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(空軍第一航空學(xué)院 航空修理工程系， 河南 信陽　464000)

引言

某型飛機(jī)進(jìn)氣道伺服裝置是飛機(jī)進(jìn)氣道操縱系統(tǒng)的核心部件之一，由電液伺服閥和電磁液壓鎖組合成一體。電液伺服閥是一個雙噴嘴擋板力反饋式兩級流量控制伺服閥，電磁液壓鎖是一個以噴嘴擋板作為第一級放大的二位四通電磁閥。近年，對電液伺服閥的測試技術(shù)研究雖較為廣泛，但也存在一些不足：其主要是通過手工方式檢測，缺乏一致性、測試效率低、操作人員勞動強(qiáng)度大；液壓管路多為導(dǎo)管連接，管路長、容積大、拐彎多、振動大，測試精度受影響大；測試系統(tǒng)均存在不同程度的內(nèi)部泄漏，導(dǎo)致流量等參數(shù)測試的誤差增大；動態(tài)缸性能受速度傳感器特性的影響大，動態(tài)特性測試精度亟待進(jìn)一步提高。

某型飛機(jī)進(jìn)氣道伺服裝置測試系統(tǒng)主要用于伺服裝置出廠驗收、定檢和大修后各項性能參數(shù)的測試，采用PCL控制技術(shù)、集成模塊化技術(shù)、無泄漏切換技術(shù)以及動態(tài)缸的改進(jìn)設(shè)計，克服了以上不足，提高了測試的自動化程度和精度，可完成伺服閥靜態(tài)性能(與液壓鎖聯(lián)試，包括壓力特性、空載流量特性、內(nèi)漏、分辨率、壓漂等)、伺服閥動態(tài)性能(單試)、伺服閥噴嘴性能(單試)、液壓鎖工作準(zhǔn)確性(與伺服閥聯(lián)試，包括最小開鎖電流及壓力、自動關(guān)鎖壓力等)、液壓鎖內(nèi)漏(與伺服閥聯(lián)試)、高壓及低壓密封性(聯(lián)試)等性能的參數(shù)測定。

1　測試系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

依據(jù)GJB 3370-98中的4.6.3～4.6.4規(guī)定及測試大綱要求進(jìn)行設(shè)計，伺服裝置測試系統(tǒng)由液壓源系統(tǒng)、測試臺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成，其關(guān)鍵技術(shù)要求如表1所示。

根據(jù)液壓系統(tǒng)管徑公式：

(1)

式中，d為管徑；Q為流量；v為流速，取吸油管流速為1 m/s，壓油管流速5 m/s，回油管流速2 m/s。帶入流量40 L/min計算，則選取吸油管徑為32 mm，壓油管徑為15 mm，回油管徑為25 mm。

同時，根據(jù)液壓系統(tǒng)小孔流量公式：

(2)

按測試要求，式中流量Q為5 L/min；管嘴流量系數(shù)Cq取值0.82；壓差Δp為1.5 MPa；油液密度ρ取值900 kg/m3。則連接軟管內(nèi)徑r最小不能小于0.75 mm。

1.1　液壓源系統(tǒng)

液壓源系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由主泵機(jī)組合回路和控溫泵機(jī)組合回路構(gòu)成。

為達(dá)到GJB 3370-98中的4.6.1.1-d規(guī)定及測試大綱對油液清潔度的要求，在主泵機(jī)組合回路中，按照GJB 420A-96-5相關(guān)規(guī)定，設(shè)置兩級高壓精密過濾器，以保證油液的絕對過濾精度達(dá)到3 μm的規(guī)定值。調(diào)壓閥為比例溢流閥，可對輸出壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程無極調(diào)節(jié)。由于要求工作液溫度始終保持在(40±6) ℃范圍內(nèi)，因此設(shè)置控溫泵機(jī)組合回路，由控制系統(tǒng)依據(jù)溫度傳感器信號對加熱器和控溫泵機(jī)組合回路進(jìn)行實時調(diào)控，對油溫進(jìn)行強(qiáng)制加熱或冷卻，使油溫始終穩(wěn)定保持在規(guī)定值范圍。同時，控溫泵機(jī)組合回路還具有手控循環(huán)進(jìn)行油液清潔的功能。

1.2　測試臺系統(tǒng)

