高壓煤油恒速液動機恒速閥技術(shù)攻關(guān)

于 斌，劉會祥，劉 康，肖守敏，王京新

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076）

高壓煤油恒速液動機恒速閥技術(shù)攻關(guān)

于 斌，劉會祥，劉 康，肖守敏，王京新

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076）

針對高壓煤油恒速液動機研制過程中遇到的“恒速閥穩(wěn)定性”和“液動機轉(zhuǎn)速偏高”兩個技術(shù)難題，開展了恒速閥關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，通過理論分析和仿真的方法找到了恒速閥穩(wěn)定性差的主要原因是導(dǎo)閥彈簧剛度偏低，而液動機轉(zhuǎn)速偏高的原因為主閥彈簧座過長和導(dǎo)閥運動卡澀。重新設(shè)計了剛度更大的導(dǎo)閥彈簧，恒速閥穩(wěn)定性得以提高；通過修短主閥彈簧座以及研磨導(dǎo)閥的閥芯閥套和去毛刺，液動機轉(zhuǎn)速偏高的問題得以解決。

煤油；液動機；恒速閥；技術(shù)攻關(guān)

1 引言

目前，國內(nèi)外航天領(lǐng)域利用引流煤油做功實現(xiàn)推力矢量控制，多采用直接引流方式［1-4］：來自火箭發(fā)動機的高壓煤油直接作為液壓伺服系統(tǒng)的工作介質(zhì)驅(qū)動作動器。由于系統(tǒng)工作介質(zhì)為煤油，這種工作方式對閥、作動器等液壓元件的煤油相容性、防爆性等提出了較高設(shè)計要求?；诖?，為簡化設(shè)計，我所提出了采用液動機引流發(fā)動機煤油的工作方式［5-6］。高壓煤油恒速液動機（以下簡稱“液動機”），利用引流發(fā)動機的高壓煤油做功，將高壓煤油的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動液壓泵工作，為伺服機構(gòu)提供動作所需的充足可靠的高壓油液，以實現(xiàn)推力矢量控制，使火箭按照預(yù)定的軌跡和姿態(tài)飛行。液動機是伺服機構(gòu)動力轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，一旦發(fā)生故障，將直接影響伺服機構(gòu)的性能表現(xiàn)，甚至功能實現(xiàn)。液動機針對CZ-7火箭的具體使用需求而專門研制，屬于首次研制，涉及的關(guān)鍵技術(shù)較多，涵蓋設(shè)計、加工、試驗等多個方面，本文將針對其中的“恒速閥穩(wěn)定性”和“液動機轉(zhuǎn)速偏高”兩項難題，從原理、方法、效果等方面開展理論研究、仿真分析和試驗驗證。

2 液動機的工作原理

液動機由本體和恒速閥兩部分組成，液壓原理如圖1所示。液動機本體是一個斜盤式定量軸向柱塞馬達，用于實現(xiàn)液壓能到機械能的轉(zhuǎn)化，是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵；恒速閥是一個帶反饋控制的兩級恒流量控制閥，用于控制進入液動機的流量Q，使Q保持恒定（由于液動機的排量V為一個固定常數(shù)，由轉(zhuǎn)速n＝Q／V可知，控制流量Q恒定即可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速控制），是液動機實現(xiàn)恒速的關(guān)鍵。

3 恒速閥穩(wěn)定性

液動機的恒速閥采用兩級滑閥結(jié)構(gòu)，主要由導(dǎo)閥和主閥構(gòu)成，如圖2所示。恒速閥的穩(wěn)定性是液動機穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，在研制過程中曾多次出現(xiàn)因恒速閥的不同零部件之間匹配不合適導(dǎo)致的問題。圖3所示轉(zhuǎn)速曲線，代表了比較典型的液動機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的故障現(xiàn)象，為找出這種故障現(xiàn)象的原因，對液動機進行了數(shù)學(xué)建模和仿真。

