試車臺液壓負載模擬技術(shù)研究與應(yīng)用

李洪雷　張帥　高巍　孫家超

摘要：航空發(fā)動機在保證為飛機提供足夠推力的前提下，需帶動安裝在發(fā)動機飛附機匣上的液壓泵高速轉(zhuǎn)動，保證飛機液壓系統(tǒng)的工作需求。為了檢查飛機液壓負載對發(fā)動機工作穩(wěn)定性和性能特性的影響，航空發(fā)動機整機試車需要通過液壓負載功率提取試驗。液壓負載模擬系統(tǒng)是這種試驗的核心設(shè)備，用于試驗過程中，模擬飛機液壓子系統(tǒng)負載對發(fā)動機的功率提取。隨著型號研制的逐步深化，液壓負載試驗載荷普由小流量、低幅值、低頻率變化提升為大流量、大幅值、高頻率變化。原有液壓負載模擬系統(tǒng)不再適用于新的液壓負載試驗，液壓負載試驗技術(shù)亟需引入新技術(shù)更新?lián)Q代。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機，功率提取，液壓負載試驗技術(shù)

1 液壓負載功率提取試驗技術(shù)概述

液壓負載功率提取試驗主要是利用飛附上掛載的液壓泵與液壓負載模擬系統(tǒng)相配合，將發(fā)動機的部分功率提取并消耗掉，并在此過程中檢查功率提取對發(fā)動機的結(jié)構(gòu)、性能及工作穩(wěn)定性影響的試驗。由于飛附上掛載的液壓泵是恒壓柱塞泵，其輸出壓力保持不變，所以液壓負載功率提取試驗中功率以液壓泵的輸出流量計量。

液壓負載模擬系統(tǒng)是液壓負載功率提取試驗中的核心試驗設(shè)備，它主要功能有以下幾點：

a）為發(fā)動機掛載的液壓泵提供符合液壓泵進口技術(shù)要求的液壓油;

b）通過變換液壓泵出口不同的流通面積，模擬飛機液壓功能子系統(tǒng)所需的流量壓力曲線，即實現(xiàn)液壓負載功率提取試驗載荷圖譜;

c）對液壓泵進、出口及殼體回油口的液壓油壓力、流量、溫度參數(shù)進行精確測量，并將測量數(shù)據(jù)保存供數(shù)據(jù)分析用;

d）保障試驗安全，在系統(tǒng)超壓時應(yīng)急卸荷。

2 傳統(tǒng)液壓負載模擬系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)簡析

早期的液壓負載模擬系統(tǒng)采用多路不同流通面積的節(jié)流咀并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每條支路反裝液控單向閥作為支路“開關(guān)”。在試驗中通過“開通”不同節(jié)流支路，實現(xiàn)液壓負載功率提取試驗載荷譜。

在近幾年的液壓負載功率提取試驗過程中，我們還發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)液壓負載模擬系統(tǒng)有以下不足：

1） 大流量狀態(tài)液壓泵進口壓力擺動;

2） 液壓系統(tǒng)工作時有“異響”產(chǎn)生。

以上問題都要在新型液壓負載模擬系統(tǒng)的設(shè)計中進行優(yōu)化并解決。

3 新型液壓負載模擬系統(tǒng)設(shè)計

3.1 流量調(diào)節(jié)方式選定

傳統(tǒng)液壓負載模擬試驗系統(tǒng)雖能實現(xiàn)載荷譜要求的流量調(diào)節(jié)，但只能在有限的流量“檔位”上切換，無法實現(xiàn)流量的“無級”調(diào)節(jié)，在試驗中一旦發(fā)生節(jié)流咀流量特性變化，就需要終止試驗，重新更換符合載荷譜要求的節(jié)流咀。這造成了試驗資源的浪費，也影響了型號研制進度。如果將固定節(jié)流咀更換為遠程控制連續(xù)可變節(jié)流咀，就可以避免終止試驗更換節(jié)流咀的情況。但由于液壓泵出口壓力過高、我國液壓技術(shù)落后等因素，傳統(tǒng)液壓負載模擬系統(tǒng)未能使用可變節(jié)流咀流量調(diào)節(jié)方案。隨著我國液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，高壓力工況下液壓系統(tǒng)流量無級調(diào)節(jié)產(chǎn)品終于實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。電液比例閥就是這類產(chǎn)品的杰出代表。

