噴嘴性能試驗(yàn)器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

引言

燃油噴嘴是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件之一，其性能直接影響到燃燒室工作的穩(wěn)定性以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能[1]。燃油噴嘴的作用是將燃油霧化，加速混合氣體的形成，其霧化質(zhì)量對(duì)燃燒效率、出口溫度場等燃燒性能有著重要影響[2]。根據(jù)企業(yè)檢修工作的需求，要研制用于檢測多種型號(hào)飛機(jī)燃油噴嘴性能的試驗(yàn)器，測試噴嘴在一定壓力下，噴射霧流的不均勻度以及霧化質(zhì)量。

針對(duì)噴嘴類執(zhí)行元件的壓力控制，可使用多個(gè)溢流閥來調(diào)定壓力，壓力點(diǎn)相對(duì)固定，主要針對(duì)一種或少數(shù)的噴嘴測試使用，壓力控制精度為±0.025 MPa[3]。毛軍等[4]采用直動(dòng)式伺服閥閉環(huán)控制壓力，在0.25 MPa 壓力范圍內(nèi)控制精度達(dá)±0.001 MPa。劉亞軍等[5]采用自動(dòng)減壓閥控制噴嘴前壓力，在3.9 MPa壓力范圍內(nèi)，壓力測量精度為±0.02 MPa。

1.進(jìn)油過濾器 2.油泵電機(jī)組 3.單向閥 4.過濾器 5、20.壓力表 6、9、10.溢流閥 7、16.蓄能器 8、17.氣動(dòng)球閥 11.換向閥12.伺服比例閥 13.輔助噴嘴 14.流量傳感器 15.電磁座閥 18、22.溫度傳感器 19.壓力傳感器 21.燃油噴嘴23.加熱器 24.油冷卻機(jī)圖1 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.1 Hydraulic schematic diagram

本研究是基于燃油噴嘴小流量、負(fù)載敏感性高的特點(diǎn)，使用伺服比例方向閥作為主控閥，在液壓系統(tǒng)中增加輔助噴嘴及蓄能器以提高壓力控制的穩(wěn)態(tài)精度，借助AMESim仿真軟件對(duì)壓力控制系統(tǒng)輔助分析，根據(jù)分析的結(jié)果指導(dǎo)試驗(yàn)器的研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)在0.862～2.068 MPa壓力范圍內(nèi)壓力穩(wěn)態(tài)精度達(dá)到±0.01 MPa。

1 試驗(yàn)器研制需求及分析

根據(jù)研制要求，試驗(yàn)器的試驗(yàn)流程分為2項(xiàng)，不均勻度試驗(yàn)和打壓試驗(yàn)。打壓試驗(yàn)的壓力值固定為6.5 MPa，不均勻度測試要求噴嘴前壓力在0.862～2.068 MPa范圍內(nèi)任意一點(diǎn)可調(diào)。壓力控制精度要求為±0.01 MPa，壓力檢測最小分辨率0.001 MPa，流量檢測最小分辨率0.1 mL/min，試驗(yàn)器的工作介質(zhì)為RP3航空煤油，噴嘴入口的溫度范圍為(20.0±1.0) ℃。針對(duì)不均勻度試驗(yàn)，重復(fù)試驗(yàn)精度要求用標(biāo)準(zhǔn)樣件在相同條件下試驗(yàn)10次，出口流量的變化范圍不超過 5 mL/min。

以上試驗(yàn)指標(biāo)為噴嘴在試驗(yàn)器上噴射、霧化的前提條件，在各指標(biāo)參數(shù)中，壓力和流量均為被檢測的主要參數(shù)，二者呈一定的正相關(guān)關(guān)系，其中壓力作為最關(guān)鍵的被控因素，其控制精度決定了整個(gè)試驗(yàn)器的最終性能。

2 試驗(yàn)器液壓系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

試驗(yàn)器的液壓系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，其構(gòu)成及特點(diǎn)如下：

