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1、压差控制器设计参数对燃油计量系统影响研究摘要：某型航空发动机控制系统采用数字电子控制，其执行装置仍然是机械液压式。对于液压机械装置的研究，以往主要针对调整参数，针对设计参数的研究目前还鲜有论文发表。针对上述问题，本文利用AMESim软件对燃油控制系统液压机械执行机构进行建模仿真，得到了设计参数，如压差活门型孔、油压作用面、弹簧刚度、节流嘴等对燃油计量系统动态特性和稳态特性的影响，结论为液压机械装置的设计、改进改型和性能优化提供了依据。关键词：航空发动机；液压机械装置；设计参数A study of the impact of design parameters of differential p
2、ressure controller on the fuel metering systemABSTRACT：An aero-engine control system uses digital electronic control, its implementation is still the hydro-mechanical unit. For the study of hydro-mechanical unit, in the past mainly for adjusting parameters, few papers are published for design parame
3、ters.In response to this problem, the simulation model of the hydro-mechanical actuators of fuel control system is established by AMESim in this paper. We obtain the impact of design parameters such as differential pressure valve-shaped hole, the force surface of fuel, spring stiffness and hydraulic
4、 restrictor on the dynamics and steady-state characteristics of fuel metering system. The conclusion provide evidence for the design, the improvement and modification, performance optimizationof the hydro-mechanical unit.KEYWORDS：aero-engine; hydro-mechanical unit; design parameters1 引言航空发动机控制系统按照控制
5、方式可以分为液压机械控制系统和数字电子控制系统1。数字电子控制技术以其调节精度高、可维护性好与可变更性好、容易实现飞行/推进/火控一体化综合控制等诸多优点，已成为未来航空发动机控制系统的发展趋势2。航空发动机数控系统是由控制软件、电子控制器、液压机械装置、传感器、电气部件组成的。其中液压机械装置较之前的纯液压机械式燃油调节器结构上要简单，但仍然具有结构复杂，设计、加工困难，加工周期长，对介质要求较高等特点，为了提高液压机械装置的性能和可靠性并缩短研制周期，必须在设计阶段对液压机械装置进行仿真分析。设计参数是指在液压机械装置设计阶段，对系统的性能起决定性作用的参数，譬如各个活门的尺寸，型面、弹簧
6、刚度等；而调整参数是指在液压机械装置调试阶段，通过对这些参数的调整，使系统性能获得有限的变化的参数，譬如弹簧初始预紧力、调整垫圈等。对于液压机械装置的研究，以往只是针对液压机械装置的调整参数对执行机构的影响3,4,5，而对于设计参数对执行机构影响的研究则很少。本文利用AMESim软件对燃油控制系统液压机械执行机构进行建模仿真，重点分析了压差控制器设计参数对执行机构的影响，通过对液压机械装置仿真分析可以及早发现并修正系统设计中的缺陷，确定最佳的设计方案, 为液压机械装置的设计、改进改型和性能优化提供了依据。2 燃油控制系统液压机械装置简介燃油控制系统液压机械装置主要由齿轮泵、燃油计量活门、压差控
7、制器、LVDT等组成，其结构如图1所示。燃油控制系统液压机械装置的功能如下：1）接受电子控制器信号计量供给燃烧室的燃油；2）防喘切油；3停车切油。图1 燃油控制系统液压机械装置结构燃油控制系统液压机械装置工作原理如图2所示。飞机油箱的燃油，经过燃油增压泵初次增压后，输送到齿轮泵进一步增压。齿轮泵后的燃油经过计量活门计量后进入发动机燃烧室。由电子控制器按发动机调节计划和控制规律给出电信号控制电液伺服阀，改变随动活塞控制腔的油压来控制计量活门的位移，同时由安装在随动活塞上的LVDT传感器反馈信号给电子控制器，形成计量活门位置反馈控制，从而实现电子控制器对燃油流量的控制。压差活门用来保证计量活门前后
