固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)流量測量系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)*

岳永豐,宋玉英,陳欣欣

(內(nèi)蒙航天動(dòng)力機(jī)械測試所,呼和浩特 010076)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)流量測量系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)*

岳永豐,宋玉英,陳欣欣

(內(nèi)蒙航天動(dòng)力機(jī)械測試所,呼和浩特 010076)

在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中,如果能夠準(zhǔn)確測量流量的實(shí)時(shí)變化,就能區(qū)分是藥柱燒蝕還是噴管燒蝕引起的推力變化,對發(fā)動(dòng)機(jī)噴管設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。通過對固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)流量測量方式和校準(zhǔn)方法的分析,設(shè)計(jì)了移動(dòng)可調(diào)力源裝置來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的重量變化,用于校準(zhǔn)測量發(fā)動(dòng)機(jī)重量變化的稱重傳感器。試驗(yàn)結(jié)果表明,移動(dòng)可調(diào)力源裝置的靜態(tài)加載精度優(yōu)于0.05%,動(dòng)態(tài)精度優(yōu)于1%,達(dá)到了發(fā)動(dòng)機(jī)流量校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)要求。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī);流量;校準(zhǔn);液壓系統(tǒng);伺服力源

0 引言

秒流量是評估固體發(fā)動(dòng)機(jī)功能、性能及穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一,流量測量的有效性和精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和試驗(yàn)結(jié)果的可信度,同時(shí)也決定了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。目前,國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)一般根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑配方、裝藥型面、燃速等參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型,通過仿真計(jì)算作出預(yù)示流量曲線,然后根據(jù)壓強(qiáng)、推力等參數(shù)修正流量數(shù)據(jù)[1]。數(shù)值仿真得到的流量數(shù)據(jù)與真實(shí)值存在一定偏差,影響總體部門對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的準(zhǔn)確評估。文中根據(jù)測量發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)重量衰減間接獲得流量的方法,設(shè)計(jì)構(gòu)建固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)流量測量與校準(zhǔn)試驗(yàn)裝置,開展了流量測量裝置的校準(zhǔn)和精度評定工作。

1 流量測量原理

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)流量的變化機(jī)理,通過測量發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中某固定時(shí)間間隔重量的變化量,間接得出流量。由于發(fā)動(dòng)機(jī)秒流量是與燃燒室內(nèi)推進(jìn)劑質(zhì)量的變化有關(guān),在發(fā)動(dòng)機(jī)臥式試車中,利用稱重傳感器實(shí)測發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中的質(zhì)量變化量[2]。測量發(fā)動(dòng)機(jī)流量采用四點(diǎn)支撐試車裝置。

按照四點(diǎn)支撐的設(shè)計(jì)原理,分別在柔性支撐裝置垂直方向串接測力傳感器,通過校準(zhǔn)裝置的移動(dòng)可調(diào)力源作用點(diǎn)隨時(shí)間移動(dòng)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心的變化,4個(gè)傳感器同時(shí)輸出力值,經(jīng)過換算可得到發(fā)動(dòng)機(jī)的流量。流量測量力學(xué)原理圖如圖1所示。

圖1 流量測量力學(xué)原理圖

F1、F2、F3、F4為垂直方向4個(gè)傳感器的輸出力值,MC點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中質(zhì)心的變化位置,FJ為移動(dòng)可調(diào)力源輸出的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)重量變化的力值。

FJ=F1+F2+F3+F4

(1)

(2)

(3)

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖

2 結(jié)構(gòu)組成及校準(zhǔn)方法

流量校準(zhǔn)裝置由撓性支撐裝置、伺服可調(diào)力源、移動(dòng)行走機(jī)構(gòu)等組成,結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。撓性支撐裝置有4組,每組由兩個(gè)撓性件之間串接一個(gè)傳感器組成;伺服可調(diào)力源由標(biāo)準(zhǔn)傳感器、檢測儀表、伺服電機(jī)、伺服油泵、施力裝置和控制系統(tǒng)等組成;移動(dòng)行走機(jī)構(gòu)由液壓缸和換向閥等組成。