(1) 供油壓力分為2級(jí)，8 MPa溢流閥9在打壓試驗(yàn)時(shí)使用，2.5 MPa溢流閥10在不均勻度試驗(yàn)時(shí)使用，使用換向閥11對(duì)二者進(jìn)行切換，打壓試驗(yàn)時(shí)關(guān)閉全部蓄能器；

(2) 在泵出口處放置皮囊式蓄能器7，充氣壓力1.5 MPa，吸收泵的脈動(dòng)沖擊[6]，以保持供油壓力的穩(wěn)定；

(3) 被測噴嘴的通流面積很小，通過增加輔助噴嘴的方式增加通流面積，可增大壓力區(qū)間對(duì)應(yīng)的伺服閥閥芯行程范圍，以提高壓力的控制精度；

(4) 試驗(yàn)過程需要壓力穩(wěn)定時(shí)間較長，執(zhí)行元件僅為噴嘴時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，抗干擾能力差，在噴嘴前加入隔膜式蓄能器16，充氣壓力0.6 MPa，降低響應(yīng)速度，以提高壓力的控制精度[7]；

(5) 使用加熱器和油冷卻機(jī)以及溫度傳感器共同作用，對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測反饋，及時(shí)控溫[8]，使燃油噴嘴的溫度變化區(qū)間在19～ 21 ℃之間；

(6) 與變量泵、比例減壓閥、比例溢流閥等控制方式相比，伺服方向閥的控制精度和響應(yīng)速度相對(duì)更高[9-11]，壓力控制方案由伺服方向閥12、壓力傳感器19及工控機(jī)形成閉環(huán)控制，如圖2所示。

圖2 壓力控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Pressure control system block diagram

3 基于AMESim的液壓系統(tǒng)模型建立與仿真

3.1 伺服比例閥模型的搭建

伺服比例閥是整個(gè)液壓系統(tǒng)的核心部件，閥的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)決定了控制系統(tǒng)的性能，所以閥模型的真實(shí)性尤為重要。閥的模型建立分為兩部分，控制部分和結(jié)構(gòu)部分，控制部分調(diào)整閥的響應(yīng)特性，結(jié)構(gòu)部分調(diào)整閥的壓力流量特性[12-14]，如圖3所示，是基于AMESim建立的伺服比例閥模型。

圖3 基于AMESim的閥模型Fig.3 Valve model based on AMESim

伺服比例閥的型號(hào)為迪普馬的DXJ3系列最小通徑閥，表1為伺服閥模型的主要參數(shù)，圖4為閥的響應(yīng)特性曲線，圖5為閥的壓力流量特性曲線，與閥樣本曲線高度吻合。閥芯滿行程的響應(yīng)時(shí)間為15 ms，隨著閥芯行程x下降，響應(yīng)時(shí)間也相應(yīng)縮短。當(dāng)閥壓降為1 MPa時(shí)，通過流量為2 L/min，壓降為7 MPa時(shí)通過流量為5 L/min，最后加入0.2%的滯環(huán)和0.1%的分辨率模塊以達(dá)到實(shí)際控制效果[15]。

圖4 閥響應(yīng)特性曲線Fig.4 Valve response characteristic curve

圖5 閥壓力流量特性曲線Fig.5 Valve pressure flow characteristic curve

表1 伺服比例閥參數(shù)Tab.1 Servo proportional valve parameters

3.2 液壓控制系統(tǒng)模型的搭建

整個(gè)試驗(yàn)器的液壓系統(tǒng)模型如圖6所示，系統(tǒng)設(shè)置情況如下：

(1) 依據(jù)實(shí)際試驗(yàn)要求，壓力的調(diào)壓仿真區(qū)間為0.862～2.086 MPa，泵的排量為5 mL/r，電機(jī)轉(zhuǎn)速1450 r/min，由于控制器為工控機(jī)，考慮閥的響應(yīng)，將系統(tǒng)的控制設(shè)為周期50 ms[16]；

