航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)按照控制方式可以分為液壓機(jī)械控制系統(tǒng)和數(shù)字電子控制系統(tǒng)。數(shù)字電子控制技術(shù)以其調(diào)節(jié)精度高、可維護(hù)性好與可變更性好、容易實現(xiàn)飛行/推進(jìn)/火控一體化綜合控制等諸多優(yōu)點，已成為未來航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。航空發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是由控制軟件、電子控制器、液壓機(jī)械裝置、傳感器、電氣部件組成的。其中液壓機(jī)械裝置較之前的純液壓機(jī)械式燃油調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)上要簡單，但仍然具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、加工困難，加工周期長，對介質(zhì)要求較高等特點，為了提高液壓機(jī)械裝置的性能和可靠性并縮短研制周期，必須在設(shè)計階段對液壓機(jī)械裝置進(jìn)行仿真分析。

    設(shè)計參數(shù)是指在液壓機(jī)械裝置設(shè)計階段，對系統(tǒng)的性能起決定性作用的參數(shù)，譬如各個活門的尺寸、型面、彈簧剛度等；而調(diào)整參數(shù)是指在液壓機(jī)械裝置調(diào)試階段，通過對這些參數(shù)的調(diào)整，使系統(tǒng)性能獲得有限的變化的參數(shù)，譬如彈簧初始預(yù)緊力、調(diào)整墊圈等。

    對液壓機(jī)械裝置的研究，以往只是針對液壓機(jī)械裝置的調(diào)整參數(shù)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的影響，而關(guān)于設(shè)計參數(shù)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)影響的研究則很少。

    本文利用AMESim軟件對燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，重點分析了壓差控制器設(shè)計參數(shù)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的影響，通過對液壓機(jī)械裝置仿真分析可以及早發(fā)現(xiàn)并修正系統(tǒng)設(shè)計中的缺陷，確定最佳的設(shè)計方案,為液壓機(jī)械裝置的設(shè)計、改進(jìn)改型和性能優(yōu)化提供依據(jù)。

1 燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置簡介

    燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置主要由齒輪泵、燃油計量活門、壓差控制器、LVDT等組成。

    燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置的功能如下：（1）接受電子控制器信號計量供給燃燒室的燃油；（2）防喘切油；（3）停車切油。

    燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置工作原理如圖1所示。

圖1 燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置工作原理

    飛機(jī)油箱的燃油經(jīng)過燃油增壓泵初次增壓后，輸送到齒輪泵進(jìn)一步增壓。齒輪泵后的燃油經(jīng)過計量活門計量后進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室。由電子控制器按發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)計劃和控制規(guī)律給出電信號控制電液伺服閥，改變隨動活塞控制腔的油壓來控制計量活門的位移，同時由安裝在隨動活塞上的LVDT傳感器反饋信號給電子控制器，形成計量活門位置反饋控制，從而實現(xiàn)電子控制器對燃油流量的控制。壓差活門用來保證計量活門前后恒定的壓差，使供油量僅取決于計量活門流通面積。

2 燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械裝置仿真模型

    建模采用的軟件是AMESim。AMESim提供了一個系統(tǒng)工程設(shè)計的完整平臺，使得用戶可以在一個平臺上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計算和深入的分析。使用戶能夠借助其友好的、面向?qū)嶋H應(yīng)用的方案，研究元件或回路的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。AMESim使得用戶從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來從而專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計，而不需要書寫任何程序代碼。此外，AMESim還具有與其他軟件包豐富的接口，例如Simulink、Adams、Simpack、RTLab等。

3 性能分析

    利用建立好的燃油計量系統(tǒng)的AMESim模型，通過分析燃油計量系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)工作點到另一個穩(wěn)態(tài)工作點輸出流量的變化，對現(xiàn)有的設(shè)計方案進(jìn)行評估。方案中壓差控制器的設(shè)計參數(shù)為：壓差活門型孔、壓差活門出口節(jié)流嘴、回油活門阻尼孔均為圓形，直徑分別為1mm、0.6mm、0.8mm；壓差活門油壓作用面直徑為8mm；壓差活門彈簧剛度為8.711N/mm。設(shè)定齒輪泵轉(zhuǎn)速為7000r/min，2s時刻，給定信號控制計量活門位移由5mm變化到20mm（對應(yīng)計量活門流通面積由19.5mm²變至78.5mm²）。計量系統(tǒng)輸出流量的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 計量系統(tǒng)輸出流量

    從仿真結(jié)果得到：

（1）當(dāng)燃油計量系統(tǒng)由一個穩(wěn)態(tài)工作點變到另一個穩(wěn)態(tài)工作點時，計量系統(tǒng)輸出流量在1.1s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，小于系統(tǒng)設(shè)計要求的1.5s；

（2）計量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出流量為157.75L/min，穩(wěn)態(tài)誤差不超過0.5%，并且沒有出現(xiàn)燃油流量振蕩現(xiàn)象。