圖2 流量校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

針對某型等燃面、等流量固體發(fā)動(dòng)機(jī),可將其工作時(shí)從滿載重力減小到空載看作是一個(gè)勻速變化的過程,則伺服力源輸出的基準(zhǔn)力值在校準(zhǔn)過程呈線性變化,移動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度為勻速運(yùn)動(dòng)。采用伺服可調(diào)力源輸出基準(zhǔn)力值,實(shí)時(shí)輸出不同時(shí)刻對應(yīng)的基準(zhǔn)力值;采用移動(dòng)行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)力值作用點(diǎn)的移動(dòng)。

原位校準(zhǔn)過程是通過對標(biāo)準(zhǔn)傳感器、工作傳感器的對應(yīng)數(shù)據(jù)采集,得出對應(yīng)關(guān)系,建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的過程。根據(jù)最小二乘法對校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,求出回歸方程和校準(zhǔn)方程,得出正確的修正關(guān)系[3]。

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,擬合形成稱重傳感器的實(shí)際校準(zhǔn)曲線,用一條工作直線來表示它的特性方程如下:

y=a+bx

(4)

式中:y為4個(gè)稱重傳感器的輸出電壓之和(mV);x為伺服力源的輸入力值(kN);b為工作直線的斜率(mV/kN);a為工作直線的截距(mV)。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移動(dòng)可調(diào)力源裝置需要完成兩個(gè)動(dòng)作,一是提供一個(gè)隨時(shí)間變化的垂直向下的加載力,二是要提供一個(gè)能夠使垂直加載力以不同速度移動(dòng)的推力。根據(jù)所要完成的兩個(gè)動(dòng)作,對應(yīng)設(shè)計(jì)兩套液壓系統(tǒng),其液壓原理圖如圖3所示。

當(dāng)1YA得電時(shí),二位四通換向閥7的左位處于工作狀態(tài),液壓油通過伺服閥8進(jìn)入液壓缸9,通過改變伺服閥8的輸入信號,實(shí)現(xiàn)伺服閥的換位并改變力的大小,使液壓缸9的液壓桿完成垂直向下加載和空載快速退回動(dòng)作,這就構(gòu)成了加載系統(tǒng)。

與此同時(shí),2YA得電,二位四通換向閥14的左位處于工作狀態(tài),液壓油通過三位四通換向閥16和調(diào)速閥17進(jìn)入液壓缸20,可以通過控制3YA和4YA的得、失電,實(shí)現(xiàn)三位四通換向閥16的換位,從而使液壓缸20的液壓桿完成前后移動(dòng),以提供一個(gè)推力使加載系統(tǒng)能夠沿軸向前后移動(dòng),這就構(gòu)成了推力系統(tǒng)。

通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥17流量的大小來改變伺服力源前后移動(dòng)速度的大小;通過控制輸入伺服閥8中電信號的強(qiáng)度來改變閥芯移動(dòng)量,從而控制流入液壓缸9中的液壓油流量,間接控制液壓缸9施加載荷的大小[4]。

圖5 聯(lián)合加載電氣控制原理圖

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制原理

移動(dòng)可調(diào)力源裝置由加載滾輪、加載液壓伺服缸、直動(dòng)式比例方向閥、拉壓傳感器、位移傳感器和加載控制系統(tǒng)組成,加載系統(tǒng)控制原理框圖如圖4所示。

載荷設(shè)定是根據(jù)加載力和液壓缸位置狀態(tài)的不同而變化的加載力參考信號;工控機(jī)作為核心控制器,完成數(shù)據(jù)采集處理、控制律的運(yùn)算和控制量的發(fā)送;NI PCI DAQ主要完成計(jì)算機(jī)與外界信息交換,也就是完成模數(shù)和數(shù)模信號轉(zhuǎn)換;液壓伺服缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)加載力的輸出及控制;拉壓力傳感器和位移傳感器作為反饋元件來檢測加載力值和加載位移,給控制系統(tǒng)提供反饋信號,形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖4 垂直加載系統(tǒng)控制原理框圖