(2) 在A/D采集信號(hào)及D/A發(fā)送信號(hào)的位置增加干擾，A/D干擾信號(hào)波動(dòng)量取值范圍為壓力傳感器量程的0.1%，D/A干擾信號(hào)取閥芯位移的0.2%，模擬現(xiàn)場的實(shí)際情況；

圖6 基于AMESim的液壓控制系統(tǒng)建模Fig.6 Hydraulic control system modeling based on AMESim

(3) 由于保密需要，將燃油噴嘴模型簡化為直徑0.25 mm的節(jié)流孔，輔助噴嘴為0.55 mm節(jié)流孔，2個(gè)節(jié)流孔的表達(dá)式：

(1)

式中，Qp—— 通過2個(gè)噴嘴的流量，L/min

Cd—— 流量系數(shù)

A1—— 輔助噴嘴節(jié)流口面積，m2

A2—— 實(shí)際噴嘴節(jié)流口面積，m2

Δp—— 節(jié)流口兩端壓力差，MPa

ρ—— 液壓油密度，kg/m3

(4) 使用的算法為積分分離PID[17-18]，當(dāng)壓力接近于設(shè)定值時(shí)，偏差接近于0，這時(shí)閥芯開口量控制主要來源于積分的累計(jì)值，積分系數(shù)低時(shí)，系統(tǒng)誤差較大，積分系數(shù)加高，則會(huì)造成壓力的超調(diào)。將積分部分分離：當(dāng)系統(tǒng)誤差較大時(shí)，取消積分環(huán)節(jié)，采用比例控制，避免由于積分累積引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，當(dāng)系統(tǒng)誤差較小時(shí)，引入積分環(huán)節(jié)，采用比例積分控制，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：

(2)

(3)

式中，u(k) —— 進(jìn)入受控對(duì)象的控制變量

Kp—— 比例系數(shù)

e(k) —— 偏差信號(hào)

β—— 積分項(xiàng)開關(guān)系數(shù)

Ki—— 積分系數(shù)

e(j) —— 被累計(jì)的偏差信號(hào)

T—— 采樣時(shí)間

ε—— 積分生效閾值

3.3 輔助噴嘴對(duì)壓力控制的影響

將圖6的控制算法部分去除，仿真增加不同大小輔助噴嘴，0.862～2.068 MPa壓力區(qū)間對(duì)應(yīng)的閥芯行程區(qū)間，仿真結(jié)果曲線如圖7所示，從曲線可以看出，未加輔助噴嘴，0.862～2.068 MPa的對(duì)應(yīng)的閥芯行程區(qū)間不足10%，加上0.55 mm輔助噴嘴的對(duì)應(yīng)行程區(qū)間為64%。

圖7 閥芯位移對(duì)應(yīng)的壓力Fig.7 Pressure correspond to spool displacement

在圖6模型基礎(chǔ)上，P值設(shè)置2，I值設(shè)置20，蓄能器關(guān)閉，給定0.862 MPa的壓力階躍信號(hào)，增加不同大小輔助噴嘴對(duì)壓力控制影響曲線，如圖8所示。仿真0.7 s后壓力進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，不含輔助噴嘴的壓力最大值與最小值差為0.048 MPa；輔助噴嘴0.55 mm時(shí)，差值為0.016 MPa，輔助噴嘴1 mm時(shí)差值為0.014 MPa。從圖7、圖8曲線可以看出，輔助噴嘴的使用拓寬了壓力區(qū)間對(duì)應(yīng)的閥芯行程區(qū)間，從而提高了壓力的控制精度。通過更換不同開口大小的輔助噴嘴，也可適配更多種類的噴嘴試驗(yàn)，但隨著流量的加大，液壓油的體積彈性模量對(duì)壓力控制影響會(huì)逐漸減小，增加輔助噴嘴對(duì)壓力精度的控制影響也會(huì)降低。