系統(tǒng)的開環(huán)增益如式（1）所示：

開環(huán)傳遞函數(shù)如式（2）所示：

該系統(tǒng)近似為無靜差系統(tǒng)，這也說明了系統(tǒng)的恒速原理。

對液動機恒速閥進行Matlab仿真，導(dǎo)閥彈簧剛度取13 N／mm～20 N／mm，間隔1 N／mm；轉(zhuǎn)速取4000 rpm～8000 rpm，間隔200 rpm，得出穩(wěn)定裕度與轉(zhuǎn)速、導(dǎo)閥彈簧剛度的關(guān)系如圖4所示。是基于直觀的圖形界面的建模平臺，使用圖標(biāo)符號代表系統(tǒng)中的各個元件，簡明易懂。AMESim包含有大量的由零部件子模型相應(yīng)圖標(biāo)組成的應(yīng)用庫，其中包括控制庫、機械庫、液壓元件設(shè)計庫、液壓庫、氣動庫等［7-8］。

圖4表明，液動機調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，穩(wěn)定裕度越?。灰簞訖C調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度還與導(dǎo)閥彈簧剛度有關(guān)，導(dǎo)閥彈簧剛度越大，穩(wěn)定裕度越大。

圖3所示轉(zhuǎn)速異常現(xiàn)象對應(yīng)的液動機導(dǎo)閥彈簧剛度值為15 N／mm，在額定轉(zhuǎn)速為7000 rpm時，穩(wěn)定裕度較小，約為-15 dB。小的穩(wěn)定裕度導(dǎo)致恒速閥對其內(nèi)部各零件控制參數(shù)的誤差的適應(yīng)性變差，調(diào)速系統(tǒng)比較容易不穩(wěn)定。基于此，重新設(shè)計了導(dǎo)閥彈簧，將剛度提升至19 N／mm，轉(zhuǎn)速曲線中持續(xù)震蕩的異?，F(xiàn)象消失，液動機轉(zhuǎn)速恢復(fù)正常。

4 轉(zhuǎn)速偏高問題

在液動機研制中出現(xiàn)過一種轉(zhuǎn)速偏高故障現(xiàn)象，如圖5所示。起機后空載轉(zhuǎn)速曲線始終超出正常轉(zhuǎn)速范圍，即使調(diào)節(jié)調(diào)速螺套也無法使轉(zhuǎn)速降到正常范圍（正常情況下液動機的空載轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié)調(diào)速螺套進行調(diào)節(jié)）。

為解決這一問題，并進一步摸清恒速閥各零件尺寸對液動機輸出性能的影響，利用AMESim軟件對液動機進行了建模和仿真。恒速閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，對應(yīng)的AMESim模型見圖6。AMESim

經(jīng)過仿真分析得出故障原因是主閥彈簧座A的長度過長。主閥彈簧座A的作用是對主閥芯在閥口關(guān)小方向的運動進行限位，如果其長度過長，將使得主閥芯在限位作用下無法將閥口關(guān)小至調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速所需的開度，恒速閥無法控制流量恒定（流量高于正常值），最終導(dǎo)致液動機轉(zhuǎn)速高于正常值。而且在這樣的條件下空載轉(zhuǎn)速由彈簧座的限位限定，通過調(diào)節(jié)調(diào)速螺套降低液動機空載轉(zhuǎn)速是無效的。圖7給出了恒速閥在空載條件下彈簧座長度分別為20.5 mm和21.6 mm時液動機起動后的轉(zhuǎn)速。根據(jù)仿真結(jié)果，將液動機彈簧座A更換為短彈簧座（長度20.5 mm），液動機的轉(zhuǎn)速偏高問題消失，轉(zhuǎn)速恢復(fù)正常。