4.2 硬件配置

加載控制系統(tǒng)的主機(jī)為工控機(jī),擴(kuò)展NI PCI DAQ+DIO板卡,LabVIEW為二次開發(fā)平臺,施力系統(tǒng)和推力系統(tǒng)聯(lián)合加載電氣控制原理圖如圖5所示。

4.3 用戶界面設(shè)計(jì)

程序主體結(jié)構(gòu)為While循環(huán),循環(huán)內(nèi)采用事件結(jié)構(gòu)和超時(shí)分支對輸入信號進(jìn)行處理。將控制柜前面板輸入信號及應(yīng)用程序控制按鈕動(dòng)作與控制系統(tǒng)聯(lián)接,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制[5],軟件的操作界面如圖6所示。

界面包括測試面板、報(bào)表生成和數(shù)據(jù)回放3個(gè)功能模塊,分別實(shí)現(xiàn)操作控制、生成報(bào)表和數(shù)據(jù)回放的功能。測試面板中能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有:預(yù)備加載、開始加載和設(shè)置加載力的范圍等功能。界面中間部分為示波器區(qū)域,顯示拉壓傳感器的壓力值、設(shè)定力值與采集力值的誤差值、加載液壓缸的供油壓強(qiáng)值。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 操作方法

校準(zhǔn)開始前,使移動(dòng)可調(diào)力源裝置在滿載位置加載測量上限值,到達(dá)上限值后穩(wěn)定1 min,然后返回零點(diǎn),重復(fù)進(jìn)行2次。

靜態(tài)校準(zhǔn)時(shí),均勻設(shè)定5個(gè)校準(zhǔn)值點(diǎn),即10 kN、8 kN、6 kN、4 kN、2 kN。力的作用點(diǎn)要根據(jù)校準(zhǔn)力值進(jìn)行軸向移動(dòng),逐點(diǎn)加載到設(shè)定力值并穩(wěn)定30 s。每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)加載完畢后,分別讀取校準(zhǔn)點(diǎn)的輸出值,生成報(bào)表。一個(gè)行程為1個(gè)校準(zhǔn)循環(huán),進(jìn)行3個(gè)校準(zhǔn)循環(huán)。

動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)時(shí),從測量上限開始連續(xù)卸載到零點(diǎn),力的作用點(diǎn)要根據(jù)加載力的變化沿軸向進(jìn)行相應(yīng)變化,至少均勻讀取10個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn),記錄各校準(zhǔn)點(diǎn)的輸出值,進(jìn)行3個(gè)校準(zhǔn)循環(huán)。移動(dòng)可調(diào)力源裝置實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 移動(dòng)可調(diào)力源裝置實(shí)物圖

5.2 靜態(tài)精度檢測

根據(jù)靜態(tài)校準(zhǔn)操作方法,分別測試垂直加載力為10 kN、8 kN、6 kN、4 kN、2 kN時(shí)在相應(yīng)位置的靜態(tài)精度,穩(wěn)定時(shí)間為30 s。試驗(yàn)操作過程中,10 kN加載點(diǎn)距離起始位置200 mm,8 kN加載點(diǎn)距離起始位置400 mm,6 kN加載點(diǎn)距離起始位置600 mm,4 kN加載點(diǎn)距離起始位置800 mm,2 kN加載點(diǎn)距離起始位置1 000 mm,靜態(tài)加載精度輸出結(jié)果分別如圖8～圖12所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知,靜態(tài)精度在每個(gè)點(diǎn)的加載過程中是連續(xù)振蕩變化的,這是由于模糊控制和PID運(yùn)算響應(yīng)所引起的;由于接觸沖擊和水平安裝誤差,在每個(gè)加載點(diǎn)開始或末尾處的精度均產(chǎn)生了不同程度的振蕩。

