王野牧，諶超逸

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

活門(mén)組件和獨(dú)立活門(mén)是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成部分，“活門(mén)組件綜合試驗(yàn)器”(以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)器)主要是針對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)活門(mén)組件和3 種獨(dú)立活門(mén)的測(cè)試而設(shè)計(jì)制造的設(shè)備，是將原來(lái)手動(dòng)調(diào)節(jié)、手工記錄、人工填寫(xiě)報(bào)表的“燃油獨(dú)立活門(mén)試驗(yàn)器”與之前研制的“燃油靜態(tài)試驗(yàn)器”合二為一形成的，不僅節(jié)省了空間，減少了能源消耗，更優(yōu)化了布局配置，提高了自動(dòng)化程度，大大減少了人工作業(yè)的復(fù)雜程度和出錯(cuò)率。圖1 為此試驗(yàn)器設(shè)備正在使用中的正面照片。

圖1 設(shè)備主面板圖

試驗(yàn)器左側(cè)為活門(mén)組件實(shí)驗(yàn)區(qū)，右側(cè)為獨(dú)立活門(mén)實(shí)驗(yàn)區(qū)，兩實(shí)驗(yàn)區(qū)各自有獨(dú)立的質(zhì)量流量計(jì)、二次儀表、精密電源和相互獨(dú)立的壓力、流量調(diào)節(jié)閥，并共用一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，用于數(shù)據(jù)匯總處理、顯示和打印。

1 試驗(yàn)器基本技術(shù)要求

試驗(yàn)器試驗(yàn)工作介質(zhì)為RP-3 航空煤油，流量測(cè)量范圍:20～350 kg/h，過(guò)濾精度:3 μm，工件入口處介質(zhì)溫度:(20 ±2)℃，壓力應(yīng)在150～1 500 kPa內(nèi)連續(xù)可調(diào)，測(cè)量精度:0.5 級(jí)。試驗(yàn)器壓力、流量調(diào)節(jié)由人工手工控制調(diào)節(jié)閥完成。壓力、流量調(diào)節(jié)值和活門(mén)關(guān)斷時(shí)間由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集完成，同時(shí)要求控制軟件具備數(shù)據(jù)保存、處理、管理、打印等功能。

2 試驗(yàn)器具體實(shí)施方案

試驗(yàn)器從功能上分為液壓控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。液壓控制系統(tǒng)包括液壓泵站和獨(dú)立制冷機(jī)、活門(mén)組件測(cè)試區(qū)、獨(dú)立活門(mén)測(cè)試區(qū)3 個(gè)部分;計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)包括測(cè)控系統(tǒng)硬件部分和測(cè)控系統(tǒng)軟件部分。

2.1 液壓控制系統(tǒng)原理

液壓控制系統(tǒng)由液壓泵、質(zhì)量流量計(jì)、壓力傳感器、電磁換向閥、數(shù)字式壓力表、溫度傳感器、高精度濾油器、獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)、各種報(bào)警裝置組成。

2.1.1 液壓泵站及獨(dú)立制冷機(jī)原理

液壓泵站和獨(dú)立制冷機(jī)原理如圖2 所示。

圖2 活液壓泵站和獨(dú)立制冷機(jī)原理部分

泵站為上置式，布置了電機(jī)、液位計(jì)、溢流閥、壓力表等元器件，有帶壓、零壓兩條回油管路。在溫度控制上布置了油溫傳感器、加熱器、獨(dú)立制冷機(jī)(冷卻控制單元)，以保證精確的溫度控制。出口P1、P2 分別去往活門(mén)組件測(cè)試回路和獨(dú)立活門(mén)測(cè)試回路。

2.1.2 活門(mén)組件測(cè)試回路

活門(mén)組件是將飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的停車開(kāi)、關(guān)兩個(gè)電磁活門(mén)與啟動(dòng)電磁活門(mén)及增壓活門(mén)由原分體式結(jié)構(gòu)變?yōu)橐惑w式結(jié)構(gòu)的組合部件［1］。作者在原“燃油靜態(tài)試驗(yàn)器”的基礎(chǔ)上，結(jié)合近幾年工廠實(shí)際工作中所顯露出的問(wèn)題及新的技術(shù)要求，對(duì)原試驗(yàn)器進(jìn)行了一系列改進(jìn)，改進(jìn)后的原理圖如圖3 所示。

主要改進(jìn)之處有:

(1)針對(duì)傳感器增加了進(jìn)一步的壓力保護(hù)裝置。為了防止意外情況損壞各壓力傳感器，每個(gè)壓差傳感器的兩端都安裝有電磁換向閥(如YV7、YV8)和直動(dòng)式溢流閥，使得壓差傳感器在不工作時(shí)，前后腔壓力均為零。

