呂孟軍 趙學軍 溫海濤 郭 琪

(空軍第一航空學院航空機械工程系，河南 信陽 464000)

0 引言

某型航空發(fā)動機作為我軍先進戰(zhàn)斗機的動力裝置，其整體和部附件性能需符合技術(shù)指標才能確保飛行安全。燃油泵是發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，在返廠維修或封存期間必須對其進行維護保養(yǎng)和性能檢測，以保證裝備完好率［1］。

本文研制的燃油泵性能檢測臺能夠完成對某型航空發(fā)動機主燃油泵的磨合運轉(zhuǎn)。在穩(wěn)態(tài)和過渡態(tài)條件下進行規(guī)定時間內(nèi)的磨合運轉(zhuǎn)，檢查燃油泄漏量、噪聲振動等指標是否合格;按照履歷本，檢測通道流量、壓力、溫度及變化率等性能參數(shù)是否符合技術(shù)規(guī)范的要求［2］;依據(jù)性能和故障數(shù)據(jù)庫，判定附件的性能是否合格，依據(jù)規(guī)程指導進行基本的檢查調(diào)整工作。相關(guān)單位應用表明，該平臺有效提升了某型航空發(fā)動機裝備的維護保障效率。

1 總體設(shè)計方案

1.1 功能組成

按功能劃分，燃油泵性能檢測臺［3］主要由驅(qū)動系統(tǒng)、檢測臺體、液壓系統(tǒng)及測控系統(tǒng)4部分組成，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能組成Fig.1 Functional composition of the system

圖1中，驅(qū)動系統(tǒng)主要由大功率防爆電機、變頻器、配電柜、增速齒輪箱、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速箱等部分組成，其功能是按檢測需求，安全可靠地為待測附件提供一定功率、扭矩、轉(zhuǎn)速，以及能夠按需求實時變化的動力。檢測臺體用于安裝或放置驅(qū)動系統(tǒng)中的變頻器、測控系統(tǒng)中的工控機部分，將待測泵與驅(qū)動系統(tǒng)進行隔離，同時為各測量接口提供管路連接，固定各種控制開關(guān)、旋鈕、二次儀表、接頭、傳感器、線路等測量附件。液壓系統(tǒng)主要包括散熱裝置、液壓氣壓附件(油濾、氣濾、電磁開關(guān)、調(diào)壓閥、安全閥、截止閥、單向活門等)、管路及顯示儀表等，使供給進入待測主泵的燃油、空氣指標達到要求，確保系統(tǒng)工作的安全可靠。測控系統(tǒng)主要包括工控機、功能板卡、傳感器部分、直流電源、調(diào)理電路、電子元器件等，完成對參數(shù)的采集處理和顯示、對電磁開關(guān)等的控制。

1.2 工作原理

系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Operational principle of the system

待測泵由大功率的變頻調(diào)速電機帶動運轉(zhuǎn)，為確保轉(zhuǎn)速在最大轉(zhuǎn)速內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)節(jié);變頻器使供電頻率在設(shè)定頻率內(nèi)變化;增速齒輪箱將轉(zhuǎn)速提升2倍。待測泵進口燃油通過低壓泵(小型電機驅(qū)動)從油箱中抽出［4］，通過調(diào)壓閥將壓力調(diào)整到進口允許壓力范圍;設(shè)置旁路安全閥，防止系統(tǒng)壓力過高;燃油經(jīng)過散熱后經(jīng)過粗、細油濾進入主泵;為防止燃油倒流，設(shè)置單向活門。待測泵出口安裝燃油分配器、主副溫度傳感器，各出口處均設(shè)置節(jié)流器，模擬燃油實際的運動阻力，相關(guān)接口設(shè)置壓力、流量傳感器進行數(shù)據(jù)采集測量，燃油流回油箱。

2 系統(tǒng)詳細方案

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的好壞關(guān)系到整個系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，它是性能檢測平臺的核心功能模塊。依據(jù)技術(shù)資料數(shù)據(jù)，待測型號燃油泵的出口最大油壓力不超過10 MPa、最大流量不超過15000 L/h、最大轉(zhuǎn)速不超過6000 r/min。根據(jù)這些參數(shù)，可以計算得到驅(qū)動系統(tǒng)工作的一些關(guān)鍵參數(shù)。

