控電磁換向閥26.2鎖緊，電液換向閥31.1驅動被測油缸活塞桿帶載運動，載荷由溢流閥20.2調整，被動加載運動過程中減壓補油正常，動作平穩靈活，對被測油缸的耐壓情況、低壓下的泄漏情況及耐久性情況均能檢測。

5 結論

所設計的移動油源集多功能于一體，可以較好滿足風洞液壓設備運行保障與油缸地面測試等多種需求，現已投入使用。該移動油源操作便捷、實用性強，有力提高了風洞關鍵液壓設備運行保障能力，對類似移動油源設計有一定的參考價值。