電液比例閥通過比例電磁鐵完成電氣-機械轉(zhuǎn)換，將激勵電流轉(zhuǎn)化為閥芯的位移，通過改變電液比例閥閥芯的流通面積達到調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)流量的目的。當(dāng)系統(tǒng)流量較大時還可引入先導(dǎo)閥，比例電磁鐵控制先導(dǎo)閥閥芯，先導(dǎo)閥再控制主閥芯以達到大區(qū)間流量調(diào)節(jié)的目的。

由以上論述可以看出，電液比例閥可實現(xiàn)高工作壓力液壓系統(tǒng)流量的無級調(diào)節(jié)，是液壓負載模擬系統(tǒng)的最佳流量調(diào)節(jié)方式。

3.2 供油系統(tǒng)設(shè)計

縱觀全國研制的各型發(fā)動機液壓負載功率提取試驗技術(shù)要求，液壓泵出口最高壓力為31.5Mpa，流量最高為270L/min。

根據(jù)流體連續(xù)原理，液壓泵進口流量與液壓泵出口流量變化規(guī)律一致。大幅值、高頻率的流量變化造成液壓泵進口壓力波動（圖2 ）。這時液壓泵進口油液來不及填充泵腔，形成局部真空，油液內(nèi)溶解的氣體會大量析出、游離成氣泡，隨泵運轉(zhuǎn)至高壓油區(qū)后被擊破，迅速縮小，溶解消失。這就是管路內(nèi)出現(xiàn)氣塞現(xiàn)象，引起系統(tǒng)“異響”的原因。氣塞現(xiàn)象會使液壓泵工作處于不穩(wěn)定狀態(tài)，造成液壓元件磨損，油液污染等不良后果，必須利用技術(shù)手段對其處理，減小其危害，延長液壓負載模擬系統(tǒng)使用壽命。

在設(shè)計過程中，首先將原系統(tǒng)中閉式氣壓增壓供油方式改為開式油箱、油泵增壓方式，并加裝油氣分離器，從油箱結(jié)構(gòu)上降低液壓油內(nèi)氣體溶解量;液壓泵進口壓力波動主要由于供油流速變化過快，液壓油粘度較高，二者共同作用，導(dǎo)致液壓泵進口產(chǎn)生壓力波動。以最大流量270L/min為計算參數(shù)，對原系統(tǒng)各管道液壓油流速進行計算，并對照液壓油供油管道推薦流速進行優(yōu)化設(shè)計。另外，在試車臺距離液壓泵入口較近處加裝了大容量穩(wěn)壓補油罐，可在流量突變時維持液壓泵進口油壓穩(wěn)定。

對比優(yōu)化設(shè)計前后液壓泵進口壓力-時間曲線，壓力波動由原來的10秒左右變?yōu)?秒左右，震蕩頻率明顯下降，液壓泵進口工況有了顯著的改善，與此同時，液壓系統(tǒng)的“異響”問題也得以解決。

3.3 流量調(diào)節(jié)單元設(shè)計

流量調(diào)節(jié)單元的核心部件是電液比例閥。液壓功率負載模擬系統(tǒng)的最大工作壓力為31.5Mpa，其流量范圍為0～270L/min，跨越如此巨大范圍的流量，還要確保流量調(diào)節(jié)的精確性，僅靠1臺大流通能力的電液比例閥是無法完成的。為了兼顧流量調(diào)節(jié)精度及流量調(diào)節(jié)范圍，采用電液比例閥、手動節(jié)流閥并聯(lián)構(gòu)成流量調(diào)節(jié)單元。電液比例閥的最大流量與其前后壓差、閥芯面積有關(guān)。三者關(guān)系遵循下列公式：

經(jīng)計算，當(dāng)電液比例閥前后壓差為28Mpa，系統(tǒng)最大流量335L/min時，大電液比例閥通徑約為16mm。選用意大利阿托斯公司生產(chǎn)的電液比例流量閥。此閥在0～50L/min區(qū)間電液比例閥輸入信號與流量線性度較差，屬不可用區(qū)間，剩余流量調(diào)節(jié)區(qū)間線性度良好，可供正常使用。結(jié)合典型液壓負載試驗圖譜一般50L/min以下流量多為長通流量，整個試驗過程保持不變，可確定電液比例閥工作范圍：電液比例閥負責(zé)50～270L/min流量調(diào)節(jié)，手動節(jié)流閥負責(zé)50L/min以下流量調(diào)節(jié)。

