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        試車臺(tái)液壓負(fù)載模擬技術(shù)研究與應(yīng)用

        2021-11-02 02:59:12李洪雷張帥高巍孫家超
        科技信息·學(xué)術(shù)版 2021年20期
        關(guān)鍵詞:航空發(fā)動(dòng)機(jī)

        李洪雷 張帥 高巍 孫家超

        摘要:航空發(fā)動(dòng)機(jī)在保證為飛機(jī)提供足夠推力的前提下,需帶動(dòng)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)飛附機(jī)匣上的液壓泵高速轉(zhuǎn)動(dòng),保證飛機(jī)液壓系統(tǒng)的工作需求。為了檢查飛機(jī)液壓負(fù)載對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性和性能特性的影響,航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車需要通過(guò)液壓負(fù)載功率提取試驗(yàn)。液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)是這種試驗(yàn)的核心設(shè)備,用于試驗(yàn)過(guò)程中,模擬飛機(jī)液壓子系統(tǒng)負(fù)載對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提取。隨著型號(hào)研制的逐步深化,液壓負(fù)載試驗(yàn)載荷普由小流量、低幅值、低頻率變化提升為大流量、大幅值、高頻率變化。原有液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)不再適用于新的液壓負(fù)載試驗(yàn),液壓負(fù)載試驗(yàn)技術(shù)亟需引入新技術(shù)更新?lián)Q代。

        關(guān)鍵詞:航空發(fā)動(dòng)機(jī),功率提取,液壓負(fù)載試驗(yàn)技術(shù)

        1 液壓負(fù)載功率提取試驗(yàn)技術(shù)概述

        液壓負(fù)載功率提取試驗(yàn)主要是利用飛附上掛載的液壓泵與液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)相配合,將發(fā)動(dòng)機(jī)的部分功率提取并消耗掉,并在此過(guò)程中檢查功率提取對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能及工作穩(wěn)定性影響的試驗(yàn)。由于飛附上掛載的液壓泵是恒壓柱塞泵,其輸出壓力保持不變,所以液壓負(fù)載功率提取試驗(yàn)中功率以液壓泵的輸出流量計(jì)量。

        液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)是液壓負(fù)載功率提取試驗(yàn)中的核心試驗(yàn)設(shè)備,它主要功能有以下幾點(diǎn):

        a)為發(fā)動(dòng)機(jī)掛載的液壓泵提供符合液壓泵進(jìn)口技術(shù)要求的液壓油;

        b)通過(guò)變換液壓泵出口不同的流通面積,模擬飛機(jī)液壓功能子系統(tǒng)所需的流量壓力曲線,即實(shí)現(xiàn)液壓負(fù)載功率提取試驗(yàn)載荷圖譜;

        c)對(duì)液壓泵進(jìn)、出口及殼體回油口的液壓油壓力、流量、溫度參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量,并將測(cè)量數(shù)據(jù)保存供數(shù)據(jù)分析用;

        d)保障試驗(yàn)安全,在系統(tǒng)超壓時(shí)應(yīng)急卸荷。

        2 傳統(tǒng)液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)析

        早期的液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)采用多路不同流通面積的節(jié)流咀并聯(lián)結(jié)構(gòu),每條支路反裝液控單向閥作為支路“開(kāi)關(guān)”。在試驗(yàn)中通過(guò)“開(kāi)通”不同節(jié)流支路,實(shí)現(xiàn)液壓負(fù)載功率提取試驗(yàn)載荷譜。

        在近幾年的液壓負(fù)載功率提取試驗(yàn)過(guò)程中,我們還發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)有以下不足:

        1) 大流量狀態(tài)液壓泵進(jìn)口壓力擺動(dòng);

        2) 液壓系統(tǒng)工作時(shí)有“異響”產(chǎn)生。

        以上問(wèn)題都要在新型液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中進(jìn)行優(yōu)化并解決。

        3 新型液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        3.1 流量調(diào)節(jié)方式選定

        傳統(tǒng)液壓負(fù)載模擬試驗(yàn)系統(tǒng)雖能實(shí)現(xiàn)載荷譜要求的流量調(diào)節(jié),但只能在有限的流量“檔位”上切換,無(wú)法實(shí)現(xiàn)流量的“無(wú)級(jí)”調(diào)節(jié),在試驗(yàn)中一旦發(fā)生節(jié)流咀流量特性變化,就需要終止試驗(yàn),重新更換符合載荷譜要求的節(jié)流咀。這造成了試驗(yàn)資源的浪費(fèi),也影響了型號(hào)研制進(jìn)度。如果將固定節(jié)流咀更換為遠(yuǎn)程控制連續(xù)可變節(jié)流咀,就可以避免終止試驗(yàn)更換節(jié)流咀的情況。但由于液壓泵出口壓力過(guò)高、我國(guó)液壓技術(shù)落后等因素,傳統(tǒng)液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)未能使用可變節(jié)流咀流量調(diào)節(jié)方案。隨著我國(guó)液壓技術(shù)的不斷發(fā)展,高壓力工況下液壓系統(tǒng)流量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)產(chǎn)品終于實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。電液比例閥就是這類產(chǎn)品的杰出代表。

