噴嘴性能試驗器液壓系統設計與仿真

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

引言

燃油噴嘴是航空發動機的重要零件之一，其性能直接影響到燃燒室工作的穩定性以及航空發動機的使用性能[1]。燃油噴嘴的作用是將燃油霧化，加速混合氣體的形成，其霧化質量對燃燒效率、出口溫度場等燃燒性能有著重要影響[2]。根據企業檢修工作的需求，要研制用于檢測多種型號飛機燃油噴嘴性能的試驗器，測試噴嘴在一定壓力下，噴射霧流的不均勻度以及霧化質量。

針對噴嘴類執行元件的壓力控制，可使用多個溢流閥來調定壓力，壓力點相對固定，主要針對一種或少數的噴嘴測試使用，壓力控制精度為±0.025 MPa[3]。毛軍等[4]采用直動式伺服閥閉環控制壓力，在0.25 MPa 壓力范圍內控制精度達±0.001 MPa。劉亞軍等[5]采用自動減壓閥控制噴嘴前壓力，在3.9 MPa壓力范圍內，壓力測量精度為±0.02 MPa。

1.進油過濾器 2.油泵電機組 3.單向閥 4.過濾器 5、20.壓力表 6、9、10.溢流閥 7、16.蓄能器 8、17.氣動球閥 11.換向閥12.伺服比例閥 13.輔助噴嘴 14.流量傳感器 15.電磁座閥 18、22.溫度傳感器 19.壓力傳感器 21.燃油噴嘴23.加熱器 24.油冷卻機圖1 液壓系統原理圖Fig.1 Hydraulic schematic diagram

本研究是基于燃油噴嘴小流量、負載敏感性高的特點，使用伺服比例方向閥作為主控閥，在液壓系統中增加輔助噴嘴及蓄能器以提高壓力控制的穩態精度，借助AMESim仿真軟件對壓力控制系統輔助分析，根據分析的結果指導試驗器的研發，以實現在0.862～2.068 MPa壓力范圍內壓力穩態精度達到±0.01 MPa。

1 試驗器研制需求及分析

根據研制要求，試驗器的試驗流程分為2項，不均勻度試驗和打壓試驗。打壓試驗的壓力值固定為6.5 MPa，不均勻度測試要求噴嘴前壓力在0.862～2.068 MPa范圍內任意一點可調。壓力控制精度要求為±0.01 MPa，壓力檢測最小分辨率0.001 MPa，流量檢測最小分辨率0.1 mL/min，試驗器的工作介質為RP3航空煤油，噴嘴入口的溫度范圍為(20.0±1.0) ℃。針對不均勻度試驗，重復試驗精度要求用標準樣件在相同條件下試驗10次，出口流量的變化范圍不超過 5 mL/min。

以上試驗指標為噴嘴在試驗器上噴射、霧化的前提條件，在各指標參數中，壓力和流量均為被檢測的主要參數，二者呈一定的正相關關系，其中壓力作為最關鍵的被控因素，其控制精度決定了整個試驗器的最終性能。

2 試驗器液壓系統構成及特點

試驗器的液壓系統構成如圖1所示，其構成及特點如下：

(1) 供油壓力分為2級，8 MPa溢流閥9在打壓試驗時使用，2.5 MPa溢流閥10在不均勻度試驗時使用，使用換向閥11對二者進行切換，打壓試驗時關閉全部蓄能器；

(2) 在泵出口處放置皮囊式蓄能器7，充氣壓力1.5 MPa，吸收泵的脈動沖擊[6]，以保持供油壓力的穩定；

(3) 被測噴嘴的通流面積很小，通過增加輔助噴嘴的方式增加通流面積，可增大壓力區間對應的伺服閥閥芯行程范圍，以提高壓力的控制精度；

(4) 試驗過程需要壓力穩定時間較長，執行元件僅為噴嘴時，系統響應速度快，抗干擾能力差，在噴嘴前加入隔膜式蓄能器16，充氣壓力0.6 MPa，降低響應速度，以提高壓力的控制精度[7]；