測試臺系統(tǒng)原理如圖2所示，主要由比例減壓閥、比例溢流閥、無泄電磁閥、齒輪流量計、動態(tài)缸以及其他輔件構(gòu)成。

測試臺系統(tǒng)由三個工位組成，其中1工位可完成伺服閥噴嘴性能測試 (單試)， 2工位可完成伺服閥靜態(tài)性能、液壓鎖工作準(zhǔn)確性及內(nèi)漏、伺服裝置高低壓密封性等參數(shù)的測試(聯(lián)試)，當(dāng)3工位與1工位配合時，可完成伺服閥動態(tài)性能測試(單試)。系統(tǒng)壓力由比例減壓閥無極調(diào)節(jié)，并通過控制系統(tǒng)控制各個電磁閥的通斷，為每個工位提供不同工況的液壓。采用德國VSE高精度容積式齒輪流量計代替?zhèn)鹘y(tǒng)的流量作動筒對靜態(tài)性能的流量進(jìn)行測試，測試方便、精確。在回油路中設(shè)置比例溢流閥遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)系統(tǒng)回油壓力，以滿足測試大綱對回油壓力的要求。動態(tài)缸可完成頻率響應(yīng)等動態(tài)特性的測試。

1.主泵機(jī)組合　2.控溫泵機(jī)組合　3.空濾器　4.液位控制器　5.溫度傳感器　6.液位計　7.油箱　8～11.油濾　12.水冷卻器　13.溫控開關(guān)　14、15.單向閥　16.安全閥　17.比例溢流閥　18～20.開關(guān)　21～23.壓力傳感器　24.蓄能器　25.電加熱器圖1　液壓源系統(tǒng)原理圖

1.過濾器　2.減壓閥　3.溢流閥　4.手搖泵　5. 2 m液柱　6.蓄能器　7.齒輪流量計　8溫度傳感器　9.動態(tài)缸　10～15.無泄電磁閥　16～23.開關(guān)　24～30.壓力傳感器　31.單向閥圖2　測試臺系統(tǒng)原理圖

1.3　控制系統(tǒng)

1) 控制系統(tǒng)硬件

PLC控制系統(tǒng)硬件組成原理如圖3所示。硬件設(shè)計的關(guān)鍵是為了提高可靠性和保證測試精度，采用了最先進(jìn)的嵌入式計算機(jī)作為控制核心，由海量電子盤、嵌入式CPU卡以及各種外設(shè)接口組成。同時，嵌入低增益位置閉環(huán)控制卡，在動態(tài)特性試驗時，實現(xiàn)動態(tài)無載油缸的低增益位置閉環(huán)控制，防止無載油缸撞缸。

圖3　PLC控制系統(tǒng)硬件組成原理圖

2) 控制系統(tǒng)軟件

設(shè)計的控制系統(tǒng)軟件主要模塊如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)軟件采用VC++6.0中MFC開發(fā)類編寫控制應(yīng)用程序，并可實現(xiàn)Windows中多媒體定時器的底層API支持，以達(dá)到精度最小為1 ms的定時?？刂葡到y(tǒng)軟件的設(shè)計流程如圖5所示。

從圖5可以看出，控制系統(tǒng)軟件主要包括三大功能，即系統(tǒng)初始化、測試和數(shù)據(jù)處理。初始化包括數(shù)據(jù)采集、定時器和對話框的初始化，測試部分主要是控制各油路的邏輯通斷、激勵信號的輸入、壓力流量等信號采集存儲，數(shù)據(jù)處理則是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換、繪制曲線、計算、生成報表。

圖4　控制系統(tǒng)軟件主要模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖5　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

2　幾個技術(shù)問題的解決

2.1　油路的集成模塊化設(shè)計

依據(jù)GJB 3370-98中的4.6.1.1-b規(guī)定，液壓管路要盡量短，以減小容積彈性對測試精度的影響。為此，設(shè)計了集成模塊化油路，以避免傳統(tǒng)設(shè)計中液壓管路長、拐彎多、機(jī)械和液壓振動大的缺陷。設(shè)計的集成模塊包括：進(jìn)回油集成模塊、產(chǎn)品安裝集成模塊、油路切換集成模塊，各集成模塊功能明確，元件相對獨立，便于維護(hù)和使用。進(jìn)回油集成模塊上設(shè)有高壓過濾器、比例減壓閥、比例溢流閥等，并設(shè)有油液取樣接頭，便于進(jìn)行油液監(jiān)控。產(chǎn)品安裝集成模塊包括基座油路集成模塊和3個工位的集成模塊，根據(jù)不同測試內(nèi)容分別將3個工位集成模塊安裝于基座集成模塊上，方便快捷，同時將控制腔壓力傳感器安裝于基座油路模塊上，提高了壓力增益測量的準(zhǔn)確性。油路切換集成模塊上安裝有無泄電磁閥、齒輪流量計等。通過油路的集成模塊化設(shè)計，縮短了管路長度，最大限度的減小了容積彈性、機(jī)械及液壓振動對測試精度的影響。