    可以得出，現(xiàn)有的設(shè)計方案滿足對燃油計量系統(tǒng)的要求。

4 壓差控制器設(shè)計參數(shù)對液壓機(jī)械裝置的影響

    壓差控制器包括壓差活門、安全活門和回油活門，其作用是保持計量活門前后壓力差恒定，使得通過計量活門的流量只與其流通面積有關(guān)。其設(shè)計參數(shù)主要包括壓差活門型孔、壓差活門油壓作用面、彈簧剛度、壓差活門出口節(jié)流嘴直徑、回油活門阻尼孔直徑等，下面分別對這些設(shè)計參數(shù)對燃油計量系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析。以下研究均是在齒輪泵轉(zhuǎn)速為7000r/min，計量活門位移在2s時刻由5mm變化到20mm進(jìn)行的。

4.1壓差活門型孔對液壓機(jī)械裝置的影響

    壓差活門型孔的作用是當(dāng)壓差活門兩端壓差沒有達(dá)到設(shè)定值時，通過調(diào)整型孔的大小來調(diào)節(jié)壓差活門兩端壓差。壓差活門的型面是兩個對稱的圓孔。當(dāng)壓差活門型孔直徑在0.6~2mm之間變化時，通過仿真得到：當(dāng)壓差活門活門型孔直徑從0.6mm逐漸增加到2mm時，壓差活門兩端壓差變小，壓差動態(tài)特性基本不變，計量活門穩(wěn)態(tài)輸出流量變小，輸出流量調(diào)節(jié)時間基本不變。當(dāng)壓差活門型孔直徑為1.5mm和2mm，計量活門流通面積較小時，壓差活門兩端壓差出現(xiàn)波動，導(dǎo)致計量系統(tǒng)輸出流量波動。因此，壓差活門型孔直徑應(yīng)小于1.5mm。

4.2壓差活門油壓作用面對液壓機(jī)械裝置的影響

    油壓作用面的大小可以影響壓差活門兩端壓差，此處的作用面是一個圓形，并且面積是固定的，不會隨活門位移的變化而變化。當(dāng)油壓作用面直徑從7mm增加到10mm時，通過仿真可以得出，油壓作用面面積的變化對壓差活門兩端壓差影響比較大，進(jìn)而影響計量活門穩(wěn)態(tài)輸出流量。隨著油壓作用面面積的增加，壓差活門兩端壓差減小，計量活門的穩(wěn)態(tài)輸出流量減小，而調(diào)節(jié)時間基本不變。這是因為當(dāng)壓差活門兩端受力差值一定時，油壓面積增大時，單位面積的壓力減小，導(dǎo)致壓差活門前后壓差減小，計量系統(tǒng)輸出流量減小。當(dāng)油壓作用面直徑減小到7mm時，壓差活門兩端壓差出現(xiàn)波動，導(dǎo)致計量系統(tǒng)輸出流量波動，因此，選取油壓作用面時，其直徑應(yīng)該大于7mm。

4.3壓差活門彈簧剛度對液壓機(jī)械裝置的影響

    調(diào)整壓差活門彈簧剛度對壓差活門兩端壓差有影響。在壓差活門彈簧初始預(yù)緊力一定的條件下，彈簧剛度從5N/mm逐漸增加到15N/mm，通過仿真得到，隨著壓差活門彈簧剛度的增加，壓差活門兩端壓差增加，計量活門穩(wěn)態(tài)輸出流量也隨之增加，但動態(tài)特性不受影響。

4.4壓差活門出口節(jié)流嘴對液壓機(jī)械裝置的影響

    壓差活門出口節(jié)流嘴可以影響壓差活門兩端壓差的動態(tài)特性。當(dāng)壓差活門出口節(jié)流嘴直徑在0.4~0.7mm變化時，通過仿真得出，壓差活門出口節(jié)流嘴直徑的大小對壓差活門兩端壓差動態(tài)特性的影響比較明顯，隨著壓差活門出口節(jié)流嘴直徑的增大，壓差活門兩端壓差的調(diào)節(jié)時間變短，進(jìn)而計量活門輸出流量調(diào)節(jié)時間變短，而計量活門穩(wěn)態(tài)輸出流量不變。

4.5回油活門通泵后燃油阻尼孔對液壓機(jī)械裝置的影響

    調(diào)節(jié)回油活門通泵后燃油阻尼孔可以影響壓差控制器的動態(tài)特性，進(jìn)而影響計量系統(tǒng)的動態(tài)特性。當(dāng)阻尼孔直徑從0.4mm到1mm變化時，通過仿真得出，隨著回油活門阻尼孔孔徑的增大，壓差活門兩端壓差調(diào)節(jié)時間變短，壓差穩(wěn)態(tài)值有微小的增加，進(jìn)而計量系統(tǒng)輸出流量調(diào)節(jié)時間變短，穩(wěn)態(tài)輸出流量增加。當(dāng)阻尼孔直徑由0.4mm增加到0.6mm時，對壓差控制器調(diào)節(jié)時間影響比較明顯，在0.6mm到1mm變化時，影響不太明顯。

5 結(jié)論

    本文利用AMESim軟件對航空發(fā)動機(jī)燃油控制系統(tǒng)液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，通過仿真分析得出現(xiàn)有的液壓機(jī)械裝置的性能滿足設(shè)計要求，并對壓差控制器設(shè)計參數(shù)對液壓機(jī)械裝置的影響進(jìn)行分析。在實際應(yīng)用過程中，可以依據(jù)上述結(jié)論指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，為改進(jìn)改型和性能優(yōu)化提供了依據(jù)。

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本文標(biāo)題：壓差控制器設(shè)計參數(shù)對燃油計量系統(tǒng)影響研究

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