昝宇晗，楊 帥，李 揚(yáng)

（中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由電子控制器、液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等組成[1]。液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)、成本高[2]。通過(guò)建模仿真研究可以預(yù)測(cè)液壓機(jī)械機(jī)構(gòu)性能、評(píng)估設(shè)計(jì)方案，及早發(fā)現(xiàn)并修正設(shè)計(jì)缺陷，確定改進(jìn)優(yōu)化方向，縮短研制周期、節(jié)約研制成本[3]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓機(jī)械的功能由多個(gè)液壓功能單元共同實(shí)現(xiàn)。在分析每個(gè)功能單元運(yùn)行機(jī)制的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的功能單元模型，然后組成機(jī)構(gòu)的總體模型。利用AMESim 軟件模塊化、圖形化的建模方式，將主要精力放在功能和性能分析上將主要精力放在系統(tǒng)功能分析和性能分析。

基于AMESim 軟件的航空發(fā)動(dòng)機(jī)液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)研究有很多，其中文獻(xiàn)［4］研究了壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片調(diào)節(jié)器切換特性；文獻(xiàn)［5］針對(duì)主燃油控制裝置的建模進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［6］對(duì)電子控制器、液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行了聯(lián)合仿真。

本文介紹某型主燃油控制裝置泵選擇模塊與存在的問(wèn)題，利用AMESim 軟件建立仿真模型，深入分析了泵選擇模塊在主燃油泵和伺服燃油泵共同供油段出現(xiàn)停滯的原因，得出了較大驅(qū)動(dòng)力、較小共同供油段對(duì)泵選擇模塊切換過(guò)程穩(wěn)定性有提升效果的結(jié)論。

1 主燃油控制裝置泵選擇模塊結(jié)構(gòu)與問(wèn)題

1.1 泵選擇模塊工作原理

泵選擇活門(mén)一端通有主燃油泵后來(lái)油，泵選擇活門(mén)中心加工有通油孔，將主燃油泵來(lái)油引入活門(mén)內(nèi)腔，用以平衡作用在活門(mén)上的壓差力；活門(mén)另一端通有低壓油，通過(guò)彈簧座與LVDT（Linear Variable Differential Transformer，線性可變差動(dòng)變壓器）相連，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)有泵選擇模塊結(jié)構(gòu)原理

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段，由于轉(zhuǎn)速較低，主燃油泵的燃油壓力較低，泵選擇活門(mén)在彈簧力作用下處于關(guān)閉位置，切斷了主燃油泵來(lái)油通往主燃油計(jì)量活門(mén)的供油通道。此時(shí)，伺服燃油泵來(lái)油經(jīng)泵選擇活門(mén)單獨(dú)向主燃油計(jì)量活門(mén)供油。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，主燃油泵來(lái)油壓力隨之升高，泵選擇活門(mén)在主燃油泵來(lái)油壓力作用下克服彈簧力移動(dòng)，打開(kāi)主燃油泵來(lái)油供往主燃油計(jì)量活門(mén)的通道。此時(shí)，主燃油泵來(lái)油和伺服燃油泵來(lái)油同時(shí)向主燃油計(jì)量活門(mén)供油。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，主燃油泵來(lái)油壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，泵選擇活門(mén)向右移動(dòng)至完全打開(kāi)，關(guān)閉伺服燃油泵來(lái)油通往主燃油計(jì)量活門(mén)的供油通道。此時(shí)，主燃油泵來(lái)油單獨(dú)向主燃油計(jì)量活門(mén)供油。

當(dāng)主燃油泵故障時(shí)，泵的來(lái)油壓力快速降低，泵選擇活門(mén)在彈簧力作用下移動(dòng)到關(guān)閉位置，切斷了主燃油泵來(lái)油向主燃油計(jì)量活門(mén)供油的通道，由伺服燃油泵經(jīng)泵選擇活門(mén)單獨(dú)向主燃油計(jì)量活門(mén)供油。

