張東輝

（中航工業(yè)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無(wú)錫 214063）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置仿真研究

張東輝

（中航工業(yè)航空動(dòng)力控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無(wú)錫 214063）

以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)為例，分別采用了經(jīng)典的仿真算法和專(zhuān)業(yè)仿真分析軟件A M ESim對(duì)液壓機(jī)械裝置各部件進(jìn)行了建模和仿真計(jì)算，并對(duì)2種算法所得結(jié)果進(jìn)行比較，表明A M ESim仿真軟件在液壓機(jī)械裝置仿真計(jì)算方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。

數(shù)控系統(tǒng)；液壓機(jī)械裝置；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；A M ESim軟件；仿真模型

張東輝（1973），男，高級(jí)工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由控制軟件、電子控制器、液壓機(jī)械裝置、傳感器組成。液壓機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)雖然比純液壓機(jī)械式燃油調(diào)節(jié)器的簡(jiǎn)單得多，但仍顯復(fù)雜，造成設(shè)計(jì)和加工困難，加工周期長(zhǎng)，對(duì)介質(zhì)要求較高，容易受外界條件干擾等。為了提高液壓機(jī)械裝置的性能和可靠性并縮短研制周期，必須在設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行仿真分析，以及早發(fā)現(xiàn)并修正系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的缺陷，確定最佳設(shè)計(jì)方案。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)波音公司的Easy5和法國(guó)IMAGE公司的AMESim等先進(jìn)仿真軟件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

本文以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置為研究對(duì)象，介紹了其組成和原理，分別用經(jīng)典的仿真計(jì)算方法和AMESim仿真軟件對(duì)液壓機(jī)械裝置各部件進(jìn)行了建模、仿真計(jì)算與比較分析。

1 仿真對(duì)象

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置原理如圖1所示。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置原理

液壓機(jī)械裝置由齒輪泵、調(diào)節(jié)器和分布器組成。燃油經(jīng)過(guò)齒輪泵增壓，再經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器中計(jì)量活門(mén)組件計(jì)量后進(jìn)入分布器，經(jīng)分布器油路1進(jìn)入噴嘴1；隨著去噴嘴流量的增加，噴嘴前燃油壓力增大，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，燃油分布器油路2活門(mén)打開(kāi)，燃油進(jìn)入噴嘴2。計(jì)量活門(mén)位置由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)并根據(jù)位置反饋信號(hào)閉環(huán)控制，計(jì)量活門(mén)前、后的壓差由壓差活門(mén)和回油活門(mén)共同控制為恒定值，使計(jì)量燃油流量與計(jì)量活門(mén)的開(kāi)口截面積成正比。

在正常工作時(shí)，停車(chē)電磁閥通電，停車(chē)活門(mén)不工作，切油活門(mén)為通路，燃油經(jīng)過(guò)切油活門(mén)進(jìn)入分布器后進(jìn)入主燃油噴嘴。當(dāng)需要緊急停車(chē)時(shí)，停車(chē)電磁閥斷電，停車(chē)活門(mén)一方面控制切油活門(mén)切斷通向分布器的油路，保證發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)，另一方面控制回油活門(mén)打開(kāi)，將齒輪泵后燃油回到低壓，避免泵后壓力過(guò)大。

2 經(jīng)典仿真計(jì)算方法

2.1 壓差活門(mén)和回油活門(mén)的工作原理分析

壓差、回油活門(mén)工作原理如圖2、3所示。當(dāng)壓差活門(mén)正常工作并達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，作用在壓差活門(mén)上的力保持平衡，即彈簧作用力與壓差作用力保持平衡，存在以下關(guān)系

式中：Pjq、Pjh分別為計(jì)量活門(mén)前、后的燃油壓力；D為壓差活門(mén)的直徑；K為壓差活門(mén)彈簧倔強(qiáng)系數(shù)；Δx為壓差活門(mén)彈簧壓縮量。