泵功率的計算公式為:

設(shè)定泵運轉(zhuǎn)時的機械損失為10%、傳動效率為90%，則帶動所需功率的計算公式為:

所需扭矩的計算公式為:

驅(qū)動系統(tǒng)的選型依據(jù)上述數(shù)據(jù)進行。

2.1.1 驅(qū)動電機

依據(jù)提供功率大于所需功率的選型準則，同時考慮扭矩傳遞過程中的各種損失，電機選定功率為55 kW的YB2系列大功率防爆型鼠籠式異步電機［5］，2級額定轉(zhuǎn)速約達到2970 r/min，只需增速2倍即可滿足轉(zhuǎn)速要求(最大不超過6000 r/min)。

55 kW的2級電機的轉(zhuǎn)矩計算公式為:

增速2倍后轉(zhuǎn)矩降低一半，假定增速機械損失20%，則扭矩的計算公式為:

因此，無論是功率、轉(zhuǎn)速，還是扭矩，上述驅(qū)動電機指標滿足要求。

2.1.2 增速齒輪箱

三相電機的額定轉(zhuǎn)速接近3000 r/min，因此只需提高到原來的2倍即可達到要求。方案有以下兩種。

其中一種方案是采用專用的變頻調(diào)速電機直接變頻到要求轉(zhuǎn)速。變頻電機的級數(shù)基本都是4級以上，也就是說轉(zhuǎn)速均為1500 r/min以下，這樣達到設(shè)計要求需要將最大頻率變化到200 Hz左右。一方面，達到200 Hz的變頻電機需要定制，造價較高;另一方面，變頻到200 Hz的變頻器性能要求高、價格高，均不利于節(jié)約研發(fā)成本和批量生產(chǎn)?；谝陨显颍覀兎艞夁@種方案。

另一種方案是利用增速裝置將轉(zhuǎn)速提升到原有值的2倍，這就需要用到傳動比1∶2的增速齒輪箱。通過調(diào)研，滿足要求的齒輪箱價格不高、構(gòu)造簡單，因此最終采用這種方案。為滿足高速運轉(zhuǎn)要求，增速齒輪箱齒輪采用“人字形”齒［6］，設(shè)計有獨立的潤滑和冷卻系統(tǒng)，確保工作的安全穩(wěn)定。

2.1.3 變頻器

由于泵運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)差率變化很小，轉(zhuǎn)速基本上正比于頻率，因此變頻調(diào)速器選用PWM電壓源型［7］。為確保良好的運行質(zhì)量，選用三菱FR系列變頻器，功率與電機相同。

三菱FR系列變頻器為微型數(shù)字式控制器，通過輸入4～20 mA的控制信號，可實現(xiàn)0～100 Hz的供電頻率變化。由于電機的額定轉(zhuǎn)速為2970 r/min，增速到原有值的2倍即可達到5940 r/min(齒輪箱)，這樣最大頻率調(diào)節(jié)只需要滿足:

考慮到待測泵在極低轉(zhuǎn)速時的測量沒有意義，我們將變頻器的輸出頻率設(shè)定在5～50.4 Hz之間，滿足系統(tǒng)的性能要求。

2.1.4 配電箱、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速箱及固定底座

由于驅(qū)動系統(tǒng)工作時消耗功率較大，需要配置獨立的配電箱。聯(lián)軸器用于實現(xiàn)電機與增速齒輪箱、增速齒輪箱與待測泵之間的扭矩傳遞，均為彈性軸，確保同心。轉(zhuǎn)速箱中放置加工有30個齒的齒輪，用于輸出給轉(zhuǎn)速傳感器信號，測量轉(zhuǎn)速大小。固定底座為電機、齒輪箱等提供固定安裝。為減小機械振動，固定底座打樁深埋于地下，同時其內(nèi)部提供漏油盤及線路的固定，保證美觀實用和安全。

最終設(shè)計完成的驅(qū)動系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the driving system

