壓差控制器設計參數對燃油計量系統影響研究摘要：某型航空發動機控制系統采用數字電子控制，其執行裝置仍然是機械液壓式。對于液壓機械裝置的研究，以往主要針對調整參數，針對設計參數的研究目前還鮮有論文發表。針對上述問題，本文利用amesim軟件對燃油控制系統液壓機械執行機構進行建模仿真，得到了設計參數，如壓差活門型孔、油壓作用面、彈簧剛度、節流嘴等對燃油計量系統動態特性和穩態特性的影響，結論為液壓機械裝置的設計、改進改型和性能優化提供了依據。關鍵詞：航空發動機；液壓機械裝置；設計參數a study of the impact of design parameters of differential pressure controller on the fuel metering systemabstract：an aero-engine control system uses digital electronic control, its implementation is still the hydro-mechanical unit. for the study of hydro-mechanical unit, in the past mainly for adjusting parameters, few papers are published for design parameters.in response to this problem, the simulation model of the hydro-mechanical actuators of fuel control system is established by amesim in this paper. we obtain the impact of design parameters such as differential pressure valve-shaped hole, the force surface of fuel, spring stiffness and hydraulic restrictor on the dynamics and steady-state characteristics of fuel metering system. the conclusion provide evidence for the design, the improvement and modification, performance optimizationof the hydro-mechanical unit.keywords：aero-engine; hydro-mechanical unit; design parameters111 引言航空發動機控制系統按照控制方式可以分為液壓機械控制系統和數字電子控制系統1。數字電子控制技術以其調節精度高、可維護性好與可變更性好、容易實現飛行/推進/火控一體化綜合控制等諸多優點，已成為未來航空發動機控制系統的發展趨勢2。航空發動機數控系統是由控制軟件、電子控制器、液壓機械裝置、傳感器、電氣部件組成的。其中液壓機械裝置較之前的純液壓機械式燃油調節器結構上要簡單，但仍然具有結構復雜，設計、加工困難，加工周期長，對介質要求較高等特點，為了提高液壓機械裝置的性能和可靠性并縮短研制周期，必須在設計階段對液壓機械裝置進行仿真分析。設計參數是指在液壓機械裝置設計階段，對系統的性能起決定性作用的參數，譬如各個活門的尺寸，型面、彈簧剛度等；而調整參數是指在液壓機械裝置調試階段，通過對這些參數的調整，使系統性能獲得有限的變化的參數，譬如彈簧初始預緊力、調整墊圈等。對于液壓機械裝置的研究，以往只是針對液壓機械裝置的調整參數對執行機構的影響3,4,5，而對于設計參數對執行機構影響的研究則很少。本文利用amesim軟件對燃油控制系統液壓機械執行機構進行建模仿真，重點分析了壓差控制器設計參數對執行機構的影響，通過對液壓機械裝置仿真分析可以及早發現并修正系統設計中的缺陷，確定最佳的設計方案, 為液壓機械裝置的設計、改進改型和性能優化提供了依據。2 燃油控制系統液壓機械裝置簡介燃油控制系統液壓機械裝置主要由齒輪泵、燃油計量活門、壓差控制器、lvdt等組成，其結構如圖1所示。