圖2 壓差活門(mén)結(jié)構(gòu)原理

圖3 回油活門(mén)結(jié)構(gòu)原理

當(dāng)Pjq增大或Pjh減小時(shí)，計(jì)量前、后壓差增大，作用在壓差活門(mén)上的力平衡被破壞，壓差活門(mén)向左移動(dòng)，使回油活門(mén)的彈簧腔與計(jì)后相通，回油活門(mén)向左移動(dòng)，回油開(kāi)口增大，回油量增加，使計(jì)量前壓力減小，回油窗口固定在1個(gè)新的位置，并重新達(dá)到平衡狀態(tài)，壓差活門(mén)恢復(fù)至給定的壓差，計(jì)量活門(mén)前、后壓差減小至給定值；當(dāng)Pjq減小或Pjh增大時(shí)，則反之。

2.2 計(jì)量活門(mén)開(kāi)度計(jì)算

計(jì)量活門(mén)型孔為15.7 mm×1.6 mm的4個(gè)矩形方孔，根據(jù)計(jì)量活門(mén)流量特性及流量計(jì)算公式（1），可算得各狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的計(jì)量活門(mén)開(kāi)度XJ，整理數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)量活門(mén)流量特性和開(kāi)度

式中：QJ為計(jì)量后燃油流量，L/h；μ為流量系數(shù)，一般取μ=0.62～0.67；AJ為計(jì)量活門(mén)開(kāi)口面積，mm2；ρ=0.83× 103kg/m3，為10號(hào)輕柴油密度；ΔP為計(jì)量活門(mén)前、后壓差，其設(shè)計(jì)值為1.0 MPa。

2.3 壓差活門(mén)壓力計(jì)算

在穩(wěn)定狀態(tài)下，作用在活門(mén)兩端的力是平衡的，由此可得

式中：DY為壓差活門(mén)直徑，mm；KY為壓差活門(mén)彈簧倔強(qiáng)系數(shù)，N/mm；HY為壓差活門(mén)彈簧自由高度，mm；H1Y為壓差活門(mén)彈簧工作高度，mm。

由式（2）得

式中：H0Y為彈簧預(yù)壓縮高度，mm；L0Y=0.5 mm，為壓差活門(mén)重疊量；XY為壓差活門(mén)開(kāi)度，mm。

（1）活門(mén)開(kāi)啟時(shí)壓差

（2）活門(mén)每移動(dòng)或彈簧每改變1 mm，對(duì)應(yīng)壓差活門(mén)壓差的改變量

（3）活門(mén)型孔完全打開(kāi)時(shí)壓差

2.4 回油活門(mén)壓力計(jì)算

在穩(wěn)定狀態(tài)下，作用在活門(mén)兩端的力是平衡的，由此可得式中：Pk為回油活門(mén)彈簧腔壓力，MPa；DH為回油活門(mén)直徑，mm；KH為回油活門(mén)彈簧倔強(qiáng)系數(shù)，N/mm；HH為回油活門(mén)彈簧自由高度，mm；H1H為回油活門(mén)彈簧工作高度，mm。

由式（4）得式中：H0H為彈簧預(yù)壓縮高度，mm；L0H=1.5 mm，為回活門(mén)重疊量；XH為回活門(mén)開(kāi)度，mm。

（1）活門(mén)開(kāi)啟時(shí)對(duì)應(yīng)的壓差

（2）活門(mén)每移動(dòng)或彈簧每改變1 mm，對(duì)應(yīng)回油活門(mén)壓差的改變量

（3）活門(mén)型孔完全打開(kāi)時(shí)壓差

2.5 各狀態(tài)點(diǎn)的回油量QH計(jì)算由流量連續(xù)可得

式中：QB為齒輪泵打出的理論燃油流量，可由下式計(jì)算

式中：B=28 mm，為齒寬；Dp=60 mm，為齒輪泵分度圓直徑；m=5 mm，為齒輪泵模數(shù)；n為轉(zhuǎn)速，r/min；QB為齒輪泵理論供油量，L/h；η為效率系數(shù)，一般η=0.80～0.95，本文取η=0.80。

