某型航空發(fā)動機燃油泵單向活門卡滯的仿真研究

蔣陵平

摘要：本文以某型航空發(fā)動機燃油泵單向活門為主要研究對象，基于其工作原理確定仿真所需的主要參數(shù)及各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系;利用AMESim軟件進(jìn)行燃油泵工作過程的仿真建模，仿真結(jié)果能很好地模擬FDR（Flight Data Recorder）所記錄的數(shù)據(jù);通過對單向活門參數(shù)的調(diào)整，正確復(fù)現(xiàn)了活門卡滯故障。文中的仿真結(jié)果可用于故障診斷算法的研究。

關(guān)鍵詞：燃油泵;單向活門;AMESim;故障模擬

0 ?引言

故障仿真是系統(tǒng)仿真的重要分支，主要目的是得出故障狀態(tài)下的整個系統(tǒng)的行為和模式，以便對該系統(tǒng)進(jìn)行深度分析。液壓系統(tǒng)的故障仿真技術(shù)是在故障注入技術(shù)的基礎(chǔ)上，是仿真技術(shù)的延伸發(fā)展。Tai Liu[1]利用仿真軟件AMESim建立鉆床回路油壓控制模塊的仿真模型，研究了復(fù)雜液壓系統(tǒng)的容錯性和故障檢測。Karpenk[2]通過建立伺服液壓定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和實物實驗，對執(zhí)行元件腔體之間的內(nèi)泄漏進(jìn)行研究，并驗證了容錯控制器的有效性。Niksefat[3]建立電液伺服定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以傳感器故障和液壓泵故障為例，通過實驗分析了故障對系統(tǒng)的影響。

本文以某型航空發(fā)動機燃油泵單向活門為主要研究對象，在研究其工作原理的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)主要參數(shù)及各參數(shù)間的關(guān)系。然后利用AMESim對燃油泵的工作過程進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果能夠很好地模擬FDR所記錄的數(shù)據(jù)。隨后在仿真模型中設(shè)置單向閥卡滯故障，仿真正確復(fù)現(xiàn)了單向活門卡滯這一故障情景，并獲得了卡滯故障模式下的相關(guān)數(shù)據(jù)。

1 ?燃油泵工作原理

驅(qū)動齒輪偏心輪的凸峰頂起推桿時，上拉薄膜，薄膜彈簧壓縮，膜下方容積變大，產(chǎn)生真空度，進(jìn)油活門被吸開，出油活門緊閉，燃油從進(jìn)油口流入泵室。偏心輪的偏心凸峰轉(zhuǎn)過后，推桿回復(fù)原位，薄膜在薄膜彈簧的作用下，下行回到原位，泵室容積減小，燃油壓縮，進(jìn)油活門關(guān)閉，出油活門打開，燃油經(jīng)導(dǎo)管送往燃油調(diào)節(jié)器。燃油泵剖面如圖1所示。

2 ?單向活門卡滯故障原理

卡滯是單向活門的常見故障之一。如圖2所示，單向活門通過與活門襯套配合安裝在燃油泵泵室底部特定的安裝孔內(nèi)?？收习l(fā)生的主要原因有以下幾點：

①此型號航空發(fā)動機的燃油泵是直接安裝發(fā)動機內(nèi)部，因此，燃油泵是工作在高溫、高壓的惡劣環(huán)境下，材料自身性能極有可能會發(fā)生改變。如材料的熱脹冷縮，導(dǎo)致活門與襯套的裝配公差超過預(yù)計值。②活門的工作主要是靠膜盒的相變帶來的壓力差，而膜盒的形變來源于驅(qū)動凸輪的作動。驅(qū)動凸輪是由發(fā)動機帶動的驅(qū)動齒輪經(jīng)過一次減速后帶動的，其速度是發(fā)動機轉(zhuǎn)速的1/2，即活門的開閉頻率也為發(fā)動機轉(zhuǎn)速的1/2。高頻率的運動會加劇活門和襯套間的摩擦，使得活門與襯套縱向運動的摩擦力加大，甚至卡死，無法按照預(yù)定規(guī)律工作。③燃油自身可能帶有一些油濾未過濾掉的雜質(zhì)，當(dāng)這種燃油流經(jīng)活門時會導(dǎo)致活門卡滯。此外，燃油本身具有一定的粘度，附著在活門與襯套的間隙處，從而導(dǎo)致局部發(fā)生粘著卡滯。