8、恒定的压差，使供油量仅取决于计量活门流通面积。图2 燃油控制系统液压机械装置工作原理压差控制器的功用是保持计量开关前后压差不变，使流过计量开关的燃油量与计量开关的流通面积呈单值关系。流过计量开关的燃油流量可用下式表示：式中：流过计量开关的燃油流量； 计量开关处的流量系数，由于燃油流动损失的影响，其值小于1； A计量开关流通面积； 燃油密度； 计量开关前后压差。由于计量开关的流量系数和燃油密度变化很小，它们可以近似看做常数。因此，当为常数时，通过计量开关的燃油量与计量开关的流通面积呈线性关系。3 燃油控制系统液压机械装置仿真模型建模采用的软件是AMESim。AMESim提供了一个系统工程设计的完
9、整平台，使得用户可以在一个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。使用户能够借助其友好的、面向实际应用的方案，研究元件或回路的稳态和动态性能。AMESim使得用户从繁琐的数学建模中解放出来从而专注于物理系统本身的设计，而不需要书写任何程序代码。此外，AMESim还具有与其它软件包丰富的接口，例如Simulink, Adams, Simpack，RTLab等6。AMESim建模是面向实物对象模型的，所以在了解了原系统的工作原理后，即可非常方便的读懂仿真结构图。根据燃油控制系统液压机械装置的结构，利用AMESim 建立的燃油控制系统液压机械装置的模型如图3所示。
10、将查询的各个元件的尺寸输入模型即可得到系统的完整模型。4 性能分析利用建立好的燃油计量系统的AMESim模型，通过分析燃油计量系统从一个稳态工作点到另一个稳态工作点输出流量的变化，对现有的设计方案进行评估。方案中压差控制器的设计参数为：压差活门型孔、压差活门出口节流嘴、回油活门阻尼孔均为圆形，直径分别为1mm、0.6mm、0.8mm；压差活门油压作用面直径为8mm；压差活门弹簧刚度为8.711N/mm。设定齿轮泵转速为7000r/min，2s时刻，给定信号控制计量活门位移由5mm变化到20mm（对应计量活门流通面积由19.5变至78.5）。计量系统输出流量的仿真结果如图4所示。图3 AMESi
11、m模型图4 计量系统输出流量从仿真结果得到：1） 当燃油计量系统由一个稳态工作点变到另一个稳态工作点时，计量系统输出流量在1.1s内达到稳定，小于系统设计要求的1.5s；2） 计量系统稳态输出流量为157.75L/min，稳态误差不超过0.5%，并且没有出现燃油流量振荡现象。可以得出，现有的设计方案满足对燃油计量系统的要求。5 压差控制器设计参数对液压机械装置的影响压差控制器包括压差活门、安全活门和回油活门，其作用是保持计量活门前后压力差恒定，使得通过计量活门的流量只与其流通面积有关。对于压差控制器的设计，目前国内基本采用预估与试验相结合的方法，但由于该方法存在周期长、成本高等不足之处，制约着
12、深入研究压差控制器对燃油计量装置特性影响机理。压差控制器的设计参数包括三个活门的尺寸，各个型孔的直径，弹簧的刚度和初始预紧力，回油型面和计量型面以及节流嘴的大小等等。本文选取压差活门型孔、压差活门油压作用面、弹簧刚度、压差活门出口节流嘴直径、回油活门阻尼孔直径等7五个设计参数进行分析。参数的大小是在原有方案设计尺寸基础上适当增加或者减小。下面分别对这些设计参数对燃油计量系统的影响进行分析。以下研究均是在齿轮泵转速为7000r/min，计量活门位移在2s时刻由5mm变化到20mm进行的。图5 压差控制器结构图 （1：压差活门型孔；2：压差活门油压作用面；3：节流嘴；4：阻尼孔）5.1 压差活门型
13、孔对液压机械装置的影响压差活门型孔的作用是当压差活门两端压差没有达到设定值时，通过调整型孔的大小来调节压差活门两端压差。压差活门的型面是两个对称的圆孔。当压差活门型孔直径在0.6-2mm之间变化时，压差活门两端压差及计量活门输出流量的动态仿真曲线分别如图6、7所示。图6 压差活门两端压差随压差活门型孔直径变化曲线图7 计量活门输出流量随压差活门型孔直径变化曲线（曲线1、2、3、4、5分别对应型孔直径为0.6、0.8、1、1.5、2mm）从上述仿真结果可以看到：当压差活门活门型孔直径从0.6mm逐渐增加到2mm时，压差活门两端压差变小，压差动态特性基本不变，计量活门稳态输出流量变小，输出流量调节
14、时间基本不变。当压差活门型孔直径为1.5mm和2mm，计量活门流通面积较小时，压差活门两端压差出现波动，导致计量系统输出流量波动。因此，压差活门型孔直径应小于1.5mm。5.2 压差活门油压作用面对液压机械装置的影响油压作用面的大小可以影响压差活门两端压差，此处的作用面是一个圆形，并且面积是固定的，不会随活门位移的变化而变化。当油压作用面直径从7mm增加到10mm时，压差活门两端压差和计量系统输出流量的动态曲线分别如图8、9所示。图8 压差活门两端压差随压差活门油压作用面直径变化曲线图9 计量活门输出流量随压差活门油压作用面直径变化曲线（曲线1、2、3、4分别对应油压作用面直径为7、8、9、1
