AMESim仿真分析方法在燃油調節器排故中的應用

陳新中，夏宗記，王玲君

（中國航發北京航科發動機控制系統科技有限公司，北京102200）

0 引言

近年來，隨著中國航空工業的迅速發展，自主研發的軍用航空發動機已經開始大量服役于部隊。雖然通過不斷的優化和改進，保證了產品故障率較低，但是基于總數的增加，故障數量呈現增加趨勢，現階段各研究所、制造廠都在故障歸零工作中投入了較大的精力。傳統的故障定位以串裝試驗驗證為基礎，雖然能保證故障定位的準確性，但對所有疑似故障原因均開展試驗串裝驗證需要大量的人力物力，工作周期較長，不能及時進行故障定位，特別是在故障定位方向不明朗時，不嚴謹的排故操作可能導致故障現象消失，造成歸零工作難以完成。

AMESim平臺自1995年問世以來，在多個工程領域取得了廣泛的應用，特別是2005年以后，隨著計算機輔助設計的迅速發展和計算機硬件的技術提升，AMESim仿真分析方法在汽車、船舶、航空航天等行業的應用更加廣泛，依靠其強大的數據庫和仿真結果較高的置信度，非常適合機械液壓和控制系統的建模仿真分析，可以作為目前比較先進的航空發動機燃油控制系統仿真分析工具[1-3]。

本文以發動機燃油控制系統的液壓執行機構（燃油調節器）的排故工作為例，介紹了AMESim液壓系統仿真分析方法在故障定位中的應用。從功能組成角度建立各獨立單元仿真模型，基于AMESim的仿真分析結果，對故障樹中大部分的疑似故障原因進行分析排除，為后續的試驗驗證指明方向。

1 燃油調節器液壓系統仿真模型的建立

根據燃油調節器原理，在AMESim仿真軟件中搭建燃油調節器液壓系統仿真模型（以下簡稱模型）[4-9]，如圖1所示。

圖1 燃油調節器液壓系統仿真模型

該模型中包含燃油調節器的所有功能模塊:低壓腔、齒輪泵、安全活門、定壓活門、計量活門、壓差活門、增壓活門、閉鎖活門、出口等值噴嘴、燃油電液伺服閥、停車電磁閥、油針位移傳感器、閉環控制器、連接油路。

模型中有3個輸入信號:齒輪泵轉速、停車信號、油針位置給定信號，通過控制輸入信號使模型模擬燃油調節器的各種工作狀態[10-13]。

2 模型調試與優化

2.1 設定參數

模型中設定燃油、各活門液壓元件的參數時，嚴格按照產品及零組件在加工、裝配、調整時的實際值輸入。此外，仿真分析中用到的各種參數的取值要確保與產品工程設計中的取值一致，例如本文中模型的油液密度為0.78 kg/L，計量窗口的流量系數u取0.72[14-15]。

2.2 模型驗證

2.2.1 輸入信號描述

為檢驗模型能否準確模擬產品的工作狀態，通過給定輸入信號對比輸出值來驗證，輸入信號為:

（1）齒輪泵轉速:6460 r/min；

（2）油針位置給定信號:第1階段打開2.6 mm持續3 s，第2階段打開8.65 mm持續3 s，第3階段最大流量位置持續4 s；

（3）停車信號:第9 s時發出停車信號。

2.2.2 計量活門閥芯位移

燃油調節器油針位置反饋信號符合輸入的給定值，如圖2所示。模型的油針位置閉環控制功能有效，控制精度符合要求，證明閉環控制器、計量活門、伺服閥的模型合格。

圖2 計量活門仿真結果

2.2.3 燃油調節器計量前后壓差

燃油調節器壓差活門的作用是保證計量窗口前后的燃油壓力差值為0.3 MPa左右，本研究中差值為（0.3±0.02）MPa（如圖3所示），證明壓差活門模型合格。

圖3 壓差活門仿真結果

按照上述方法依次驗證了模型的增壓活門性能、定壓活門性能、流量特性、停車功能等產品驗收要求的性能指標，仿真結果與試驗數據一致。認為該模型可以準確模擬燃油調節器的各工作狀態，從而可以在排故工作中通過仿真分析的方法判斷某個底層故障模式是否是故障原因。

3 在“最大流量異常問題”排故中的應用

3.1 故障現象描述

在產品的質量一致性試驗中，出現了燃油調節器最大流量異常問題，故障現象為實測最大流量為457 L/h，小于（480±5）L/h的要求值，實測壓差性能標定點差值為341 L/h，小于（365±5）L/h的要求值，其他性能均符合要求。