(5) 使用加熱器和油冷卻機以及溫度傳感器共同作用，對溫度進行實時檢測反饋，及時控溫[8]，使燃油噴嘴的溫度變化區間在19～ 21 ℃之間；

(6) 與變量泵、比例減壓閥、比例溢流閥等控制方式相比，伺服方向閥的控制精度和響應速度相對更高[9-11]，壓力控制方案由伺服方向閥12、壓力傳感器19及工控機形成閉環控制，如圖2所示。

圖2 壓力控制系統框圖Fig.2 Pressure control system block diagram

3 基于AMESim的液壓系統模型建立與仿真

3.1 伺服比例閥模型的搭建

伺服比例閥是整個液壓系統的核心部件，閥的各項參數指標決定了控制系統的性能，所以閥模型的真實性尤為重要。閥的模型建立分為兩部分，控制部分和結構部分，控制部分調整閥的響應特性，結構部分調整閥的壓力流量特性[12-14]，如圖3所示，是基于AMESim建立的伺服比例閥模型。

圖3 基于AMESim的閥模型Fig.3 Valve model based on AMESim

伺服比例閥的型號為迪普馬的DXJ3系列最小通徑閥，表1為伺服閥模型的主要參數，圖4為閥的響應特性曲線，圖5為閥的壓力流量特性曲線，與閥樣本曲線高度吻合。閥芯滿行程的響應時間為15 ms，隨著閥芯行程x下降，響應時間也相應縮短。當閥壓降為1 MPa時，通過流量為2 L/min，壓降為7 MPa時通過流量為5 L/min，最后加入0.2%的滯環和0.1%的分辨率模塊以達到實際控制效果[15]。

圖4 閥響應特性曲線Fig.4 Valve response characteristic curve

圖5 閥壓力流量特性曲線Fig.5 Valve pressure flow characteristic curve

表1 伺服比例閥參數Tab.1 Servo proportional valve parameters

3.2 液壓控制系統模型的搭建

整個試驗器的液壓系統模型如圖6所示，系統設置情況如下：

(1) 依據實際試驗要求，壓力的調壓仿真區間為0.862～2.086 MPa，泵的排量為5 mL/r，電機轉速1450 r/min，由于控制器為工控機，考慮閥的響應，將系統的控制設為周期50 ms[16]；

(2) 在A/D采集信號及D/A發送信號的位置增加干擾，A/D干擾信號波動量取值范圍為壓力傳感器量程的0.1%，D/A干擾信號取閥芯位移的0.2%，模擬現場的實際情況；

圖6 基于AMESim的液壓控制系統建模Fig.6 Hydraulic control system modeling based on AMESim

(3) 由于保密需要，將燃油噴嘴模型簡化為直徑0.25 mm的節流孔，輔助噴嘴為0.55 mm節流孔，2個節流孔的表達式：

(1)

式中，Qp—— 通過2個噴嘴的流量，L/min

Cd—— 流量系數

A1—— 輔助噴嘴節流口面積，m2

A2—— 實際噴嘴節流口面積，m2

Δp—— 節流口兩端壓力差，MPa

ρ—— 液壓油密度，kg/m3

(4) 使用的算法為積分分離PID[17-18]，當壓力接近于設定值時，偏差接近于0，這時閥芯開口量控制主要來源于積分的累計值，積分系數低時，系統誤差較大，積分系數加高，則會造成壓力的超調。將積分部分分離：當系統誤差較大時，取消積分環節，采用比例控制，避免由于積分累積引起系統較大的超調，當系統誤差較小時，引入積分環節，采用比例積分控制，其數學表達式如下所示：

(2)

(3)

式中，u(k) —— 進入受控對象的控制變量

Kp—— 比例系數

e(k) —— 偏差信號

β—— 積分項開關系數

Ki—— 積分系數

e(j) —— 被累計的偏差信號

T—— 采樣時間

ε—— 積分生效閾值

3.3 輔助噴嘴對壓力控制的影響

將圖6的控制算法部分去除，仿真增加不同大小輔助噴嘴，0.862～2.068 MPa壓力區間對應的閥芯行程區間，仿真結果曲線如圖7所示，從曲線可以看出，未加輔助噴嘴，0.862～2.068 MPa的對應的閥芯行程區間不足10%，加上0.55 mm輔助噴嘴的對應行程區間為64%。