迭代過(guò)程中為避免算法陷于局部最優(yōu)的問(wèn)題,在每次迭代之前對(duì)粒子群中的少部分粒子進(jìn)行變異,并根據(jù)其適應(yīng)值決定粒子的概率,即其適應(yīng)值越小則發(fā)生變異的概率也越小,適應(yīng)值越大發(fā)生變異的概率越大。粒子一旦判定變異,則將其隨機(jī)拋擲到鄰域空間的任意位置。變異規(guī)則定義如下。

圖3 活門(mén)組件實(shí)驗(yàn)區(qū)液壓原理圖

(2)針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)現(xiàn)不同的油路通斷，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)切換電磁閥的帶電順序，從根本上杜絕了因誤操作而導(dǎo)致壓差表?yè)p壞的情況發(fā)生。

(3)由于油液由泵輸出后經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥、電磁閥和管道最后到達(dá)工件入口處，溫度會(huì)發(fā)生較大變化，而且壓力和流量調(diào)節(jié)值不同時(shí)，溫度的升降范圍也不同［2］，因此采用兩個(gè)溫度傳感器進(jìn)行溫度控制。一個(gè)傳感器(BT1)放置在油箱上;另一個(gè)放置在試驗(yàn)工件入口處(BT2)，油箱配置有加熱器和大功率獨(dú)立冷卻器，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，有效地將溫度控制在(20 ±2)℃范圍內(nèi)［3］。

2.1.3 獨(dú)立活門(mén)測(cè)試回路

獨(dú)立活門(mén)實(shí)驗(yàn)區(qū)是針對(duì)3 種不同試驗(yàn)工況的單獨(dú)活門(mén)所設(shè)計(jì)的，其液壓原理如圖4 所示。之前使用的“燃油獨(dú)立活門(mén)試驗(yàn)器”存在幾個(gè)主要問(wèn)題:實(shí)驗(yàn)過(guò)程全部由人工操作完成，無(wú)自動(dòng)化程度可言，不僅對(duì)操作人員的設(shè)備掌握程度要求很高，而且出錯(cuò)的概率也比較大、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)也比較長(zhǎng);對(duì)各個(gè)壓力傳感器沒(méi)有相應(yīng)的安全保護(hù)措施，在生產(chǎn)實(shí)際中會(huì)發(fā)生壓力超量程而損壞傳感器并導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確的故障。

圖4 單獨(dú)活門(mén)實(shí)驗(yàn)區(qū)液壓原理圖

針對(duì)以上一些問(wèn)題，作者采取了相對(duì)應(yīng)的一些措施和辦法，主要有:

(1)把原來(lái)安裝單獨(dú)活門(mén)的夾具進(jìn)行了較大的改動(dòng)，將人工操作切換油路通斷的方法改為由4 個(gè)電磁換向閥(YV11—YV14)來(lái)完成對(duì)應(yīng)工作，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了可靠性。

(2)為了防止意外情況損壞各壓力傳感器，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的安全保護(hù)措施。在各個(gè)壓力及壓差傳感器測(cè)壓處布置了不同調(diào)壓范圍的溢流閥，并在設(shè)備調(diào)試過(guò)程中，根據(jù)不同的傳感器量程，調(diào)定不同溢流閥的壓力。

(3)獨(dú)立活門(mén)實(shí)驗(yàn)區(qū)的測(cè)試操作面板上，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的預(yù)留壓力測(cè)點(diǎn)和預(yù)留壓差測(cè)點(diǎn)，這樣可以在控制計(jì)算機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，仍然可以通過(guò)手動(dòng)方式完成對(duì)實(shí)驗(yàn)科目的測(cè)量工作，同時(shí)也可以在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)精確定位、快速排除。

2.2 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)

從結(jié)構(gòu)角度上講，測(cè)控系統(tǒng)由兩部分組成，一個(gè)是測(cè)控系統(tǒng)硬件部分，一個(gè)是計(jì)算機(jī)軟件部分。

硬件部分由工控機(jī)、A/D 數(shù)據(jù)采集模塊、繼電器輸出模塊、高速時(shí)間測(cè)試儀及數(shù)字顯示儀表、常規(guī)電氣控制元件組成。電氣控制部分(柜)與液壓管路隔離開(kāi)，內(nèi)有斷路器、接觸器、中間繼電器、熱保護(hù)器等，主要負(fù)責(zé)電機(jī)、循環(huán)泵、冷卻器的啟停。同時(shí)為了保證安全，采用防爆控制柜。硬件組成框圖如圖5 所示。