圖8 輔助噴嘴對(duì)壓力的影響Fig.8 Influence of auxiliary nozzle on pressure

3.4 蓄能器對(duì)壓力控制的影響及仿真精度

根據(jù)圖6模型，P值設(shè)置70，I值設(shè)置161；給定壓力信號(hào)為連續(xù)三段階躍信號(hào)，為圖9a上目標(biāo)曲線。0～10 s時(shí)，壓力為0.862 MPa；10～20 s時(shí)，給定壓力值為1.241 MPa；20～30 s時(shí)，給定的壓力值為2.068 MPa，這3個(gè)壓力控制點(diǎn)也是噴嘴試驗(yàn)的3個(gè)主要測試點(diǎn)。在該設(shè)定條件下，蓄能器公稱容積0.05 L以下時(shí)壓力值振蕩嚴(yán)重，故使用公稱容積0.05 L與0.50 L的蓄能器對(duì)比分析。仿真曲線結(jié)果如圖9a所示，圖9b為圖9a的6～7 s曲線放大圖，圖9c為圖9a的29～30 s曲線放大圖，表2為進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，壓力最大值與最小值差值。

表2 壓力穩(wěn)態(tài)波動(dòng)值Tab.2 Steady-state fluctuation of pressure MPa

根據(jù)仿真結(jié)果，蓄能器僅為0.05 L時(shí)，壓力控制系統(tǒng)的響應(yīng)極快，但穩(wěn)定性較差，加入蓄能器雖會(huì)降低壓力控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但對(duì)控制精度有著顯著的提升。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，壓力控制系統(tǒng)仿真的理論精度值為0.007 MPa，在實(shí)際設(shè)備中，仍會(huì)存在一些非線性因素導(dǎo)致誤差加大，但綜合仿真結(jié)果來看，設(shè)計(jì)的噴嘴流量試驗(yàn)器可以達(dá)到預(yù)期的控制指標(biāo)。

4 噴嘴性能試驗(yàn)器與壓力控制精度結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)研究結(jié)果，制作的噴嘴性能試驗(yàn)器如圖10、圖11所示，可與液壓原理圖1互相對(duì)照，圖11展示的部分為圖1流量計(jì)14后的元件集成塊，集成元件包括壓力傳感器、溫度傳感器、電磁座閥、蓄能器、氣動(dòng)球閥、壓力表。集成塊的輸入端連接試驗(yàn)器內(nèi)部泵站上流量計(jì)的出口，輸出端連接測試的燃油噴嘴。

圖9 仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results

圖10 噴嘴性能試驗(yàn)器Fig.10 Nozzle performance tester

圖11 元件集成塊Fig.11 Component integration block

將標(biāo)準(zhǔn)燃油噴嘴樣件安裝到試驗(yàn)器上，采集壓力進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后1 min的壓力波動(dòng)情況，如圖12所示，壓力設(shè)置值為0.862 MPa，壓力波動(dòng)范圍為±0.003 MPa；壓力設(shè)置值為2.068 MPa，壓力波動(dòng)范圍為±0.007 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 壓力數(shù)據(jù)采集Fig.12 Pressure data acquisition

5 結(jié)論

(1) 針對(duì)飛機(jī)燃油噴嘴的性能檢測設(shè)計(jì)了一臺(tái)試驗(yàn)器，可檢測多種噴嘴，壓力控制能夠在0.862～2.068 MPa范圍內(nèi)任意一點(diǎn)穩(wěn)定，壓力穩(wěn)態(tài)精度可達(dá)到±0.01 MPa；

(2) 采用增加輔助噴嘴的方式解決小流量系統(tǒng)的控制特性，提高了壓力控制的穩(wěn)定性及精度，通過改變輔助噴嘴的大小，在一定范圍內(nèi)，可對(duì)多種噴嘴進(jìn)行性能測試；

(3) 針對(duì)此類響應(yīng)速度高、抗干擾能力差的液壓系統(tǒng)，在執(zhí)行終端放置合適大小的蓄能器，能夠提高壓力的穩(wěn)態(tài)精度；

(4) 使用積分分離PID校正后的噴嘴流量試驗(yàn)器，在其響應(yīng)速度及壓力精度方面均有良好的控制效果。