加油吊艙地面驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

■ 趙凱 谷鵬舉 趙東莉 李志敏/西安新宇航空維修工程有限公司

0 引言

為了增大航程、延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間、增加有效載重，以提高作戰(zhàn)效能，現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)都要求具備空中加油能力，因此，發(fā)展空中加油技術(shù)已成為增強(qiáng)戰(zhàn)機(jī)機(jī)動(dòng)能力和打擊能力的重要措施。加油吊艙作為空中加油系統(tǒng)的主要加油設(shè)備，通常懸掛在左右機(jī)翼下方，其研制技術(shù)受到世界各國(guó)的高度重視[1-3]。

加油吊艙屬于典型的復(fù)雜系統(tǒng)，主要由殼體、動(dòng)力裝置、軟管收放及響應(yīng)系統(tǒng)、輸油系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成，涉及燃油、液壓、控制、氣動(dòng)等多學(xué)科領(lǐng)域，在應(yīng)用前必須進(jìn)行大量的地面試驗(yàn)，以模擬其在空中的加油狀態(tài)[4-5]。

加油吊艙的動(dòng)力裝置一般采用沖壓空氣渦輪，該裝置能夠?qū)砹骺諝鈩?dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)液壓泵或燃油泵旋轉(zhuǎn)，為輸油及收放軟管提供所需的動(dòng)力[6-7]。然而在地面試驗(yàn)時(shí)，因無法獲得真實(shí)的高速來流空氣，沖壓空氣渦輪無法像在高空中那樣正常運(yùn)行，因此需要研制一套地面驅(qū)動(dòng)裝置，代替沖壓空氣渦輪來驅(qū)動(dòng)吊艙系統(tǒng)進(jìn)行地面加油試驗(yàn)。本文以國(guó)內(nèi)某型加油吊艙為研究對(duì)象，根據(jù)假定的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行地面驅(qū)動(dòng)裝置的方案設(shè)計(jì)和研制生產(chǎn)，并通過計(jì)算機(jī)仿真和對(duì)接試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 技術(shù)要求與技術(shù)分析

根據(jù)該型加油吊艙假定的技術(shù)指標(biāo)，確定本次地面驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)要求：

1）馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速為5000r/min，控制精度為±100r/min，輸出功率不小于150kW（即扭矩不小于286.5N·m）。

2）可實(shí)現(xiàn)從“I狀態(tài)”（2300r/min）到“II狀態(tài)”（5000r/min）的線性切換，且轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于3s。

以上兩點(diǎn)技術(shù)要求也是本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。為保證馬達(dá)高轉(zhuǎn)速、大扭矩輸出，必須以能提供大流量、高壓力的液壓源作為動(dòng)力源，因?yàn)榱髁渴邱R達(dá)轉(zhuǎn)速的保證，壓力差是扭矩的保證，轉(zhuǎn)速精度和狀態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)間的保證可通過控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。因此，本次地面驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)重點(diǎn)為液壓源和控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

2 地面驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)

地面驅(qū)動(dòng)裝置主要由液壓源系統(tǒng)、液壓馬達(dá)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。液壓源系統(tǒng)為液壓馬達(dá)系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)通過對(duì)接裝置連接加油吊艙，驅(qū)動(dòng)加油吊艙工作，液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速和功率通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)系統(tǒng)中伺服閥的開度來實(shí)現(xiàn)，其原理如圖1所示。

2.2 液壓馬達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓馬達(dá)系統(tǒng)由液壓馬達(dá)、伺服閥、對(duì)接法蘭、壓力傳感器、速度傳感器等組成。液壓馬達(dá)是最終實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速、大扭矩的關(guān)鍵，其基本性能決定了最終輸出能力[8]。伺服閥為關(guān)鍵控制部件，通過調(diào)節(jié)其開度控制液壓源流量來調(diào)節(jié)馬達(dá)速度，其響應(yīng)時(shí)間直接影響狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間[9]。伺服閥通過軟管和快速接頭與液壓源連接，整個(gè)驅(qū)動(dòng)組件通過對(duì)接法蘭與加油吊艙對(duì)接。

為了保證盈余量充足，液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)選型時(shí)輸出功率Pe按160kW計(jì)算，由式（1）得出其輸出扭矩M為305.6N·m。

式中，n為驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速。

通過調(diào)研和分析多種馬達(dá)性能參數(shù)，選用力士樂公司M-064型高速軸向柱塞馬達(dá)，最大扭矩為327N·m，滿足要求。其排量為64mL/r，額定工作壓力35MPa，最大連續(xù)工轉(zhuǎn)速5700r/min，最大間歇轉(zhuǎn)速6300rpm，機(jī)械效率95%，容積效率97%。由式（2）可計(jì)算出該型馬達(dá)的流量Q為329.9L/min。