圖7 閥芯位移對應的壓力Fig.7 Pressure correspond to spool displacement

在圖6模型基礎上，P值設置2，I值設置20，蓄能器關閉，給定0.862 MPa的壓力階躍信號，增加不同大小輔助噴嘴對壓力控制影響曲線，如圖8所示。仿真0.7 s后壓力進入穩態，不含輔助噴嘴的壓力最大值與最小值差為0.048 MPa；輔助噴嘴0.55 mm時，差值為0.016 MPa，輔助噴嘴1 mm時差值為0.014 MPa。從圖7、圖8曲線可以看出，輔助噴嘴的使用拓寬了壓力區間對應的閥芯行程區間，從而提高了壓力的控制精度。通過更換不同開口大小的輔助噴嘴，也可適配更多種類的噴嘴試驗，但隨著流量的加大，液壓油的體積彈性模量對壓力控制影響會逐漸減小，增加輔助噴嘴對壓力精度的控制影響也會降低。

圖8 輔助噴嘴對壓力的影響Fig.8 Influence of auxiliary nozzle on pressure

3.4 蓄能器對壓力控制的影響及仿真精度

根據圖6模型，P值設置70，I值設置161；給定壓力信號為連續三段階躍信號，為圖9a上目標曲線。0～10 s時，壓力為0.862 MPa；10～20 s時，給定壓力值為1.241 MPa；20～30 s時，給定的壓力值為2.068 MPa，這3個壓力控制點也是噴嘴試驗的3個主要測試點。在該設定條件下，蓄能器公稱容積0.05 L以下時壓力值振蕩嚴重，故使用公稱容積0.05 L與0.50 L的蓄能器對比分析。仿真曲線結果如圖9a所示，圖9b為圖9a的6～7 s曲線放大圖，圖9c為圖9a的29～30 s曲線放大圖，表2為進入穩態時，壓力最大值與最小值差值。

表2 壓力穩態波動值Tab.2 Steady-state fluctuation of pressure MPa

根據仿真結果，蓄能器僅為0.05 L時，壓力控制系統的響應極快，但穩定性較差，加入蓄能器雖會降低壓力控制系統的響應速度，但對控制精度有著顯著的提升。根據表中數據，壓力控制系統仿真的理論精度值為0.007 MPa，在實際設備中，仍會存在一些非線性因素導致誤差加大，但綜合仿真結果來看，設計的噴嘴流量試驗器可以達到預期的控制指標。

4 噴嘴性能試驗器與壓力控制精度結果

根據設計研究結果，制作的噴嘴性能試驗器如圖10、圖11所示，可與液壓原理圖1互相對照，圖11展示的部分為圖1流量計14后的元件集成塊，集成元件包括壓力傳感器、溫度傳感器、電磁座閥、蓄能器、氣動球閥、壓力表。集成塊的輸入端連接試驗器內部泵站上流量計的出口，輸出端連接測試的燃油噴嘴。

圖9 仿真結果Fig.9 Simulation results

圖10 噴嘴性能試驗器Fig.10 Nozzle performance tester

圖11 元件集成塊Fig.11 Component integration block

將標準燃油噴嘴樣件安裝到試驗器上，采集壓力進入穩態后1 min的壓力波動情況，如圖12所示，壓力設置值為0.862 MPa，壓力波動范圍為±0.003 MPa；壓力設置值為2.068 MPa，壓力波動范圍為±0.007 MPa，滿足設計要求。

圖12 壓力數據采集Fig.12 Pressure data acquisition

5 結論

(1) 針對飛機燃油噴嘴的性能檢測設計了一臺試驗器，可檢測多種噴嘴，壓力控制能夠在0.862～2.068 MPa范圍內任意一點穩定，壓力穩態精度可達到±0.01 MPa；

(2) 采用增加輔助噴嘴的方式解決小流量系統的控制特性，提高了壓力控制的穩定性及精度，通過改變輔助噴嘴的大小，在一定范圍內，可對多種噴嘴進行性能測試；

(3) 針對此類響應速度高、抗干擾能力差的液壓系統，在執行終端放置合適大小的蓄能器，能夠提高壓力的穩態精度；

(4) 使用積分分離PID校正后的噴嘴流量試驗器，在其響應速度及壓力精度方面均有良好的控制效果。