燃油控制系統液壓機械裝置的功能如下：1）接受電子控制器信號計量供給燃燒室的燃油；2）防喘切油；3停車切油。圖1 燃油控制系統液壓機械裝置結構燃油控制系統液壓機械裝置工作原理如圖2所示。飛機油箱的燃油，經過燃油增壓泵初次增壓后，輸送到齒輪泵進一步增壓。齒輪泵后的燃油經過計量活門計量后進入發動機燃燒室。由電子控制器按發動機調節計劃和控制規律給出電信號控制電液伺服閥，改變隨動活塞控制腔的油壓來控制計量活門的位移，同時由安裝在隨動活塞上的lvdt傳感器反饋信號給電子控制器，形成計量活門位置反饋控制，從而實現電子控制器對燃油流量的控制。壓差活門用來保證計量活門前后恒定的壓差，使供油量僅取決于計量活門流通面積。圖2 燃油控制系統液壓機械裝置工作原理壓差控制器的功用是保持計量開關前后壓差不變，使流過計量開關的燃油量與計量開關的流通面積呈單值關系。流過計量開關的燃油流量可用下式表示：式中：流過計量開關的燃油流量； 計量開關處的流量系數，由于燃油流動損失的影響，其值小于1； a計量開關流通面積； 燃油密度； 計量開關前后壓差。由于計量開關的流量系數和燃油密度變化很小，它們可以近似看做常數。因此，當為常數時，通過計量開關的燃油量與計量開關的流通面積呈線性關系。3 燃油控制系統液壓機械裝置仿真模型建模采用的軟件是amesim。amesim提供了一個系統工程設計的完整平臺，使得用戶可以在一個平臺上建立復雜的多學科領域系統的模型，并在此基礎上進行仿真計算和深入的分析。使用戶能夠借助其友好的、面向實際應用的方案，研究元件或回路的穩態和動態性能。amesim使得用戶從繁瑣的數學建模中解放出來從而專注于物理系統本身的設計，而不需要書寫任何程序代碼。此外，amesim還具有與其它軟件包豐富的接口，例如simulink, adams, simpack，rtlab等6。amesim建模是面向實物對象模型的，所以在了解了原系統的工作原理后，即可非常方便的讀懂仿真結構圖。根據燃油控制系統液壓機械裝置的結構，利用amesim 建立的燃油控制系統液壓機械裝置的模型如圖3所示。將查詢的各個元件的尺寸輸入模型即可得到系統的完整模型。4 性能分析利用建立好的燃油計量系統的amesim模型，通過分析燃油計量系統從一個穩態工作點到另一個穩態工作點輸出流量的變化，對現有的設計方案進行評估。方案中壓差控制器的設計參數為：壓差活門型孔、壓差活門出口節流嘴、回油活門阻尼孔均為圓形，直徑分別為1mm、0.6mm、0.8mm；壓差活門油壓作用面直徑為8mm；壓差活門彈簧剛度為8.711n/mm。設定齒輪泵轉速為7000r/min，2s時刻，給定信號控制計量活門位移由5mm變化到20mm（對應計量活門流通面積由19.5變至78.5）。計量系統輸出流量的仿真結果如圖4所示。圖3 amesim模型圖4 計量系統輸出流量從仿真結果得到：1） 當燃油計量系統由一個穩態工作點變到另一個穩態工作點時，計量系統輸出流量在1.1s內達到穩定，小于系統設計要求的1.5s；2） 計量系統穩態輸出流量為157.75l/min，穩態誤差不超過0.5%，并且沒有出現燃油流量振蕩現象?？梢缘贸觯F有的設計方案滿足對燃油計量系統的要求。5 壓差控制器設計參數對液壓機械裝置的影響壓差控制器包括壓差活門、安全活門和回油活門，其作用是保持計量活門前后壓力差恒定，使得通過計量活門的流量只與其流通面積有關。對于壓差控制器的設計，目前國內基本采用預估與試驗相結合的方法，但由于該方法存在周期長、成本高等不足之處，制約著深入研究壓差控制器對燃油計量裝置特性影響機理。壓差控制器的設計參數包括三個活門的尺寸，各個型孔的直徑，彈簧的剛度和初始預緊力，回油型面和計量型面以及節流嘴的大小等等。本文選取壓差活門型孔、壓差活門油壓作用面、彈簧剛度、壓差活門出口節流嘴直徑、回油活門阻尼孔直徑等7五個設計參數進行分析。參數的大小是在原有方案設計尺寸基礎上適當增加或者減小。下面分別對這些設計參數對燃油計量系統的影響進行分析。以下研究均是在齒輪泵轉速為7000r/min，計量活門位移在2s時刻由5mm變化到20mm進行的。圖5 壓差控制器結構圖 （1：壓差活門型孔；2：壓差活門油壓作用面；3：節流嘴；4：阻尼孔）5.1 壓差活門型孔對液壓機械裝置的影響壓差活門型孔的作用是當壓差活門兩端壓差沒有達到設定值時，通過調整型孔的大小來調節壓差活門兩端壓差。壓差活門的型面是兩個對稱的圓孔。