式中，q為馬達(dá)排量，ηv為馬達(dá)容積效率。

該型馬達(dá)的理論起始扭矩為10N·m/MPa，則在最大負(fù)載工況時(shí)，由式（3）計(jì)算出馬達(dá)最大的實(shí)際工作壓力p為32.2Mpa，小于額定工作壓力，滿足使用要求。

式中，ηm為馬達(dá)機(jī)械效率。

為了降低系統(tǒng)的壓力損失，減少系統(tǒng)發(fā)熱，高精度快速控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速，伺服閥應(yīng)具有控制邊壓差小、精度高、滯環(huán)小、響應(yīng)快等特點(diǎn)，因此選用Parker高精度高頻響比例閥（DDV閥），型號(hào)為D91FPE52HA1VS00，該閥的公稱流量為（單控制邊壓差5bar）450L/min，分辨率＜1%，滯環(huán)＜0.1%，階躍響應(yīng)時(shí)間@210bar：19ms，響應(yīng)頻率5%幅值@210bar：95Hz。為了減小對(duì)響應(yīng)速度要求的影響，將伺服閥靠近馬達(dá)安裝。

圖1 加油吊艙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖

2.3 液壓源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次地面驅(qū)動(dòng)裝置中的液壓源采用大流量、高壓力的油泵車，本文中僅就決定油泵車性能的關(guān)鍵部件——油泵和電機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，而液壓系統(tǒng)散熱、污染度保證、液壓系統(tǒng)安全裝置和其他液壓附件等不在此文中介紹，設(shè)計(jì)時(shí)按照《飛機(jī)地面液壓油泵車通用規(guī)范》和《飛機(jī)液壓系統(tǒng)及附件試驗(yàn)臺(tái)通用規(guī)范》執(zhí)行[10-11]。

為滿足馬達(dá)的運(yùn)行需要，油泵產(chǎn)生的工作壓力應(yīng)大于32.2MPa，考慮容積效率和管路接頭等損失（效率取80%），油泵的理論流量應(yīng)大于413.4L/min。由于系統(tǒng)要求的油泵流量和功率較大，因此將液壓源設(shè)計(jì)成由雙電機(jī)-泵并聯(lián)組成的系統(tǒng)，選用兩臺(tái)PV180型油泵，每臺(tái)油泵標(biāo)稱輸出壓力為35MPa，額定轉(zhuǎn)速為1450r/min，排量為180mL/r，參照式（2）可計(jì)算出每臺(tái)泵的理論流量為261L/min，兩臺(tái)泵的理論總流量為522L/min，大于馬達(dá)工作所需油泵提供的理論流量413.4L/min，滿足設(shè)計(jì)要求。

電機(jī)的功率P電機(jī)即油泵的輸入功率P泵，可由式（4）計(jì)算得出，為160.2kW。在上文系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)均考慮最大的負(fù)載和最低的效率，為了發(fā)揮電機(jī)的使用效能，選擇額定功率為160kW的電機(jī)即可滿足系統(tǒng)的使用要求，通過調(diào)研與分析，確定選用Y315L1-4B5型三相異步電機(jī)。

式中，p泵為油泵的標(biāo)稱輸出壓力，Q泵為油泵的理論流量，η為油泵的效率，取95%。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面驅(qū)動(dòng)裝置的控制系統(tǒng)采用的是由伺服閥、液壓馬達(dá)、PI控制器、速度傳感器等組成的閉環(huán)速度控制，可根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)速指令和外部負(fù)載情況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力和流量，從而得到與輸入轉(zhuǎn)速指令相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

速度傳感器為安裝在馬達(dá)上的非接觸式磁傳感器，輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，且每轉(zhuǎn)輸出8個(gè)脈沖信號(hào)，計(jì)算每個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔即可計(jì)算出馬達(dá)轉(zhuǎn)速。經(jīng)標(biāo)定，速度傳感器精度小于0.01%。考慮解算精度，轉(zhuǎn)速傳感器的精度小于0.5%。

PI控制器采集速度傳感器信號(hào)，并將速度傳感器值和控制信號(hào)值相減，得到誤差信號(hào)，對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行PI計(jì)算，將計(jì)算值轉(zhuǎn)化為伺服閥電流信號(hào)，伺服閥根據(jù)控制電流信號(hào)改變流量，控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