所選電液比例閥為二級先導(dǎo)閥。先導(dǎo)閥控制閥芯方式有兩種，一種是取電液比例閥主閥前高壓油為先導(dǎo)油配合比例電磁鐵驅(qū)動主閥芯，另一種是用外控油源配合比例電磁鐵驅(qū)動主閥芯。先導(dǎo)油控制方式管路結(jié)構(gòu)簡單，但流量控制品質(zhì)易受比例閥前油壓擺動影響，且其引出的先導(dǎo)油量也會影響液壓泵流量計量的精度;外控油源控制方式雖然管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但控制油壓可保持恒定，流經(jīng)比例閥的流量控制品質(zhì)可以保證，且不影響液壓泵流量計量精度。所以采取外控油控制方式，顯著提升液壓負載模擬系統(tǒng)的流量控制響應(yīng)速度及穩(wěn)定性。

當(dāng)壓差為28MPa時，節(jié)流閥最大流量約為78L/min，可滿足50L/min以內(nèi)流量調(diào)節(jié)目標(biāo)，并保有一定流量調(diào)整儲備，供應(yīng)急使用。

前文中已介紹過管道內(nèi)液壓油的流速過高在流量突變時會引起壓力波動，這對流量調(diào)節(jié)會產(chǎn)生不利影響，所以需要合理選擇液壓泵后各管道通徑。

3.4 液壓系統(tǒng)設(shè)計小結(jié)

經(jīng)過方針及實測數(shù)據(jù)可知，在液壓泵出口流量轉(zhuǎn)換時，電液比例閥后流量會產(chǎn)生波動，但波動不大;實際試驗時由于柱塞泵自身特性、各液壓元件特性及測量儀器誤差等因素影響，流量波動幅值稍大，波動衰減時間較長。但與未改進前流量曲線相比，已有長足的進步，滿足新型號試驗技術(shù)要求。

4 液壓負載模擬系統(tǒng)調(diào)試及應(yīng)用

液壓負載模擬系統(tǒng)調(diào)試以發(fā)動機聯(lián)合調(diào)試為試驗方法。發(fā)動機起動前先將系統(tǒng)供油泵、電液比例閥控制泵開啟，將工業(yè)循環(huán)冷卻水泵及水閥開啟，電液比例閥開度調(diào)為100%，手動節(jié)流閥開度調(diào)為100%。發(fā)動機起動時整個液壓負載模擬系統(tǒng)不從發(fā)動機提取功率。待發(fā)動機起動成功，運行至慢車狀態(tài)時，關(guān)閉電液比例閥支路的液控單向閥，使液壓泵輸出的液壓油全部從手動節(jié)流閥支路流通。觀察流量計示數(shù)，同時調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，直至流量計示數(shù)為50L/min。

將發(fā)動機推至合適的狀態(tài)（滿足液壓泵額定轉(zhuǎn)速），將電液比例閥支路液控單向閥開啟（此時電液比例閥開度應(yīng)為100%），關(guān)閉調(diào)速閥支路的液控單向閥，調(diào)節(jié)電液比例閥開度，同時觀察流量計示數(shù)，直至達到載荷譜要求流量時，記錄與之對應(yīng)的電液比例閥開度值。完成以上操作后，拉停發(fā)動機，在控制程序里加入“一鍵加載”程序，然后再次起動發(fā)動機至慢車，按“一鍵加載”按鍵進行加載，待加載程序運行完畢后運行數(shù)據(jù)回放軟件對液壓加載系統(tǒng)液壓泵出口壓力及系統(tǒng)流量進行數(shù)據(jù)分析。

5 發(fā)展方向及展望

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，未來的液壓負載模擬系統(tǒng)一定會結(jié)合自動化操縱及智能化檢測技術(shù)，實現(xiàn)試驗圖譜自動編程及自動運行，進一步降低試驗操縱的人工干預(yù)，提升試驗效率，降低試驗操縱者的勞動強度。同時液壓負載模擬系統(tǒng)還會具備故障自我診斷功能，在判讀歷次故障的數(shù)據(jù)后自動提取出故障征兆的特征信息，與其工作時實時數(shù)據(jù)進行對比并判斷是否有故障征兆，并將其判定結(jié)果提供給試驗操縱人員參考。

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[3]董凱、曾紅豐、張春峰，一種用于飛機地面試驗臺的液壓加載系統(tǒng)以及加載方法，《土木工程學(xué)報》，2018年