雙工位燃油總管試驗器噴嘴入口壓力控制系統動態特性分析

王野牧， 高超

（沈陽工業大學機械工程學院，沈陽110870）

雙工位燃油總管試驗器噴嘴入口壓力控制系統動態特性分析

王野牧， 高超

（沈陽工業大學機械工程學院，沈陽110870）

給出了由液壓泵、比例溢流閥、蓄能器、壓力傳感器以及節流口組成的雙工位燃油總管試驗器工件入口處閉環壓力控制系統的原理圖，建立了該系統的數學模型及Simulink仿真模型，提供了與試驗器真實相符的控制參數，分析了其壓力動態響應特性，并繪制了相應的響應曲線。

液壓壓力閉環系統；比例溢流閥；蓄能器；Simulink仿真

1 燃油總管試驗器技術要求和液壓原理

燃油噴嘴是飛機發動機的重要組成部件，其質量的好壞決定了發動機內部燃油的燃燒狀態及發動機的噴射效率，要保證發動機的工作狀態良好，必須保證燃油噴嘴的質量及性能指標達到要求，而且由單個噴嘴組成的燃油總管也要達到相應的技術指標要求，燃油總管試驗器即是測試燃油總管性能指標的全自動化試驗臺［1］。

燃油總管試驗器的主要技術要求有：工作介質為3#航空煤油；工作流量不小于450 kg/h（9.375 L/ min）；系統工作壓力在0.05～12.0 MPa內連續可調；試驗器具有兩個安裝（測試）工位，分別對12個噴嘴的試件1及14個噴嘴的試件2進行試驗。試驗內容如下：

1）試件1的試驗要求。在供油壓差為5 MPa時保持3 min，檢查帶噴嘴燃油總管的密封性；在供油壓差為1.75 MPa時，測量帶噴嘴燃油總管的流量不均勻度，要求不均勻度δ≤4%，δ的定義如下：

式中：Qmax為燃油總管上12個噴嘴中流量最大的噴嘴流量；Qmin為燃油總管上12個噴嘴中流量最小的噴嘴流量。

2）試件2的試驗要求。在供壓力為10.6 MPa時保持3 min，目視檢查帶噴嘴燃油總管的密封性；在壓力為 0.05、0.15、0.24、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.3、3.0、4.0、4.5、5.2、6.5 MPa時，分別測量各壓力的各個噴嘴的燃油流量和總管總流量。其中調整燃油總流量為328.5 kg/h時（此時的供油壓差在6 MPa左右），進行燃油總管燃油分布不均勻度試驗，其燃油分布不均勻度δ≤4%，δ定義如下：

式中：Qmax為燃油總管上14個噴嘴的最大噴嘴流量；Qmin為燃油總管上14個噴嘴的最小噴嘴流量。

要完成上述各次試驗，必須針對每個工作點進行精確的壓力控制，在精確控制壓力的基礎上，測量流量并進行相應計算。

圖1 液壓原理圖

圖2 壓力閉環系統控制框圖

實際設備中與壓力控制有關的液壓原理如圖1所示，將噴嘴前端壓力傳感器的測量值作為控制目標，由控制計算機調節比例閥的設定值實現精確閉環控制，其壓力閉環控制框圖如圖2所示。當總管入口處控制壓力較高時，閥3的電磁鐵帶電，油液經閥3直接向被測總管供油，如忽略管道沿程損失，總管入口處壓力就是比例溢流閥入口處壓力；當控制壓力較低時，閥3的電磁鐵不帶電，油液經過固定節流口流向被測總管，此時溢流閥出口壓力遠高于總管入口處壓力，壓力變化范圍處于溢流閥線性變化區間內，能夠滿足壓力變化要求，比例溢流閥入口處壓力可視為總管入口處壓力。為了保證測量及控制精度，采用兩個壓力傳感器分別測量大壓力及小壓力。當進行小壓力測量時，將閥9的電磁鐵帶電，以小壓力傳感器8的輸出值作為被控目標。

參照以往生產類似總管實驗器的成功經驗，本實驗臺主要壓力控制元器件選擇如下：德國哈威公司HAWE6011定量柱塞泵；萬福樂BDPPM22-100-G24/ W-DD1HB4.5型號直動式比例溢流閥；1.6L耐煤油NXQA-1/10-L-A型皮囊式蓄能器；KYB18G09M1P2C1-I（0-11.0MPa）（0.25級）和KYB18G09M1P2C1-I（0-1.7MPa）（0.25級）兩種量程的壓力傳感器；研華TPC-1550H_DS工控機；研華5017、5024數據采集及模擬量輸出模塊。本文主要針對各個調節點的壓力調節狀態，以及調節時間是否與實際相符合并驗證試驗器的工作機理是否正確進行分析。