2.2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)用于對待測主泵參數(shù)進行采集處理、對開關(guān)量進行控制，主要包括工控機部分、傳感器部分和電氣連接部分。

燃油泵上的接口開式測量點共有10個、閉式測量點有4個、主副溫度傳感器上的測量點有4個、供油路線上(進)的測量點有2個、輸出轉(zhuǎn)速測量點有2個、控制點有6個。各測控點名稱及性質(zhì)不作介紹。為達到對所有測控點的測控要求，硬件選型方案具體如下。

工業(yè)控制計算機采用軍品級工控機，要求具有6個以上全長ISA/PCI擴展槽、2個USB 2.0、2個串行口、1個并口。A/D、I/O、計數(shù)器板用于采集開關(guān)量信號、模擬量信號(溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速)和頻率量信號(電機轉(zhuǎn)速)。信號調(diào)理板對采集到的信號進行濾波、放大及電平、波形轉(zhuǎn)換。采取電氣隔離等保護措施防止過載對儀器的損壞。直流穩(wěn)壓電源輸入220 V AC、輸出+5 V、±12 V、+24 V，為信號調(diào)理板、儀表和電磁開關(guān)等元器件提供可靠供電。壓力傳感器選用壓力檢測與信號變送于一體的壓阻式壓力傳感變送器，輸出4～20 mA標準電流信號;流量傳感器選用帶壓力和溫度在線補償?shù)母呔葴u輪流量計，輸出4～20 mA標準電流信號;溫度傳感器選用鉑熱電阻傳感器，信號通過串口直接由計算機處理;轉(zhuǎn)速傳感器采用非接觸式。

2.3 檢測臺體

檢測臺體框架材料為不銹鋼，面板采用冷板，在固定待測泵、管接嘴和嵌入顯示器、操作按鈕的位置采用5 mm的加厚材料，其余部分采用3 mm厚的板材。

臺體右側(cè)含上、下部分的工控機部分，用于對系統(tǒng)的控制(電機的啟動與停止、電機轉(zhuǎn)速等)、采集處理測量的參數(shù)、顯示打印檢測結(jié)果。

臺體下方設(shè)計為存儲位置，左側(cè)用于安裝變頻器等設(shè)備，中間存放燃油連接導管、接頭，右側(cè)用于存放必要的緊固、拆卸工具，上側(cè)漏油槽用于收集檢測臺安裝和工作時從接頭滲漏的燃油。

臺體上方左側(cè)為主功能區(qū)，用于顯示系統(tǒng)工作時的壓力、流量、溫度關(guān)鍵參數(shù)，通過專用接口固定安裝待測泵。管接嘴區(qū)提供導管的連接位置，開關(guān)旋鈕分別控制驅(qū)動系統(tǒng)的啟停、顯示部分的開關(guān)及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

臺體后面用于鋪設(shè)液壓管路、安裝傳感器、指示儀表及電磁附件，提供與齒輪箱和電機的連接空間。

2.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)用于安全可靠地為檢測臺提供符合要求的燃油和壓力空氣，滿足不同狀態(tài)下的檢測需求。

壓力燃油和壓力空氣由液壓泵站和氣源泵站提供，燃油壓力和氣壓大小可通過調(diào)節(jié)閥調(diào)整［8］。

管路和液壓元器件根據(jù)技術(shù)指標和要求制作;所有的液壓電磁元器件(安全閥、單向活門、蓄壓器、油濾氣濾、電磁開關(guān)、調(diào)壓閥等)，特別是電磁控制部分，均采用軍品級防爆產(chǎn)品，具有打開與關(guān)閉指示，確?？煽啃院桶踩?。

散熱系統(tǒng)由于不需要對泵的性能進行全面檢測，因此不需要對油液進行加溫，也不需要設(shè)置加熱系統(tǒng);但經(jīng)過齒輪泵的燃油具有一定溫升，而且由于是循環(huán)使用，為確保安全，散熱系統(tǒng)是必須要設(shè)置的。散熱器購買成品件，采用水冷式。