3 ?單向活門建模

3.1 活門建模

以該型號燃油泵工作情況為例，采用AMESim軟件進(jìn)行仿真，主要分析兩個單向活門發(fā)生卡滯的故障模式。

在AMESim軟件中，利用該軟件液壓元件設(shè)計庫（Hydralic Component Design，HCD）進(jìn)行仿真，仿真建模如圖3所示。

根據(jù)圖所建仿真模型，其中主要子模型如下：①BOMOBENG：該模型用來模擬膜盒的形變情況。膜盒工作時，同時受到頂桿，彈簧，外部大氣壓的共同作用，故其形變的計算較為復(fù)雜。②BAP32：該模型與BAP016組合來模擬完整的單向活門。當(dāng)前端油液壓力和后端質(zhì)量塊的摩擦力存在差值時，其中心閥體便會產(chǎn)生位移，以此來模擬單向活門的開閉情況。③MECMAS：該模型是一個質(zhì)量塊，主要作用是將其產(chǎn)生的摩擦力傳遞給前后的兩個子模型。④BAP016：該模型與BAP32組合來模擬完整的單向活門。當(dāng)前端質(zhì)量塊的摩擦力和后端彈簧的彈力存在差值時，其中心閥體便會產(chǎn)生位移，以此來模擬單向活門的開閉。

3.2 模型評估

如圖4所示，灰色的曲線為FDR所記錄的實際燃油流量曲線，黑色的曲線為仿真模型輸出的流量曲線。為了便于比較，仿真模型的模擬流量曲線設(shè)置了1秒的延遲。由此可以得出，仿真模型的精度已基本達(dá)到要求，可以用于模擬燃油泵在真是工作場景下的運行情況。

4 ?單向活門卡滯建模

4.1 卡滯故障建模

如圖5所示，為了更好地復(fù)現(xiàn)卡滯故障，本文在搭建仿真模型時將單向活門拆分為兩個部分，并在中間加入一個質(zhì)量塊模型。通過一個隨機函數(shù)發(fā)生器，讓質(zhì)量塊模型隨之產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦力，若摩擦力大于前端油液的壓力或后端的彈簧彈力，活門的中心閥體便無法正常移動，即發(fā)生了卡滯故障。應(yīng)用隨機函數(shù)發(fā)生器，也符合卡滯故障具有隨機性的特性，將活門的開度情況作為單獨信號輸出。如圖所示，曲線導(dǎo)數(shù)為零處活門的開度保持不變，即卡滯故障段。

4.2 模型評估

如圖6所示，一共設(shè)置了三個故障模式：進(jìn)油卡滯、排油卡滯和前兩者的故障組合。從圖中可以看出，當(dāng)卡滯故障發(fā)生時，燃油流量有明顯偏離正常值范圍。當(dāng)單個故障發(fā)生時，雖然曲線都呈下降趨勢，但兩條曲線存在明顯的交織。當(dāng)組合故障發(fā)生時，其偏離值也明顯不是故障單獨發(fā)生時偏離量的簡單疊加。因此，無法直接通過呈下降趨勢的曲線直接判斷出時何種故障。

5 ?結(jié)語

①在研究改型燃油泵工作原理的基礎(chǔ)上，分析了活門卡滯故障產(chǎn)生的原理。②利用AMESim軟件建立了該型燃油泵的仿真模型，并利用FDR所記錄的真實數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。③利用仿真模型模擬了單向活門發(fā)生卡滯故障時的燃油流量曲線，為故障診斷算法的研究奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Liu T， Yu J， Sun W J. Study on Fault-Tolerant Technique Based on Knowledge Modules of Hydraulic Fault Theory[J]. Advanced Materials Research， 2013， 712-715（3）：2043-2050.

[2]Karpenko M，Sepehri N.Fault-tolerant control of a servohydraulic positioning system with crossport leakage[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology， ?2005， 13（1）：155-161.

[3]Niksefat N，Sepehri N. Fault tolerant control of electrohydraulic servo positioning systems[C]. American Control Conference， 2001.Proceedings of the ?IEEE， 2001：4472-4477 vol.6.