15、0mm） 图10 油压作用面直径与压差活门两端压差关系从上述仿真结果可以看出，油压作用面面积的变化，对压差活门两端压差影响比较大，进而影响计量活门稳态输出流量。随着油压作用面面积的增加，压差活门两端压差减小，计量活门的稳态输出流量减小，而调节时间基本不变。因为，当压差活门两端受力差值一定时，油压面积增大时，单位面积的压力减小，导致压差活门前后压差减小，计量系统输出流量减小。油压作用面直径与压差活门两端压差的关系如图10所示。当油压作用面直径减小到7mm时，压差活门两端压差出现波动，导致计量系统输出流量波动，因此，选取油压作用面时，其直径应该大于7mm。5.3 压差活门弹簧刚度对液压机械装置的影
16、响调整压差活门弹簧刚度对压差活门两端压差有影响。在压差活门弹簧初始预紧力一定的条件下，弹簧刚度从5N/mm逐渐增加到15N/mm，压差活门两端压差和计量活门输出流量的动态仿真曲线分别如图11、12所示。可以看出，随着压差活门弹簧刚度的增加，压差活门两端压差增加，计量活门稳态输出流量也随之增加，但动态特性不受影响。图11 压差活门两端压差随弹簧刚度变化曲线图12 计量活门输出流量随弹簧刚度变化曲线（曲线1、2、3、4分别对应弹簧刚度为5、8.711、12、15N/mm） 5.4 压差活门出口节流嘴对液压机械装置的影响压差活门出口节流嘴可以影响压差活门两端压差的动态特性。当压差活门出口节流嘴直径在
17、0.4-0.7mm变化时，压差活门两端压差和计量活门输出流量的动态仿真曲线分别如图13、14所示。图13 压差活门两端压差随节流嘴直径变化曲线图14 计量活门输出流量随节流嘴直径变化曲线（曲线1、2、3、4分别对应压差活门出口节流嘴直径为0.4、0.5、0.6、0.7mm）从上述仿真结果可以看出，压差活门出口节流嘴直径的大小对压差活门两端压差动态特性的影响比较明显，随着压差活门出口节流嘴直径的增大，压差活门两端压差的调节时间变短，进而计量活门输出流量调节时间变短，而计量活门稳态输出流量不变。5.5 回油活门通泵后燃油阻尼孔对液压机械装置的影响调节回油活门通泵后燃油阻尼孔可以影响压差控制器的动态
18、特性，进而影响计量系统的动态特性。当阻尼孔直径从0.4mm到1mm变化时，压差活门两端压差和计量活门输出流量的动态曲线分别如图15、16所示。图15 压差活门两端压差随阻尼孔直径变化曲线图16 计量活门输出流量随阻尼孔直径变化曲线（曲线1、2、3、4、5分别对应回油活门阻尼孔直径为0.4、0.5、0.6、0.8、1mm）从上述仿真结果可以看出，随着回油活门阻尼孔孔径的增大，压差活门两端压差调节时间变短，压差稳态值有微小的增加，进而计量系统输出流量调节时间变短，稳态输出流量增加。当阻尼孔直径由0.4mm增加到0.6mm时，对压差控制器调节时间影响比较明显，在0.6mm到1mm变化时，影响不太明显
19、。6 结论本文利用AMESim软件对航空发动机燃油控制系统液压机械执行机构进行建模，通过仿真分析得出现有的液压机械装置的性能满足设计要求，并对压差控制器设计参数对液压机械装置的影响进行分析。在实际应用过程中，可以依据上述结论指导产品设计，为改进改型和性能优化提供了依据。参考文献1 吴文斐, 郭迎清, 李睿, 陆军. 涡扇发动机液压机械主控系统建模与仿真分析J. 航空发动机, 2011,37(1).15-19.2 张绍基. 航空发动机控制系统的研发与展望J. 航空动力学报, 2004, 19(4).375-382. 3 祁新杰, 郭迎清, 李光耀. 某型涡扇发动机起动控制器仿真分析J. 机床与液
20、压, 2010, 38(3).97-100. 4 YING-QING GUO, KUO LI. Modeling of aeroengine hydro-mechanical controller and analyzing of the control system performanceC.ICICIC 2009,2009.446-449.5 XIAOCHUAN YUAN, YING-QING GUO. Modeling and simulation of a complex fuel control systemC. Proceedings of 1st ISJPPE,2006.1-7.6 付永领, 祁晓野. AMESim系统建模和仿真M. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2005. 7 刘正, 郭迎清, 廖光煌, 张东辉. 某型压差计量装置结构设计及性能计算C. 中国航空学会第十二发动机自动控制学术会议论文集, 2004.158-162.