2.5 軟件部分

軟件開發(fā)工具選用 Labwindows CVI8.0［9］。軟件主要實現(xiàn)兩部分功能:一部分用于實現(xiàn)常規(guī)的控制面板，在屏幕上建立圖形化的儀器面板，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、結(jié)果顯示;另一部分用于實現(xiàn)檢測控制功能，利用數(shù)據(jù)采集卡附帶的DAQ控件，通過所提供的接口函數(shù)實現(xiàn)對采集卡的I/O端口進行讀寫操作［10－11］。

程序啟動后，首先顯示歡迎界面，后臺進行端口的自檢，自檢成功后進入主程序界面。主界面中的菜單欄提供軟件操作選項，包括檢測的開始停止、系統(tǒng)的退出、數(shù)據(jù)文件的保存讀取及必要的幫助信息等;中間的檢測結(jié)果顯示區(qū)實時顯示參數(shù)曲線，包括各種壓力、流量、轉(zhuǎn)速及溫度信息，指示液壓管路的工作情形;主界面最下方提供待測附件的狀態(tài)信息、故障信息和處理意見。該軟件不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實時的參數(shù)檢測，而且可以調(diào)取以前的測試數(shù)據(jù)，打印生成報表，為附件狀態(tài)的跟蹤掌握提供數(shù)據(jù)支撐。

3 主要技術(shù)難點

3.1 流量值和壓力值的準確測量

燃油泵需要在不同轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，燃油流量差異較大，從400 L/h到15000 L/h，相差近40倍，若采用尺度相同的測量標準，必然導致參數(shù)測量的準確性降低，甚至無法采集到數(shù)據(jù)。為解決此問題，將流量測量分為大流量、中流量和小流量3個檔次，渦輪流量計的直徑(單位:mm)分別為:35、15、10，對應的量程范圍(單位:m3/h)分別為:0.2 ～1.2、0.6 ～6、1.5 ～20。當主泵轉(zhuǎn)速達到某一轉(zhuǎn)速時，電磁閥切換流量測量通道，這樣不同流量采用不同量程及精度的控制閥和傳感器，就可保證大、中、小流量的流通和測量精度。

對于小流量燃油的產(chǎn)生如果采用持續(xù)泵源，會有很大的壓力脈動，影響壓力檢測精度。為保證小流量時燃油的壓力穩(wěn)定，在液壓管路中設(shè)置蓄壓器，同時采用氣壓供壓的方式，用調(diào)節(jié)冷氣壓力來調(diào)節(jié)小流量燃油系統(tǒng)壓力。這樣在保證小流量燃油系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的同時，其精度也可以得到保障。

3.2 安全保障措施

由于燃油具有揮發(fā)性，當燃油在空氣中的濃度達到一定值時，一旦有電火花等明火出現(xiàn)，將會出現(xiàn)燃燒，所以設(shè)計時必須充分考慮系統(tǒng)運行的安全性問題。為確保燃油系統(tǒng)附件測試時的防火、防爆等安全問題，可以采用以下多種方式來保證:①各型電磁閥和傳感器儀表等均采用防爆等級高的元器件;②高壓電源與試驗設(shè)備安裝位置分離;③試驗場所采用換氣設(shè)備，保證油氣密度低于可燃標準;④建立可靠接地，防止靜電產(chǎn)生電火花;⑤由于使用的電源為380 V/100 A動力電，為確保用電安全，必須設(shè)置獨立的安全防護設(shè)備，如配電柜、斷路器、空氣開關(guān)等，試驗和運行場所必須達到規(guī)定的使用環(huán)境要求。

4 結(jié)束語

本文研制的某型航空發(fā)動機燃油泵性能檢測臺已推廣到多個單位使用，應用表明，該設(shè)備操作方便靈活、測量參數(shù)齊全、性能判定準確、工作安全穩(wěn)定，功能設(shè)計完全滿足技術(shù)指標要求。同時，監(jiān)測結(jié)果存儲和分析功能的實現(xiàn)為燃油泵壽命預測和工作可靠性評估提供了較為可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，對于燃油泵的使用、維護和保養(yǎng)工作具有重要意義。

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