1.2 現(xiàn)有泵選擇模塊存在的問(wèn)題及分析

泵選擇活門(mén)上設(shè)置有LVDT，向電子控制器發(fā)送泵選擇活門(mén)位置信號(hào)。隨著主燃油泵后壓力變化，泵選擇活門(mén)移動(dòng)出現(xiàn)停滯。在活門(mén)打開(kāi)過(guò)程中，活門(mén)在主燃油泵來(lái)油通道打開(kāi)臨界位置處出現(xiàn)停滯。在活門(mén)關(guān)閉過(guò)程中，活門(mén)位移在伺服燃油泵來(lái)油通道打開(kāi)的臨界位置處出現(xiàn)停滯，兩個(gè)停滯位置均在主燃油泵和伺服燃油泵共同供油段。

泵選擇活門(mén)工作條件和受力情況進(jìn)行分析，認(rèn)為泵選擇模塊停滯的原因可能與泵選擇活門(mén)處于主燃油泵和伺服燃油泵共同供油階段時(shí)，泵選擇活門(mén)上的液動(dòng)力不平衡導(dǎo)致活門(mén)受力狀態(tài)變化有關(guān)。液動(dòng)力大小主要受活門(mén)驅(qū)動(dòng)力、型孔開(kāi)度等影響。一般情況下，通過(guò)活門(mén)的驅(qū)動(dòng)力越小，活門(mén)所受的液動(dòng)力越小，活門(mén)剛剛打開(kāi)（即型孔開(kāi)度較小時(shí)），活門(mén)受的液動(dòng)力影響較為明顯。

驅(qū)動(dòng)力大小主要受活門(mén)受力面積、燃油壓力等影響。一般情況下，活門(mén)受力面積越大，燃油壓力越大，活門(mén)所受的驅(qū)動(dòng)力也越大。在燃油壓力恒定的情況下，可以通過(guò)增大活門(mén)受力面積的方式使活門(mén)所受的驅(qū)動(dòng)增加，以改善泵選擇活門(mén)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。目前泵選擇活門(mén)處于主燃油泵和伺服燃油泵共同供油階段的窗口寬度為2 mm，適當(dāng)減小共同供油段窗口寬度可以使切換過(guò)程中主燃油計(jì)量流量平穩(wěn)，降低泵切換對(duì)主燃油計(jì)量造成的干擾。

2 泵選擇模塊的穩(wěn)定性影響分析

依據(jù)對(duì)泵選擇模塊存在的問(wèn)題及分析，利用AMEsim 軟件建模仿真，增大泵選擇活門(mén)的驅(qū)動(dòng)力與共同供油段的窗口大小，探究影響泵選擇模塊穩(wěn)定性的因素。

2.1 驅(qū)動(dòng)力對(duì)泵選擇模塊的穩(wěn)定性影響

現(xiàn)有的泵選擇活門(mén)模塊由泵選擇活門(mén)組件、泵選擇活門(mén)止動(dòng)墊、彈簧座、彈簧與LVDT 組成，泵選擇活門(mén)一端通有主燃油泵后來(lái)油，泵選擇活門(mén)中心加工有通油孔，將活門(mén)主燃油泵來(lái)油引入活門(mén)內(nèi)腔，用以平衡作用在活門(mén)上的壓差作用力。泵選擇活門(mén)左端止擋位置為泵選擇活門(mén)止動(dòng)墊端面，右止擋位置為彈簧座與線位移安裝座接觸面。泵選擇活門(mén)襯套右端通有低壓油，通過(guò)彈簧座與LVDT 相連。該結(jié)構(gòu)由于采用活塞式結(jié)構(gòu)，通過(guò)降低活門(mén)的受油液壓力的面積，可以降低泵選擇活門(mén)彈簧的設(shè)計(jì)難度，但同時(shí)導(dǎo)致該活門(mén)彈簧的力值較小，使泵選擇活門(mén)的驅(qū)動(dòng)力相對(duì)較小。