3.2 驗收方法介紹

調整轉速 n=（6460±10）r/min，控制油針開度為A時，記錄流量Q1；控制油針開度為B時，記錄流量Q2，則 Q2-Q1=（365±5）L/h。

調整轉速n=（6460±10）r/min，控制油針至最大開度，最大流量 Qmax=（480±5）L/h。

3.3 液壓系統仿真分析

3.3.1 故障樹分析

對“最大流量異常問題”進行故障樹分析，得到造成該故障現象的底層故障模式:

（1）X1:油針位移傳感器反饋信號偏大，導致計量窗口的實際開度比控制目標值小；

（2）X2:燃油計量窗口到出口等值噴嘴之間的燃油管路中出現密封結構失效，導致精確計量的計后燃油向低壓腔泄漏；

（3）X3:壓差活門彈簧異常衰減，導致計量窗口前后的燃油壓力差減小。

針對故障模式X1，對油針位移傳感器進行電氣性能檢測，檢測結果完全符合其性能指標要求，排除了故障模式X1導致“最大流量異常問題”的可能性。

針對故障模式X2、X3，在不對產品進行分解檢查的前提下，僅通過故障現象和性能測試數據，無法完成故障定位，需要采用液壓系統仿真分析的方法進行故障模擬，從而為后續的排故工作明確方向。

3.3.2 仿真分析

AMESim液壓系統仿真分析方法用于故障定位的思路是:通過改變模型參數來模擬故障模式，然后將“故障模型”的輸出結果與產品的故障現象進行比較，從而確定該故障模式是否是故障原因。X2、X3的仿真分析過程如下。

（1）故障模式X2仿真分析

燃油管路密封結構失效，導致計后燃油向低壓腔泄漏的故障模式，可以通過給模型設置“間隙”的方法進行模擬，運用AMESim批處理數據的能力，將“閥門間隙”由0 mm開始逐漸增大，始終無法找到1個特定的“閥門間隙”值能夠使模型的輸出值接近故障現象。

（2）故障模式X3仿真分析

壓差活門彈簧異常衰減的故障模式，可以通過設定彈簧彈性系數和安裝預壓力的方法進行模擬，彈簧衰減前后模型參數對比如圖4所示。利用AMESim批處理數據的功能，將彈簧彈性系數由9.58 N/mm開始，每降低0.01 N/mm進行1次計算，直至仿真結果接近故障現象時，彈簧彈性系數已降至8.94 N/mm，對應的安裝預壓力也由81.5 N降至70.5 N。

圖4 彈簧衰減前后模型參數對比

將k=8.94 N/mm、F=70.5 N代入模型中進行分析計算，并與初始狀態的模型k=9.58 N/mm、F=81.5 N的計算結果進行對比，2個模型在相同的輸入條件下得到的 Q1、Q2、Qmax如圖 5～8 所示。

圖5 正常狀態下壓差仿真結果

仿真結果匯總見表1。改變彈簧參數后，燃油調節器壓差性能標定點差值減小到342.8 L/h，最大流量衰減到450.5 L/h，與故障現象“實測壓差性能標定點差值341 L/h，最大流量457 L/h”基本相符，可以判斷該故障現象較大概率是由壓差活門彈簧異常衰減導致的。0.5）mm，高度18 mm下復測彈力為70.5 N，遠小于圖紙要求的（81.4±4）N，與仿真分析判斷的故障模式一致。

圖6 正常狀態下最大流量仿真結果

為確保故障定位的準確性，用壓差活門彈簧合格件替換彈力衰減件進行串裝試驗驗證，試驗結果為Q2-Q1=365 L/h，最大流量Qmax=479 L/h，符合產品性能驗收要求，故障現象消除，可以證明最大流量異常問題的原因是壓差活門彈簧異常衰減，與仿真分析的結論一致。

圖7 彈簧衰減后壓差仿真結果

圖8 彈簧衰減后最大流量仿真結果

表1 改變模型參數前后仿真結果

3.4 仿真結果驗證

以仿真分析的結論為依據，有針對性地進行排故，分解檢查壓差活門，對壓差活門彈簧進行復測，彈簧自由長度為25.89 mm，略小于圖紙規定的（26.5±

4 結束語

AMESim液壓系統仿真分析方法在燃油調節類產品的排故工作中有很強的實用性，通過模擬故障模式，對比故障現象，可以排除大部分疑似的故障原因，大幅度縮小需要進行驗證試驗的故障范圍，為迅速、準確地完成故障定位提供技術支持。