地面驅(qū)動(dòng)裝置要求輸出轉(zhuǎn)速控制在5000±100r/min，即精度為2%。為滿足精度要求，必須將誤差分布于各個(gè)部件，并且保證有一定的余量。液壓部分主要考慮伺服閥精度，控制部分主要考慮轉(zhuǎn)速傳感器精度、算法精度、DA精度等。由于采用32位浮點(diǎn)計(jì)算，算法精度基本忽略，采用16位DA采集卡，精度為0.01%，系統(tǒng)的精度總和為0.61%，考慮信號(hào)干擾等因素，誤差放大為理論計(jì)算的一倍，即1.22%，小于2%的技術(shù)要求，滿足要求。

3 計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證

AMEsim軟件是一款由IMAGINE公司開發(fā)的用于機(jī)械液壓復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真的軟件，可為流體、機(jī)械、電氣、電磁以及控制等工程系統(tǒng)提供良好的建模環(huán)境[12-13]。為驗(yàn)證地面驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)可行性，采用AMEsim軟件對(duì)液壓馬達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件及控制方式進(jìn)行仿真計(jì)算。為了簡(jiǎn)化模型，提高仿真速度，省略油濾、安全閥、單向閥等液壓元件，組成小簡(jiǎn)系統(tǒng)，仿真計(jì)算模型如圖3所示。設(shè)定管路通徑32mm，長(zhǎng)度20m，溢流閥壓力33MPa，PI控制器P參數(shù)0.15，I參數(shù)0.003，考慮系統(tǒng)其他因素，設(shè)定伺服閥精度1%，其他系統(tǒng)參數(shù)依據(jù)上文各選型部件的指標(biāo)設(shè)定。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

圖3 液壓馬達(dá)系統(tǒng)仿真計(jì)算模型

輸入信號(hào)為5000r/min，分別選取 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 為 1kg·m2、2kg·m2、3kg·m2的三個(gè)典型狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)仿真計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的調(diào)節(jié)曲線如圖4所示，從中可以看出，從“I狀態(tài)”到“II狀態(tài)”調(diào)節(jié)的線性度較好，調(diào)節(jié)時(shí)間分別為0.8s、1.5s、2.4s，控制最終轉(zhuǎn)速分別為4949r/min、4982r/min、5016r/min，控制精度和調(diào)節(jié)時(shí)間均滿足要求。

輸出轉(zhuǎn)速為5000r/min時(shí)，伺服閥各油口的計(jì)算數(shù)據(jù)見表1。從中可以看出，馬達(dá)入口壓力為32.4MPa，出口壓力為2.7MPa，壓力差小于馬達(dá)的額定工作壓力35MPa，馬達(dá)流量為351.3L/min，考慮容積效率等因素（效率取80%）時(shí)，泵組需提供439.1L/min的流量，而泵組理論流量為522L/min，所以選擇的泵組流量富裕。

4 地面測(cè)試驗(yàn)證

按照上文設(shè)計(jì)方案進(jìn)行地面驅(qū)動(dòng)裝置的生產(chǎn)、組裝和調(diào)試，然后在某試驗(yàn)中心進(jìn)行了該裝置和加油吊艙的對(duì)接測(cè)試試驗(yàn)。當(dāng)設(shè)定PI控制器參數(shù)P=0.2，I=0.005時(shí)，從“I狀態(tài)”到“II狀態(tài)”的切換時(shí)間約為1s，調(diào)節(jié)時(shí)間過快。將參數(shù)修改為P=0.1，I=0.003時(shí)，從“I狀態(tài)”到“II狀態(tài)”的切換時(shí)間為2～2.5s，馬達(dá)最終轉(zhuǎn)速達(dá)到4950r/min，輸出扭矩299N·m，系統(tǒng)供油壓力為32MPa，流量334L/min，馬達(dá)入口壓力31.5MPa，出口壓力0.8MPa，各項(xiàng)數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算結(jié)果基本一致，說明該地面驅(qū)動(dòng)裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，液壓部件等選型正確。

圖4 不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的調(diào)節(jié)曲線

表1 伺服閥各油口計(jì)算數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

從計(jì)算機(jī)仿真和地面測(cè)試的結(jié)果可以得出，地面驅(qū)動(dòng)裝置的液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，馬達(dá)、伺服閥、泵組等部件選擇正確，轉(zhuǎn)速控制精度滿足要求，狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間可通過修正PI控制器參數(shù)來保證。按照本文設(shè)計(jì)方案研制的地面驅(qū)動(dòng)裝置滿足技術(shù)要求，可以代替沖壓空氣渦輪驅(qū)動(dòng)加油吊艙系統(tǒng)進(jìn)行地面加油模擬試驗(yàn)。