2 系統的數學模型建立

發動機的噴嘴相當于一個通流面積很小的節流口，所以由多個噴嘴組成的總管也相當于一個面積大一些的節流口，為進一步分析系統特性，簡化的閉環壓力控制液壓原理圖如圖3所示。蓄能器是為了減少壓力脈沖，增加被控制點的壓力平穩性而設置的，蓄能器的體積不宜過大，否則會影響壓力調節過程中的響應時間。

圖3 壓力控制系統

由于液壓系統中存在皮囊式蓄能器，氣體壓縮性能遠大于液體壓縮性，因此計算中忽略液體壓縮特性。

1）泵出口處流量方程。

液壓泵輸出流量，在E點處的流量連續性方程可表示為：

式中：Qp為泵的輸出流量，為定值；Qa為流向蓄能器方向的流量；Qf為流向溢流閥方向的流量；Qt為流向節流口（燃油總管）方向的流量。

2）總管流量方程。

對于輸出端的燃油總管來講，就相當于一個固定節流口，通過的流量為：

式中：Cd為流經節流口的流量系數；A為節流口的截面面積；ρ為油液密度；Pp為E點壓力（忽略沿程損失）。

3）溢流閥閥口流量方程。

對E點右側溢流閥分析，由節流口流量公式可得：

式中：d為閥口開口直徑；x為閥芯偏移量［2］。

4）溢流閥閥芯力平衡方程。

當不計閥芯自重時，閥芯的受力平衡方程為：

式中：Ks為彈簧剛度；M為閥芯質量；B為等效黏性阻尼系數；K為比例電磁鐵力—電壓增益；△U為輸入到比例閥放大器的電壓差值；Kf為壓力傳感器增益；Ui為輸入電壓信號；D為閥芯作用面積。

5）蓄能器流量方程。

蓄能器內氣體狀態的變化符合波意爾定律，即：

式中：VA為蓄能器中輸入的液體體積；PA為氣囊內空氣壓力；PA0為蓄能器預壓力；VA0為蓄能器容積；n為多變指數［3］，絕熱過程中n=1.4。

設狀態變量：X1＝x，X2=，X3=VA。

圖4 動態仿真模型

3 動態特性分析

根據現有的燃油總管試驗器的元器件參數可以確定數學模型參數如下：

彈簧剛度Ks=10 000 N/mm；閥芯等效作用面積D= 1.5×10－6m2（等效作用直徑1.4×10－3m）；定量泵的流量Qp= 9.4 L/min；閥芯質量M=0.002 kg；等效黏性阻尼系數B= 10 N·s/m；蓄能器氣體預壓力Pa0=2 MPa；蓄能器容積VA0= 0.0016m-3；節流口截面面積A為燃油總管等效通流面積根據標準燃油總管的技術參數，計算得出面積為：A=10-6m2；流量系數Cd=0.62；燃油密度ρ=800 kg/m3。

由式（6）、式（8）～式（12）建立的Simulink環境下的仿真模型如下：

根據所取參數使用Simulink仿真得到了階躍響應輸入條件下噴嘴口壓力曲線如圖5所示。

圖5 動態曲線

4 結論

1）通過仿真研究及實踐驗證，總管入口處的閉環壓力控制機理正確可行，能夠滿足試驗過程的具體要求。

2）實際工作過程表明，蓄能器的加入對減少壓力脈動具有很大的幫助作用。

3）從仿真曲線中可以看出，加入蓄能器后，使得壓力調節過程顯著增加，但在10 s內可完成壓力由0 MPa調節到6 MPa的過程，而且壓力調節沒有超調量，此壓力調節時間及過程能夠滿足實驗節拍要求。

4）該壓力閉環控制策略及元器件選用結論為類似試驗器的設計制造提供了一定的參考價值。

［1］ 陳冬雪.燃油總管試驗器壓力—流量控制系統的研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2007.

［2］ 吳根茂，邱敏秀，王慶豐，等.新編實用電液比例技術［M］.杭州：浙江大學出版社，2006.

［3］ 章宏甲，黃誼.液壓傳動［M］.北京：機械工業出版社，2000.

（編輯：浩 然）

Dynamic Characteristics Analysis of Nozzle Entrance Control Pressure System in the Double Position Fuel Manifold Tester

WANG Yemu,GAO Chao
（Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China）

The schematic of closed loop pressure control system which is in the double position fuel manifold tester workpiece is proposed.The workpiece is composed by the hydraulic pump,proportional relief valve,accumulator, pressure sensors and orifice.The mathematical model of the system and the Simulink model of the system are established to provide control parameters which are consistent with the test device.The pressure dynamic response characteristic is analyzed and the corresponding response curve is drawn.

the hydraulic pressure closed loop system；proportional overflow valve；accumulator；Simulink simulation

TH137;TP273

A

1002－2333（2014）04－0015－03

王野牧（1965—），男，碩士，副教授，研究方向為液壓、機電；高超（1989-），男，碩士，研究方向為液壓、機電、流體。

2014-01-21