當壓差活門型孔直徑在0.6-2mm之間變化時，壓差活門兩端壓差及計量活門輸出流量的動態仿真曲線分別如圖6、7所示。圖6 壓差活門兩端壓差隨壓差活門型孔直徑變化曲線圖7 計量活門輸出流量隨壓差活門型孔直徑變化曲線（曲線1、2、3、4、5分別對應型孔直徑為0.6、0.8、1、1.5、2mm）從上述仿真結果可以看到：當壓差活門活門型孔直徑從0.6mm逐漸增加到2mm時，壓差活門兩端壓差變小，壓差動態特性基本不變，計量活門穩態輸出流量變小，輸出流量調節時間基本不變。當壓差活門型孔直徑為1.5mm和2mm，計量活門流通面積較小時，壓差活門兩端壓差出現波動，導致計量系統輸出流量波動。因此，壓差活門型孔直徑應小于1.5mm。5.2 壓差活門油壓作用面對液壓機械裝置的影響油壓作用面的大小可以影響壓差活門兩端壓差，此處的作用面是一個圓形，并且面積是固定的，不會隨活門位移的變化而變化。當油壓作用面直徑從7mm增加到10mm時，壓差活門兩端壓差和計量系統輸出流量的動態曲線分別如圖8、9所示。圖8 壓差活門兩端壓差隨壓差活門油壓作用面直徑變化曲線圖9 計量活門輸出流量隨壓差活門油壓作用面直徑變化曲線（曲線1、2、3、4分別對應油壓作用面直徑為7、8、9、10mm） 圖10 油壓作用面直徑與壓差活門兩端壓差關系從上述仿真結果可以看出，油壓作用面面積的變化，對壓差活門兩端壓差影響比較大，進而影響計量活門穩態輸出流量。隨著油壓作用面面積的增加，壓差活門兩端壓差減小，計量活門的穩態輸出流量減小，而調節時間基本不變。因為，當壓差活門兩端受力差值一定時，油壓面積增大時，單位面積的壓力減小，導致壓差活門前后壓差減小，計量系統輸出流量減小。油壓作用面直徑與壓差活門兩端壓差的關系如圖10所示。當油壓作用面直徑減小到7mm時，壓差活門兩端壓差出現波動，導致計量系統輸出流量波動，因此，選取油壓作用面時，其直徑應該大于7mm。5.3 壓差活門彈簧剛度對液壓機械裝置的影響調整壓差活門彈簧剛度對壓差活門兩端壓差有影響。在壓差活門彈簧初始預緊力一定的條件下，彈簧剛度從5n/mm逐漸增加到15n/mm，壓差活門兩端壓差和計量活門輸出流量的動態仿真曲線分別如圖11、12所示?？梢钥闯?，隨著壓差活門彈簧剛度的增加，壓差活門兩端壓差增加，計量活門穩態輸出流量也隨之增加，但動態特性不受影響。圖11 壓差活門兩端壓差隨彈簧剛度變化曲線圖12 計量活門輸出流量隨彈簧剛度變化曲線（曲線1、2、3、4分別對應彈簧剛度為5、8.711、12、15n/mm） 5.4 壓差活門出口節流嘴對液壓機械裝置的影響壓差活門出口節流嘴可以影響壓差活門兩端壓差的動態特性。當壓差活門出口節流嘴直徑在0.4-0.7mm變化時，壓差活門兩端壓差和計量活門輸出流量的動態仿真曲線分別如圖13、14所示。圖13 壓差活門兩端壓差隨節流嘴直徑變化曲線圖14 計量活門輸出流量隨節流嘴直徑變化曲線（曲線1、2、3、4分別對應壓差活門出口節流嘴直徑為0.4、0.5、0.6、0.7mm）從上述仿真結果可以看出，壓差活門出口節流嘴直徑的大小對壓差活門兩端壓差動態特性的影響比較明顯，隨著壓差活門出口節流嘴直徑的增大，壓差活門兩端壓差的調節時間變短，進而計量活門輸出流量調節時間變短，而計量活門穩態輸出流量不變。5.5 回油活門通泵后燃油阻尼孔對液壓機械裝置的影響調節回油活門通泵后燃油阻尼孔可以影響壓差控制器的動態特性，進而影響計量系統的動態特性。當阻尼孔直徑從0.4mm到1mm變化時，壓差活門兩端壓差和計量活門輸出流量的動態曲線分別如圖15、16所示。圖15 壓差活門兩端壓差隨阻尼孔直徑變化曲線圖16 計量活門輸出流量隨阻尼孔直徑變化曲線（曲線1、2、3、4、5分別對應回油活門阻尼孔直徑為0.4、0.5、0.6、0.8、1mm）從上述仿真結果可以看出，隨著回油活門阻尼孔孔徑的增大，壓差活門兩端壓差調節時間變短，壓差穩態值有微小的增加，進而計量系統輸出流量調節時間變短，穩態輸出流量增加。當阻尼孔直徑由0.4mm增加到0.6mm時，對壓差控制器調節時間影響比較明顯，在0.6mm到1mm變化時，影響不太明顯。6 結論本文利用amesim軟件對航空發動機燃油控制系統液壓機械執行機構進行建模，通過仿真分析得出現有的液壓機械裝置的性能滿足設計要求，并對壓差控制器設計參數對液壓機械裝置的影響進行分析。在實際應用過程中，可以依據上述結論指導產品設