圖8 10 kN時(shí)的靜態(tài)精度

圖9 8 kN時(shí)的靜態(tài)精度

圖10 6 kN時(shí)的靜態(tài)精度

圖11 4 kN時(shí)的靜態(tài)精度

圖12 2 kN時(shí)的靜態(tài)精度

當(dāng)加載力分別為10 kN、8 kN、6 kN、4 kN、2 kN時(shí),流量校準(zhǔn)裝置均能滿足0.05%的靜態(tài)精度要求。

5.3 動(dòng)態(tài)精度檢測

根據(jù)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)操作方法,設(shè)定伺服力源軸向移動(dòng)速度為60 mm/s,垂直加載力的變化速率為0.6 kN/s。加載力從10 kN卸載至0 kN,加載過程在17 s內(nèi)完成,動(dòng)態(tài)加載精度結(jié)果如圖13所示。

圖13 動(dòng)態(tài)加載精度

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知,動(dòng)態(tài)精度在整個(gè)行程內(nèi)是連續(xù)振蕩變化的,這也是由于模糊控制和PID響應(yīng)所引起的;由于接觸沖擊和水平安裝誤差,在開始和末尾處的精度產(chǎn)生了較大程度的振蕩。

從2～17 s的穩(wěn)定段內(nèi),發(fā)動(dòng)機(jī)流量校準(zhǔn)裝置能夠滿足1%的動(dòng)態(tài)精度要求。

6 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)流量測量系統(tǒng)的整體校準(zhǔn),文中針對四點(diǎn)支撐的流量測量方式,設(shè)計(jì)開發(fā)了移動(dòng)可調(diào)力源裝置及其控制系統(tǒng)。其中,垂直加載采用電液伺服加載方式,軸向移動(dòng)采用液壓缸驅(qū)動(dòng)。根據(jù)對靜態(tài)和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)過程的動(dòng)作分析,完成了垂直施力液壓系統(tǒng)和軸向行走液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)以NI PCI DAQ+DIO為擴(kuò)展板卡,以LabVIEW為二次開發(fā)平臺,通過模糊控制和PID運(yùn)算實(shí)現(xiàn)垂直施力和軸向行走的聯(lián)合加載控制,能夠保證校準(zhǔn)裝置的頻率響應(yīng)。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,文中所設(shè)計(jì)的流量校準(zhǔn)裝置在各靜態(tài)加載點(diǎn)均能夠滿足0.05%的精度要求,動(dòng)態(tài)加載過程能夠滿足1%的精度要求,達(dá)到了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)流量校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)要求,為后續(xù)獲得流量校準(zhǔn)方程和正確的修正關(guān)系提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

[1] 王元有.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) [M].北京:國防工業(yè)出版社,1984:28-37.

[2] 薛群,徐向東.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測試與試驗(yàn)技術(shù) [M].北京:中國宇航出版社,2009:148-176.

[3] 鐘華貴.流量測量裝置的校準(zhǔn)和不確定度評定方法 [C]∥中國航空學(xué)會動(dòng)力分會第七屆發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)技術(shù)暨湖南省航空學(xué)會試驗(yàn)測試和計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)術(shù)年會.2005:129-134.

[4] 徐瑞銀,蘇國秀.液壓氣壓傳動(dòng)與控制 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014:91-117.

[5] 楊忠仁,饒程,鄒建,等.基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) [J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2004,27(2):32-35.

DesignofCalibrationDeviceforFlowMeasurementSystemofSolidRocketMotor

YUE Yongfeng,SONG Yuying,CHEN Xinxin

(Inner Mongolia Institute of Aerospace Machinery Testing,Hohhot 010076,China)

In the process of solid rocket motor test,if it could accurately measure real-time change of flow,the cause of thrust change would be distinguished between grain erosion and nozzle erosion,and it had important reference value for the design of motor nozzle.By the analysis of flow measurement way and calibration method,we designed the removable adjustable power source device to simulate the weight change in engine working process,which was used for the weighing sensor to adjust and measure engine weight change.The test results showed that the static loading accuracy of the movable adjustable power source device was better than 0.05%,and the dynamic accuracy was better than 1%,which met the requirement of the engine flow calibration device.

solid rocket motor; flow; calibration; hydraulic system; servo force source

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.023

2016-04-19

岳永豐(1987-),男,內(nèi)蒙古土右旗人,工程師,碩士,研究方向:固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)與測試。

TJ760.6

A