由式（6）、（7）可得各狀態(tài)點(diǎn)的回油量，見(jiàn)表2。

表2 各狀態(tài)點(diǎn)的回油量

2.6 回油能力計(jì)算

回油活門(mén)型孔如圖4所示。

各段均為4個(gè)型孔，A1=0.39 mm2，A1Z=0.39×4= 1.56 mm2；A2=11.34 mm2，A2Z=11.34×4=45.36 mm2；A3=17.24mm2，A3Z=17.24× 4=68.96 mm2。

圖4 回油活門(mén)型孔

式中：μ為流量系數(shù)，本計(jì)算取μ=0.65；AH為回油面積，mm2；Pt為低壓油壓力，取Pt=0.3MPa；QH為回油流量，L/h。

從式（8）可知，要計(jì)算QH需先求出Pjq，而Pjq可通過(guò)計(jì)算Pjh來(lái)求出，Pjh可以通過(guò)以下步驟計(jì)算。

噴嘴特性：在第1油路噴嘴前、后壓力差ΔP=3 MPa時(shí)，流量Q=(800±25)L/h；在第2油路噴嘴ΔP=3 MPa時(shí)，Q=(5400±70)L/h；噴嘴后的反壓力不大于0.3 MPa。

由噴嘴特性及流量計(jì)算公式得：第1油路當(dāng)量噴嘴通流面積A1P=4 mm2；第2油路當(dāng)量噴嘴面積A2P=27.2 mm2。

由第1、2油路分配活門(mén)彈簧及活門(mén)組件參數(shù)算得：第1油路分配活門(mén)全打開(kāi)壓力P1QK=1.94 MPa；第2油路分配活門(mén)全打開(kāi)壓力P2QK=5.07 MPa。

當(dāng)轉(zhuǎn)速n=1660 r/min時(shí)，先假定第2油路分配活門(mén)沒(méi)打開(kāi)，此時(shí)第1油路的流量等于發(fā)動(dòng)機(jī)所需的流量(600±20)kg/h，由流量計(jì)算公式可得第1油路噴嘴前、后壓差ΔP1P=2.5 MPa，則第1油路噴嘴前壓力P1P=2.5+0.3=2.8 MPa，由此可知第1油路分配活門(mén)已完全打開(kāi)，認(rèn)為第1油路分配活門(mén)前壓力即等于第1油路當(dāng)量噴嘴前壓力2.8 MPa；因?yàn)榈?油路分配活門(mén)的開(kāi)啟壓力為1.5 MPa，所以實(shí)際上此時(shí)第2油路分配活門(mén)已經(jīng)打開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的所需流量QJ應(yīng)為2油路噴嘴的流量之和，由此可得

式中：Q1P、Q2P分別為第1、2油路噴嘴流量，L/h；P1PQ、P2PQ分別第1、2油路噴嘴前壓力，Pa；P1PH、P2PH=0.3 MPa，分別為第1、2油路噴嘴后壓力。