2.2　無泄漏切換油路設(shè)計

流量伺服閥的測試對油路的泄漏比較敏感，泄漏不僅會降低壓力增益測試值，還會造成流量特性不準(zhǔn)確，特別是靜耗量測試數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)嚴(yán)重誤差，導(dǎo)致測試臺無法使用。傳統(tǒng)設(shè)計很難保證油路的完全無泄漏，特別是電磁閥A-B腔之間的泄漏更難避免。為此，設(shè)計了無泄漏切換油路，由無泄漏電磁開關(guān)閥配合集成模塊化油路，不僅可以做到結(jié)構(gòu)緊湊、通流量大、流阻小，還可以實現(xiàn)無泄漏控制油路通斷。設(shè)計的閥芯和閥套加工配合精度高，同時閥芯與閥套之間帶密封，閥口的關(guān)閉可以實現(xiàn)閥的A-B腔的實際無泄漏，也可保證控制油路與閥的A、B腔之間無泄漏，確保了測試結(jié)果的可信度。

2.3　動態(tài)缸的設(shè)計與改進(jìn)

動態(tài)無載液壓缸是流量伺服閥動態(tài)測試的關(guān)鍵元件。根據(jù)動態(tài)缸的固有頻率公式：

(3)

式中,βe為油液彈性模量；A為動態(tài)缸活塞面積；Vt為活塞腔容積；M為活塞運動組件質(zhì)量。

由式(3)可知，要提高動態(tài)缸的固有頻率，就應(yīng)減小活塞運動組件的質(zhì)量，減小活塞腔容積，增大活塞面積。為了傳感器信號電纜不易損壞，并便于傳感器的安裝調(diào)整，動態(tài)缸選取活塞桿外伸式，同時伺服閥安裝座與缸體設(shè)計為一體，可使管路短而粗，并且活塞與缸筒之間采用間隙密封，可減小摩擦力。綜合上述因素，設(shè)計了如圖6所示的動態(tài)缸，其活塞直徑為51.5 mm，活塞單程有效行程為30 mm，活塞材質(zhì)選用青銅，經(jīng)計算，其固有頻率為15.5 kHz，完全滿足動態(tài)測試的要求。

傳統(tǒng)的無載液壓缸速度測量一般使用速度傳感器，但速度傳感器對安裝位置和精度要求非常高，而且一般的速度傳感器固有頻率較低，與伺服閥的頻寬比較接近，在高頻段測試時容易產(chǎn)生共振，導(dǎo)致速度信號畸變。為此，設(shè)計中改用加速度傳感器測量無載液壓缸的加速度，然后通過設(shè)計的放大電路和積分電路轉(zhuǎn)換為速度信號。加速度傳感器選用壓電式，其獲取的加速度信號在各個方向是完全獨立的，因此安裝非常簡單方便，可以直接固定在無載液壓缸的活塞桿上。壓電式加速度傳感器的固有頻率非常高，在1 GHz以上，有效地防止了在高頻段試驗過程中發(fā)生共振。試驗結(jié)果表明：通過加速度傳感器和放大積分電路測量無載液壓缸速度的方法是完全可行的，獲取的速度信號理想、準(zhǔn)確，并且安裝調(diào)整非常方便。圖7所示為動態(tài)缸測試的頻率特性曲線。

圖6　動態(tài)缸

圖7　動態(tài)缸測試的頻率特性曲線

3　測試系統(tǒng)的實現(xiàn)及實驗

基于前述設(shè)計原理研制了測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)簡潔美觀，能自動實現(xiàn)管路邏輯通斷控制、數(shù)據(jù)采集計

算及輸出，如圖8a所示。通過連接被測伺服裝置進(jìn)行空載流量實驗，額定流量為32 L/min，額定壓力達(dá)到21 MPa，如圖8b所示。經(jīng)連續(xù)實驗1 h后檢測，工作液溫度始終保持在(40±6) ℃范圍，抽樣油液污染度達(dá)到GJB 420A-96的5級標(biāo)準(zhǔn)。實驗表明，測試系統(tǒng)達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。

圖8　測試系統(tǒng)實物圖和實驗結(jié)果圖

4　結(jié)論

針對某型飛機(jī)進(jìn)氣道伺服裝置的特點設(shè)計了測試系統(tǒng)，包括液壓源系統(tǒng)、測試臺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。通過集成模塊化油路設(shè)計、無泄漏切換油路設(shè)計、動態(tài)缸的改進(jìn)設(shè)計，大大地提高了測試結(jié)果的精確度和可信度。經(jīng)各單位使用表明，該測試系統(tǒng)滿足所有測試項目要求，測試方便、穩(wěn)定可靠、自動化程度高，提高了使用單位的維修保障能力，并已取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)由于采用了集成模塊化設(shè)計，擴(kuò)展性強(qiáng)，因此還可用于其他伺服裝置的測試，具有較大地推廣應(yīng)用價值。

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