改進(jìn)后的泵選擇模塊結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)取消了泵選擇活門(mén)止動(dòng)墊與彈簧座，將泵選擇活門(mén)襯套改進(jìn)為通孔形式，襯套安裝面調(diào)整于殼體安裝孔的LVDT 一側(cè)。將泵選擇活門(mén)與彈簧座結(jié)合，彈簧止靠于泵選擇活門(mén)底部，彈簧剛度由7.87 N/mm 增加至48.6 N/mm，彈簧腔通2 MPa 定壓油。改進(jìn)后的泵選擇活門(mén)取消了通油孔與活門(mén)內(nèi)腔，活門(mén)受力面積由Φ10 mm 的活塞桿截面積增大至Φ30 mm 的泵選擇活門(mén)外徑截面積，從而增加活門(mén)的驅(qū)動(dòng)力，改善活門(mén)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

圖2 改進(jìn)后的泵選擇模塊結(jié)構(gòu)原理

為驗(yàn)證泵選擇模塊改進(jìn)后的可行性，利用AMESim 軟件進(jìn)行模擬仿真。改進(jìn)前的泵選擇模塊在主燃油泵來(lái)油通道打開(kāi)臨界位置處出現(xiàn)停滯，泵選擇活門(mén)移動(dòng)曲線出現(xiàn)平段。改進(jìn)后停滯現(xiàn)象改善，泵選擇活門(mén)移動(dòng)曲線平段較小。

2.2 共同供油段窗口對(duì)泵選擇模塊的穩(wěn)定性影響

為使泵選擇活門(mén)工作時(shí)盡快脫離活門(mén)剛打開(kāi)的狀態(tài)，同時(shí)滿(mǎn)足LVDT 的行程限制，在目前泵選擇活門(mén)襯套型孔的基礎(chǔ)上，泵選擇活門(mén)共同供油段的開(kāi)度從0.1 開(kāi)始，逐步增大泵選擇活門(mén)共同供油段的開(kāi)度。通過(guò)對(duì)比不同泵選擇活門(mén)共同供油段開(kāi)度下，泵選擇活門(mén)移動(dòng)的線性和計(jì)量流量、壓差的穩(wěn)定性，找出滿(mǎn)足計(jì)量供油需求的最小開(kāi)度和最小供油面積。圖3 為不同共同供油段開(kāi)度時(shí)的仿真結(jié)果，隨著共同供油段開(kāi)度的減小，泵選擇活門(mén)移動(dòng)曲線平段總體呈減小趨勢(shì)。但當(dāng)共同供油段開(kāi)度小于0.5 mm 時(shí)，計(jì)量流量在切換過(guò)程中的波動(dòng)明顯放大。

圖3 泵選擇活門(mén)移動(dòng)曲線

為探究共同供油段開(kāi)度較小情況下對(duì)泵選擇模塊的真實(shí)影響，設(shè)計(jì)并加工共同供油段設(shè)計(jì)為0.1～0.16 mm 泵選擇活門(mén)，并裝配于主燃油控制裝置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證。泵選擇活門(mén)移動(dòng)中的停滯減小，但主燃油計(jì)量供油在泵切換過(guò)程中出現(xiàn)主燃油計(jì)量流量下掉。將泵選擇活門(mén)共同供油段返修至1～1.5 mm 后，主燃油計(jì)量流量下掉現(xiàn)象消失。

根據(jù)泵選擇模塊改進(jìn)前后主燃油控制裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可知減小泵選擇活門(mén)共同供油段可以減小泵切換過(guò)程中泵選擇活門(mén)移動(dòng)中的停滯，但共同供油段過(guò)小會(huì)導(dǎo)致主燃油計(jì)量流量下掉現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

分析某型主燃油控制裝置中泵選擇模塊出現(xiàn)停滯的原因，并利用AMEsim 軟件建模仿真，探究驅(qū)動(dòng)力與共同供油段的窗口大小對(duì)泵選擇活門(mén)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，較大驅(qū)動(dòng)力、較小共同供油段的泵選擇模塊切換過(guò)程引起的燃油波動(dòng)都能在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，組件穩(wěn)定性得到提升，對(duì)于主燃油控制裝置泵選擇模塊設(shè)計(jì)具有參考和指導(dǎo)意義。