        電液比例閥通過(guò)比例電磁鐵完成電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換,將激勵(lì)電流轉(zhuǎn)化為閥芯的位移,通過(guò)改變電液比例閥閥芯的流通面積達(dá)到調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)流量的目的。當(dāng)系統(tǒng)流量較大時(shí)還可引入先導(dǎo)閥,比例電磁鐵控制先導(dǎo)閥閥芯,先導(dǎo)閥再控制主閥芯以達(dá)到大區(qū)間流量調(diào)節(jié)的目的。

        由以上論述可以看出,電液比例閥可實(shí)現(xiàn)高工作壓力液壓系統(tǒng)流量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),是液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)的最佳流量調(diào)節(jié)方式。

        3.2 供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        縱觀全國(guó)研制的各型發(fā)動(dòng)機(jī)液壓負(fù)載功率提取試驗(yàn)技術(shù)要求,液壓泵出口最高壓力為31.5Mpa,流量最高為270L/min。

        根據(jù)流體連續(xù)原理,液壓泵進(jìn)口流量與液壓泵出口流量變化規(guī)律一致。大幅值、高頻率的流量變化造成液壓泵進(jìn)口壓力波動(dòng)(圖2 )。這時(shí)液壓泵進(jìn)口油液來(lái)不及填充泵腔,形成局部真空,油液內(nèi)溶解的氣體會(huì)大量析出、游離成氣泡,隨泵運(yùn)轉(zhuǎn)至高壓油區(qū)后被擊破,迅速縮小,溶解消失。這就是管路內(nèi)出現(xiàn)氣塞現(xiàn)象,引起系統(tǒng)“異響”的原因。氣塞現(xiàn)象會(huì)使液壓泵工作處于不穩(wěn)定狀態(tài),造成液壓元件磨損,油液污染等不良后果,必須利用技術(shù)手段對(duì)其處理,減小其危害,延長(zhǎng)液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)使用壽命。

        在設(shè)計(jì)過(guò)程中,首先將原系統(tǒng)中閉式氣壓增壓供油方式改為開(kāi)式油箱、油泵增壓方式,并加裝油氣分離器,從油箱結(jié)構(gòu)上降低液壓油內(nèi)氣體溶解量;液壓泵進(jìn)口壓力波動(dòng)主要由于供油流速變化過(guò)快,液壓油粘度較高,二者共同作用,導(dǎo)致液壓泵進(jìn)口產(chǎn)生壓力波動(dòng)。以最大流量270L/min為計(jì)算參數(shù),對(duì)原系統(tǒng)各管道液壓油流速進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)照液壓油供油管道推薦流速進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外,在試車臺(tái)距離液壓泵入口較近處加裝了大容量穩(wěn)壓補(bǔ)油罐,可在流量突變時(shí)維持液壓泵進(jìn)口油壓穩(wěn)定。

        對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)前后液壓泵進(jìn)口壓力-時(shí)間曲線,壓力波動(dòng)由原來(lái)的10秒左右變?yōu)?秒左右,震蕩頻率明顯下降,液壓泵進(jìn)口工況有了顯著的改善,與此同時(shí),液壓系統(tǒng)的“異響”問(wèn)題也得以解決。

        3.3 流量調(diào)節(jié)單元設(shè)計(jì)

        流量調(diào)節(jié)單元的核心部件是電液比例閥。液壓功率負(fù)載模擬系統(tǒng)的最大工作壓力為31.5Mpa,其流量范圍為0~270L/min,跨越如此巨大范圍的流量,還要確保流量調(diào)節(jié)的精確性,僅靠1臺(tái)大流通能力的電液比例閥是無(wú)法完成的。為了兼顧流量調(diào)節(jié)精度及流量調(diào)節(jié)范圍,采用電液比例閥、手動(dòng)節(jié)流閥并聯(lián)構(gòu)成流量調(diào)節(jié)單元。電液比例閥的最大流量與其前后壓差、閥芯面積有關(guān)。三者關(guān)系遵循下列公式:

        經(jīng)計(jì)算,當(dāng)電液比例閥前后壓差為28Mpa,系統(tǒng)最大流量335L/min時(shí),大電液比例閥通徑約為16mm。選用意大利阿托斯公司生產(chǎn)的電液比例流量閥。此閥在0~50L/min區(qū)間電液比例閥輸入信號(hào)與流量線性度較差,屬不可用區(qū)間,剩余流量調(diào)節(jié)區(qū)間線性度良好,可供正常使用。結(jié)合典型液壓負(fù)載試驗(yàn)圖譜一般50L/min以下流量多為長(zhǎng)通流量,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程保持不變,可確定電液比例閥工作范圍:電液比例閥負(fù)責(zé)50~270L/min流量調(diào)節(jié),手動(dòng)節(jié)流閥負(fù)責(zé)50L/min以下流量調(diào)節(jié)。