不考慮停車(chē)活門(mén)的節(jié)流影響，則計(jì)后壓力Pjh等于第1、2油路分配活門(mén)前的壓力P1HMQ、P2HMQ，即

設(shè)在某狀態(tài)點(diǎn)第1油路分配活門(mén)開(kāi)度為X1、第2油路分配活門(mén)開(kāi)度為X2，則

對(duì)第1油路有Q1HM=Q1P，則由式（10）、（16）得

對(duì)第2油路有Q2HM=Q2P，則由式（11）、（17）得

式中：K1=22 N/mm，K2=37.7 N/mm，分別為第1、2油路分配活門(mén)彈簧倔強(qiáng)系數(shù)；H1=24.5 mm，H2=83 mm，分別為第1、2油路分配活門(mén)彈簧自由高度；H10=24.5、H20=80.5 mm，分別為第1、2油路分配活門(mén)彈簧預(yù)壓縮高度；L10=2 mm，L20=4 mm，分別為第1、2油路分配活門(mén)重疊量；X1、X2分別為第1、2油路分配活門(mén)開(kāi)度，mm；A1、A2分別為第1、2油路分配活門(mén)開(kāi)口面積，mm2；Q1H、Q2H分別為流過(guò)第1、2油路分配活門(mén)的燃油流量，L/h；P1HMQ、P2HMQ分別為第1、2油路分配活門(mén)前壓力，Pa。

聯(lián)立式（12）～（21）可解得各狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Pjh值，先假定計(jì)量前、后壓差為1.0 MPa，則Pjq=Pjh+1.0。各狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

根據(jù)表3中的Pjq及式（8）可得回油面積AH，由AH及如圖4所示活門(mén)型孔參數(shù)可得回油活門(mén)開(kāi)度XH，整理數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

2.7 回油活門(mén)彈簧腔壓力計(jì)算

由式（4）可得

由表4和式（22）可計(jì)算得到回油活門(mén)彈簧腔壓力Pk的值，見(jiàn)表5。

表3 各狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)參數(shù)

表4 回油活門(mén)回油量及其開(kāi)度

表5 回油活門(mén)回油量及其行程

2.8 壓差活門(mén)壓差驗(yàn)算

根據(jù)圖2、3，由流量連續(xù)可得

式中：A1=0.5 mm2，為計(jì)量前燃油進(jìn)入回油活門(mén)彈簧腔的小孔面積；A2為壓差活門(mén)計(jì)后油通回油活門(mén)彈簧腔的開(kāi)口面積，mm2。

由式（10）可得

由式（24）可算得各狀態(tài)點(diǎn)的A2，壓差活門(mén)通回油活門(mén)彈簧腔的型孔為2個(gè)直徑為1 mm的圓孔，由開(kāi)口面積可算得各狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的活門(mén)開(kāi)度XY，整理數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 回油活門(mén)回油量及其行程

在n=1660、2550、3600、4040 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的壓差活門(mén)的壓差ΔP=0.92、0.93、0.92、0.92 MPa。

由于第5、9、10條的計(jì)算都是在假定ΔP=1.0 MPa的條件下進(jìn)行的，現(xiàn)將所求得的各狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓差代回第4、8、9條重新按以上步驟計(jì)算，所得結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)

2.9 仿真結(jié)果分析

由以上計(jì)算可知，在各狀態(tài)點(diǎn)的回油量均能滿足設(shè)計(jì)要求，且各狀態(tài)點(diǎn)的ΔP=0.93 MPa，也能滿足設(shè)計(jì)要求（1.0±0.1）MPa。

3 AMESim軟件仿真建模分析

3.1 AMESim軟件建模原則

首先用AMESim軟件對(duì)液壓機(jī)械裝置各功能部件進(jìn)行建模仿真，然后對(duì)整個(gè)液壓機(jī)械裝置進(jìn)行建模仿真，并進(jìn)行研究分析。由于各功能部件之間存在著匹配關(guān)系，部件模型較多時(shí)仿真出現(xiàn)問(wèn)題需要花大量時(shí)間去尋找，而且系統(tǒng)模型運(yùn)行起來(lái)需很長(zhǎng)時(shí)間，不利于調(diào)試，所以要本著循序漸進(jìn)、從易到難的原則建立模型。

3.2 建模步驟

（1）建立沒(méi)有齒輪泵、壓差活門(mén)、回油活門(mén)、安全活門(mén)、停車(chē)活門(mén)、切油活門(mén)、分配器活門(mén)的基本模型，此時(shí)只需看計(jì)量活門(mén)的跟隨情況，其流量直接由計(jì)量活門(mén)決定。如果想知道設(shè)計(jì)流量，可以在計(jì)量活門(mén)型孔前加一定壓源，型孔后加一定壓力油箱，設(shè)定二者的壓力差為壓差活門(mén)設(shè)計(jì)壓差值即可。