圖8所示轉(zhuǎn)速曲線，代表了液動機另外一種比較典型的轉(zhuǎn)速偏高異常現(xiàn)象。在剛起機時，液動機轉(zhuǎn)速偏高（約8000 r／min），經(jīng)過2 s左右，轉(zhuǎn)速恢復(fù)正常（正常范圍為7000±500 r／min）?？赡艿脑蚴侵鏖y或?qū)чy的閥芯和閥套之間的運動在局部存在卡澀，導(dǎo)致閥口開度不能實時跟隨轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，閥芯運動存在滯后，轉(zhuǎn)速曲線偏高的部分是閥芯未來得及響應(yīng)實際轉(zhuǎn)速而造成的。分解檢查發(fā)現(xiàn)主閥運動靈活，而導(dǎo)閥在關(guān)小方向的極限位置附近存在卡澀。將導(dǎo)閥的閥芯閥套進行研磨和去毛刺，使閥芯閥套相對運動恢復(fù)靈活，并裝機復(fù)測，轉(zhuǎn)速曲線的異?，F(xiàn)象消除，液動機轉(zhuǎn)速恢復(fù)正常。

5 結(jié)論

1）針對恒速閥穩(wěn)定性問題開展了理論分析，并通過數(shù)學(xué)建模和仿真的手段，找到了提高恒速閥穩(wěn)定裕度的方法——提高導(dǎo)閥彈簧剛度；重新設(shè)計了導(dǎo)閥彈簧，將其剛度由15 N／mm提升到19 N／mm，重新裝機測試，恒速閥穩(wěn)定工作，通過了試驗考核；

2）轉(zhuǎn)速偏高問題按實際現(xiàn)象的不同分為兩類，針對轉(zhuǎn)速偏高且無法往調(diào)低的問題，開展了理論研究與仿真，找到了問題原因——主閥彈簧座A過長，對閥芯產(chǎn)生了限位，更換較短的彈簧座以后，故障消除；針對起機轉(zhuǎn)速偏高然后恢復(fù)正常的故障現(xiàn)象進行了分析排查，找到了問題的原因——導(dǎo)閥的閥芯運動卡澀，對閥芯閥套進行研磨和去毛刺之后重新裝機復(fù)測，故障消除；

3）本文開展的恒速閥技術(shù)攻關(guān)，來源于產(chǎn)品研制過程中出現(xiàn)的問題，通過技術(shù)攻關(guān)這些問題得以解決。

（References）

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［8］ 付永領(lǐng)，祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真從入門到精通［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：77-114.Fu Y L，Qi X Y.AMESim System Modeling and Simulation-From Entry to Proficient［M］.Beijing：Beihang University Press，2006：77-114.（in Chinese）

Study on Key Technology of Constant Speed Control Valve of Constant Hydraulic Motor Driven by High Pressure Kerosene

YU Bin，LIU Huixiang，LIU Kang，XIAO Shoumin，WANG Jingxin
（Beijing Research Institute of Precise Mechanicals and Controls，Beijing 100076，China）

The key technologies of the constant speed control valve were studied to solve the“valve stability”and“speed increase”problems encountered during the development of the constant speed hydraulic motor driven by high pressure kerosene.The theoretical analysis and simulation results showed that the low stiffness of the spring of the pilot valve was the main reason of the poor stability of the constant speed control valve，while overlength of the spring seat of the main valve and the moving un-smoothness of the pilot valve were the causes of the speed increase of the hydraulic motor.A higher stiffness spring was redesigned for the pilot valve，and the stability of the constant speed control valve was improved.By shortening the spring seat of the main valve and grinding the pilot valve，the problem of“speed increase”of the hydraulic motor was solved.

kerosene；hydraulic motor；constant speed control valve；technology research

TH137

A

1674-5825（2017）06-0761-04

2016-08-24；

2017-09-26

載人航天預(yù)先研究項目（050303）

于斌，男，碩士，工程師，研究方向為液壓泵／馬達設(shè)計。E-mail：golden_saint_shaka＠163.com

（責(zé)任編輯：龐迎春）