蔣陵平

摘要：本文以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵單向活門(mén)為主要研究對(duì)象，基于其工作原理確定仿真所需的主要參數(shù)及各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系;利用AMESim軟件進(jìn)行燃油泵工作過(guò)程的仿真建模，仿真結(jié)果能很好地模擬FDR（Flight Data Recorder）所記錄的數(shù)據(jù);通過(guò)對(duì)單向活門(mén)參數(shù)的調(diào)整，正確復(fù)現(xiàn)了活門(mén)卡滯故障。文中的仿真結(jié)果可用于故障診斷算法的研究。

關(guān)鍵詞：燃油泵;單向活門(mén);AMESim;故障模擬

0 ?引言

故障仿真是系統(tǒng)仿真的重要分支，主要目的是得出故障狀態(tài)下的整個(gè)系統(tǒng)的行為和模式，以便對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行深度分析。液壓系統(tǒng)的故障仿真技術(shù)是在故障注入技術(shù)的基礎(chǔ)上，是仿真技術(shù)的延伸發(fā)展。Tai Liu[1]利用仿真軟件AMESim建立鉆床回路油壓控制模塊的仿真模型，研究了復(fù)雜液壓系統(tǒng)的容錯(cuò)性和故障檢測(cè)。Karpenk[2]通過(guò)建立伺服液壓定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和實(shí)物實(shí)驗(yàn)，對(duì)執(zhí)行元件腔體之間的內(nèi)泄漏進(jìn)行研究，并驗(yàn)證了容錯(cuò)控制器的有效性。Niksefat[3]建立電液伺服定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以傳感器故障和液壓泵故障為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了故障對(duì)系統(tǒng)的影響。

本文以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵單向活門(mén)為主要研究對(duì)象，在研究其工作原理的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)主要參數(shù)及各參數(shù)間的關(guān)系。然后利用AMESim對(duì)燃油泵的工作過(guò)程進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果能夠很好地模擬FDR所記錄的數(shù)據(jù)。隨后在仿真模型中設(shè)置單向閥卡滯故障，仿真正確復(fù)現(xiàn)了單向活門(mén)卡滯這一故障情景，并獲得了卡滯故障模式下的相關(guān)數(shù)據(jù)。

1 ?燃油泵工作原理

驅(qū)動(dòng)齒輪偏心輪的凸峰頂起推桿時(shí)，上拉薄膜，薄膜彈簧壓縮，膜下方容積變大，產(chǎn)生真空度，進(jìn)油活門(mén)被吸開(kāi)，出油活門(mén)緊閉，燃油從進(jìn)油口流入泵室。偏心輪的偏心凸峰轉(zhuǎn)過(guò)后，推桿回復(fù)原位，薄膜在薄膜彈簧的作用下，下行回到原位，泵室容積減小，燃油壓縮，進(jìn)油活門(mén)關(guān)閉，出油活門(mén)打開(kāi)，燃油經(jīng)導(dǎo)管送往燃油調(diào)節(jié)器。燃油泵剖面如圖1所示。

2 ?單向活門(mén)卡滯故障原理

卡滯是單向活門(mén)的常見(jiàn)故障之一。如圖2所示，單向活門(mén)通過(guò)與活門(mén)襯套配合安裝在燃油泵泵室底部特定的安裝孔內(nèi)。卡滯故障發(fā)生的主要原因有以下幾點(diǎn)：

①此型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油泵是直接安裝發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，因此，燃油泵是工作在高溫、高壓的惡劣環(huán)境下，材料自身性能極有可能會(huì)發(fā)生改變。如材料的熱脹冷縮，導(dǎo)致活門(mén)與襯套的裝配公差超過(guò)預(yù)計(jì)值。②活門(mén)的工作主要是靠膜盒的相變帶來(lái)的壓力差，而膜盒的形變來(lái)源于驅(qū)動(dòng)凸輪的作動(dòng)。驅(qū)動(dòng)凸輪是由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的驅(qū)動(dòng)齒輪經(jīng)過(guò)一次減速后帶動(dòng)的，其速度是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的1/2，即活門(mén)的開(kāi)閉頻率也為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的1/2。高頻率的運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇活門(mén)和襯套間的摩擦，使得活門(mén)與襯套縱向運(yùn)動(dòng)的摩擦力加大，甚至卡死，無(wú)法按照預(yù)定規(guī)律工作。③燃油自身可能帶有一些油濾未過(guò)濾掉的雜質(zhì)，當(dāng)這種燃油流經(jīng)活門(mén)時(shí)會(huì)導(dǎo)致活門(mén)卡滯。此外，燃油本身具有一定的粘度，附著在活門(mén)與襯套的間隙處，從而導(dǎo)致局部發(fā)生粘著卡滯。