（2）進(jìn)行仿真，并根據(jù)結(jié)果調(diào)整部件間的匹配關(guān)系；加入壓差、回油和分配器活門(mén)模型，齒輪泵模型用可調(diào)節(jié)流量油源代替；運(yùn)行模型，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

（3）加入齒輪泵模型和停車(chē)、切油、安全活門(mén)模型，進(jìn)行完整的系統(tǒng)仿真。

3.3 建模結(jié)果

按照以上原則建立的數(shù)控系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置AMESim仿真模型如圖5所示。

圖5 數(shù)控系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置仿真模型

4 2種仿真計(jì)算結(jié)果的比較

4.1 仿真結(jié)果對(duì)比

選取計(jì)量活門(mén)開(kāi)度、回油流量、壓差活門(mén)壓差相對(duì)于n的變化曲線作為比較結(jié)果。

采用經(jīng)典仿真計(jì)算方法，根據(jù)表7的數(shù)據(jù)可繪出XJ、QH、ΔP相對(duì)于n的關(guān)系曲線，分別如圖6～8所示。

采用AMESim仿真方法，根據(jù)如圖5所示的AMESim模型運(yùn)行結(jié)果可以得到相應(yīng)的XJ、QH、ΔP相對(duì)于n的關(guān)系曲線，分別如圖9～11所示。

圖6 計(jì)量活門(mén)開(kāi)度相對(duì)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

圖7 回油流量相對(duì)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

圖8 壓差活門(mén)壓差相對(duì)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

圖9 計(jì)量活門(mén)開(kāi)度相對(duì)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線（AMESim）

圖10 回油流量相對(duì)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線（AMESim）

圖11 壓差活門(mén)壓差相對(duì)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線（AMESim）

4.2 對(duì)比結(jié)果分析

與經(jīng)典仿真計(jì)算方法相比，AMESim仿真具有以下4個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）建模過(guò)程簡(jiǎn)單，所需工作量少；

（2）可進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真；

（3）程序中設(shè)定了液體可壓縮性和間隙泄漏等各種因素并做相應(yīng)補(bǔ)償，仿真精度高；

（4）程序調(diào)整方便，便于更改設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在沒(méi)有AMESim仿真軟件前，進(jìn)行液壓機(jī)械裝置設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證設(shè)計(jì)的正確性，設(shè)計(jì)人員常采用手動(dòng)仿真計(jì)算方法，但得到的結(jié)果只能用于靜態(tài)計(jì)算，而且受設(shè)計(jì)人員水平的限制以及省略參數(shù)過(guò)多的影響，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相比常常出現(xiàn)較大差異。

本文以典型的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置為例，分別采用經(jīng)典仿真方法和AMESim仿真軟件進(jìn)行仿真，并對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行比較，表明AMESim仿真軟件在液壓機(jī)械裝置仿真計(jì)算方面具有更大優(yōu)勢(shì)。

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[5]Jaw LC，MattinglyJ D.Aircraft engine controls：design,system analysis,and hea lth monitoring[M].American Institude of Aeronautics and Astronautics，2009：21-35.

Simulation of Hydro-Mechanical Unit(HMU)for Aeroengine Digital

Control System ZHANG Dong-hui
（AVIC Aviation Motor Control System Institute,Wuxi Jiangsu 214063,China）

Take the design of HMU for an aeroengine digital control system as an example,the each component of the HMU were modeled and simulated by the classic simulation algorism and emulation analysis software AMESim and the results were compared.The result show that AMESim simulation software has significant advantages on the HMU simulation.

digital control system;HMU;aeroengine;AMESim software;simulation model

2011-08-09