        所選電液比例閥為二級(jí)先導(dǎo)閥。先導(dǎo)閥控制閥芯方式有兩種,一種是取電液比例閥主閥前高壓油為先導(dǎo)油配合比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)主閥芯,另一種是用外控油源配合比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)主閥芯。先導(dǎo)油控制方式管路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但流量控制品質(zhì)易受比例閥前油壓擺動(dòng)影響,且其引出的先導(dǎo)油量也會(huì)影響液壓泵流量計(jì)量的精度;外控油源控制方式雖然管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但控制油壓可保持恒定,流經(jīng)比例閥的流量控制品質(zhì)可以保證,且不影響液壓泵流量計(jì)量精度。所以采取外控油控制方式,顯著提升液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)的流量控制響應(yīng)速度及穩(wěn)定性。

        當(dāng)壓差為28MPa時(shí),節(jié)流閥最大流量約為78L/min,可滿足50L/min以內(nèi)流量調(diào)節(jié)目標(biāo),并保有一定流量調(diào)整儲(chǔ)備,供應(yīng)急使用。

        前文中已介紹過(guò)管道內(nèi)液壓油的流速過(guò)高在流量突變時(shí)會(huì)引起壓力波動(dòng),這對(duì)流量調(diào)節(jié)會(huì)產(chǎn)生不利影響,所以需要合理選擇液壓泵后各管道通徑。

        3.4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)小結(jié)

        經(jīng)過(guò)方針及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,在液壓泵出口流量轉(zhuǎn)換時(shí),電液比例閥后流量會(huì)產(chǎn)生波動(dòng),但波動(dòng)不大;實(shí)際試驗(yàn)時(shí)由于柱塞泵自身特性、各液壓元件特性及測(cè)量?jī)x器誤差等因素影響,流量波動(dòng)幅值稍大,波動(dòng)衰減時(shí)間較長(zhǎng)。但與未改進(jìn)前流量曲線相比,已有長(zhǎng)足的進(jìn)步,滿足新型號(hào)試驗(yàn)技術(shù)要求。

        4 液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)調(diào)試及應(yīng)用

        液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)調(diào)試以發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合調(diào)試為試驗(yàn)方法。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前先將系統(tǒng)供油泵、電液比例閥控制泵開(kāi)啟,將工業(yè)循環(huán)冷卻水泵及水閥開(kāi)啟,電液比例閥開(kāi)度調(diào)為100%,手動(dòng)節(jié)流閥開(kāi)度調(diào)為100%。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)整個(gè)液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)不從發(fā)動(dòng)機(jī)提取功率。待發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功,運(yùn)行至慢車狀態(tài)時(shí),關(guān)閉電液比例閥支路的液控單向閥,使液壓泵輸出的液壓油全部從手動(dòng)節(jié)流閥支路流通。觀察流量計(jì)示數(shù),同時(shí)調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)度,直至流量計(jì)示數(shù)為50L/min。

        將發(fā)動(dòng)機(jī)推至合適的狀態(tài)(滿足液壓泵額定轉(zhuǎn)速),將電液比例閥支路液控單向閥開(kāi)啟(此時(shí)電液比例閥開(kāi)度應(yīng)為100%),關(guān)閉調(diào)速閥支路的液控單向閥,調(diào)節(jié)電液比例閥開(kāi)度,同時(shí)觀察流量計(jì)示數(shù),直至達(dá)到載荷譜要求流量時(shí),記錄與之對(duì)應(yīng)的電液比例閥開(kāi)度值。完成以上操作后,拉停發(fā)動(dòng)機(jī),在控制程序里加入“一鍵加載”程序,然后再次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至慢車,按“一鍵加載”按鍵進(jìn)行加載,待加載程序運(yùn)行完畢后運(yùn)行數(shù)據(jù)回放軟件對(duì)液壓加載系統(tǒng)液壓泵出口壓力及系統(tǒng)流量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

        5 發(fā)展方向及展望

        隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,未來(lái)的液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)一定會(huì)結(jié)合自動(dòng)化操縱及智能化檢測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)圖譜自動(dòng)編程及自動(dòng)運(yùn)行,進(jìn)一步降低試驗(yàn)操縱的人工干預(yù),提升試驗(yàn)效率,降低試驗(yàn)操縱者的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)還會(huì)具備故障自我診斷功能,在判讀歷次故障的數(shù)據(jù)后自動(dòng)提取出故障征兆的特征信息,與其工作時(shí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比并判斷是否有故障征兆,并將其判定結(jié)果提供給試驗(yàn)操縱人員參考。

        參考文獻(xiàn):

        [1]陳鶴梅,某型航空軸承試驗(yàn)臺(tái)液壓加載系統(tǒng)研究,中南大學(xué),2010年

        [2]譚路遙,某型民用飛機(jī)液壓原理試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件仿真分析研究,浙江大學(xué),2014年

        [3]董凱、曾紅豐、張春峰,一種用于飛機(jī)地面試驗(yàn)臺(tái)的液壓加載系統(tǒng)以及加載方法,《土木工程學(xué)報(bào)》,2018年

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