3 ?單向活門(mén)建模

3.1 活門(mén)建模

以該型號(hào)燃油泵工作情況為例，采用AMESim軟件進(jìn)行仿真，主要分析兩個(gè)單向活門(mén)發(fā)生卡滯的故障模式。

在AMESim軟件中，利用該軟件液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)（Hydralic Component Design，HCD）進(jìn)行仿真，仿真建模如圖3所示。

根據(jù)圖所建仿真模型，其中主要子模型如下：①BOMOBENG：該模型用來(lái)模擬膜盒的形變情況。膜盒工作時(shí)，同時(shí)受到頂桿，彈簧，外部大氣壓的共同作用，故其形變的計(jì)算較為復(fù)雜。②BAP32：該模型與BAP016組合來(lái)模擬完整的單向活門(mén)。當(dāng)前端油液壓力和后端質(zhì)量塊的摩擦力存在差值時(shí)，其中心閥體便會(huì)產(chǎn)生位移，以此來(lái)模擬單向活門(mén)的開(kāi)閉情況。③MECMAS：該模型是一個(gè)質(zhì)量塊，主要作用是將其產(chǎn)生的摩擦力傳遞給前后的兩個(gè)子模型。④BAP016：該模型與BAP32組合來(lái)模擬完整的單向活門(mén)。當(dāng)前端質(zhì)量塊的摩擦力和后端彈簧的彈力存在差值時(shí)，其中心閥體便會(huì)產(chǎn)生位移，以此來(lái)模擬單向活門(mén)的開(kāi)閉。

3.2 模型評(píng)估

如圖4所示，灰色的曲線(xiàn)為FDR所記錄的實(shí)際燃油流量曲線(xiàn)，黑色的曲線(xiàn)為仿真模型輸出的流量曲線(xiàn)。為了便于比較，仿真模型的模擬流量曲線(xiàn)設(shè)置了1秒的延遲。由此可以得出，仿真模型的精度已基本達(dá)到要求，可以用于模擬燃油泵在真是工作場(chǎng)景下的運(yùn)行情況。

4 ?單向活門(mén)卡滯建模

4.1 卡滯故障建模

如圖5所示，為了更好地復(fù)現(xiàn)卡滯故障，本文在搭建仿真模型時(shí)將單向活門(mén)拆分為兩個(gè)部分，并在中間加入一個(gè)質(zhì)量塊模型。通過(guò)一個(gè)隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器，讓質(zhì)量塊模型隨之產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦力，若摩擦力大于前端油液的壓力或后端的彈簧彈力，活門(mén)的中心閥體便無(wú)法正常移動(dòng)，即發(fā)生了卡滯故障。應(yīng)用隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器，也符合卡滯故障具有隨機(jī)性的特性，將活門(mén)的開(kāi)度情況作為單獨(dú)信號(hào)輸出。如圖所示，曲線(xiàn)導(dǎo)數(shù)為零處活門(mén)的開(kāi)度保持不變，即卡滯故障段。

4.2 模型評(píng)估

如圖6所示，一共設(shè)置了三個(gè)故障模式：進(jìn)油卡滯、排油卡滯和前兩者的故障組合。從圖中可以看出，當(dāng)卡滯故障發(fā)生時(shí)，燃油流量有明顯偏離正常值范圍。當(dāng)單個(gè)故障發(fā)生時(shí)，雖然曲線(xiàn)都呈下降趨勢(shì)，但兩條曲線(xiàn)存在明顯的交織。當(dāng)組合故障發(fā)生時(shí)，其偏離值也明顯不是故障單獨(dú)發(fā)生時(shí)偏離量的簡(jiǎn)單疊加。因此，無(wú)法直接通過(guò)呈下降趨勢(shì)的曲線(xiàn)直接判斷出時(shí)何種故障。

5 ?結(jié)語(yǔ)

①在研究改型燃油泵工作原理的基礎(chǔ)上，分析了活門(mén)卡滯故障產(chǎn)生的原理。②利用AMESim軟件建立了該型燃油泵的仿真模型，并利用FDR所記錄的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。③利用仿真模型模擬了單向活門(mén)發(fā)生卡滯故障時(shí)的燃油流量曲線(xiàn)，為故障診斷算法的研究奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Liu T， Yu J， Sun W J. Study on Fault-Tolerant Technique Based on Knowledge Modules of Hydraulic Fault Theory[J]. Advanced Materials Research， 2013， 712-715（3）：2043-2050.

[2]Karpenko M，Sepehri N.Fault-tolerant control of a servohydraulic positioning system with crossport leakage[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology， ?2005， 13（1）：155-161.

[3]Niksefat N，Sepehri N. Fault tolerant control of electrohydraulic servo positioning systems[C]. American Control Conference， 2001.Proceedings of the ?IEEE， 2001：4472-4477 vol.6.