圖5 測(cè)控系統(tǒng)硬件部分原理圖

在活門(mén)組件測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，有一項(xiàng)是針對(duì)活門(mén)關(guān)斷時(shí)間的精確測(cè)量，該被測(cè)時(shí)間具有精度高、時(shí)間短等特點(diǎn)。高速時(shí)間測(cè)試盒即是為此設(shè)計(jì)的精密測(cè)量?jī)x器，該時(shí)間測(cè)試儀器是自主研發(fā)記錄響應(yīng)時(shí)間的高精度產(chǎn)品，還可以與工控機(jī)進(jìn)行雙向通信，將所測(cè)得的精確時(shí)間通過(guò)232 通信口傳輸給COM2 進(jìn)入計(jì)算機(jī)［4－5］。

在抗干擾方面，設(shè)備使用獨(dú)立供電的A/D 數(shù)據(jù)采集模塊，相對(duì)于計(jì)算機(jī)板卡具有更強(qiáng)的抗干擾特性。同時(shí)，選用的A/D 數(shù)據(jù)采集模塊采用了光電隔離技術(shù)，使計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間全部隔離，來(lái)提高模塊測(cè)量的抗干擾能力。同時(shí)為了解決在電機(jī)、制冷機(jī)啟停，電磁閥通斷過(guò)程中產(chǎn)生的拉弧引起的電網(wǎng)波動(dòng)而導(dǎo)致的采樣信號(hào)波動(dòng)大的問(wèn)題，作者將信號(hào)線網(wǎng)與設(shè)備電網(wǎng)物理隔離，在前端各加裝精密電源，并將電容電阻組合成無(wú)源濾波裝置［6］，同時(shí)結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件濾波，有效解決了采集信號(hào)波動(dòng)大的問(wèn)題。

2.2.2 計(jì)算機(jī)軟件部分

軟件系統(tǒng)以WINDOWS XP 操作系統(tǒng)為環(huán)境，以Access 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)基礎(chǔ)，使用三維力控軟件作為主要開(kāi)發(fā)環(huán)境，以Visual Basic 語(yǔ)言為后臺(tái)數(shù)據(jù)處理開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，構(gòu)建燃油系統(tǒng)試驗(yàn)器的軟件系統(tǒng)，設(shè)備操作界面見(jiàn)圖6 所示。

該軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、處理、實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)修改、傳感器標(biāo)定等功能。針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行自動(dòng)切換，滿足不同工況對(duì)流量、壓力的要求。因工作介質(zhì)為航空煤油，軟件同時(shí)具有溫度報(bào)警、壓力報(bào)警等功能，保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

圖6 工控軟件設(shè)備操作界面

除具有以上功能外，系統(tǒng)還具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按操作者、日期完整地保存、管理起來(lái)，并具備相應(yīng)的打印報(bào)表(報(bào)告編輯)功能。為了防止計(jì)算機(jī)故障(如死機(jī)、誤操作、病毒等)對(duì)設(shè)備造成影響，控制系統(tǒng)中設(shè)有一套完整的手動(dòng)控制切換按鈕，可將設(shè)備逐一回復(fù)到原始狀態(tài)。測(cè)試程序流程見(jiàn)圖7。

圖7 測(cè)試程序流程圖

3 結(jié)論

歷經(jīng)一年多的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試，活門(mén)組件綜合試驗(yàn)器順利通過(guò)了法國(guó)樣件的全部試驗(yàn)，所測(cè)數(shù)據(jù)和樣件數(shù)據(jù)高度吻合?，F(xiàn)已正常工作半年，可以得出以下結(jié)論:

(1)將“燃油靜態(tài)試驗(yàn)器”和“燃油獨(dú)立活門(mén)試驗(yàn)器”合二為一，證明設(shè)計(jì)理念是可行的，所采用的自動(dòng)采集、控制、數(shù)據(jù)處理方法，減輕了工作量、提高了工作效率。

(2)針對(duì)原“燃油靜態(tài)試驗(yàn)器”設(shè)備的問(wèn)題和故障，提出了有針對(duì)性的具體措施和辦法，能夠很好地解決壓差傳感器易損壞、采集數(shù)據(jù)波動(dòng)大等問(wèn)題。

(3)克服了原“燃油獨(dú)立活門(mén)試驗(yàn)器”操作不便和使用的弊端。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，降低了設(shè)備使用難度，減小了使用過(guò)程中的出錯(cuò)概率，提高了生產(chǎn)效率。

(4)在計(jì)算機(jī)軟件上，選用三維力控軟件和Visual Basic 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，縮短了開(kāi)發(fā)周期，增強(qiáng)了軟件的易用性和可維護(hù)性。

該設(shè)備的成功設(shè)計(jì)、制造，對(duì)同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工和制造有一定的指導(dǎo)意義。

［1］劉茂生，陳克賓，楊文祥.減壓活門(mén)性能試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)［J］.航空精密制造技術(shù)，2001(3).

［2］顧瑞龍.控制理論與電液控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

［3］張春行.液壓控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［4］夏揚(yáng).計(jì)算機(jī)控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］祝常紅.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［6］陳永強(qiáng)，魏金成，吳昌東.模擬電子技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2007.