試車臺液壓負(fù)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(jī)在保證為飛機(jī)提供足夠推力的前提下，需帶動安裝在發(fā)動機(jī)飛附機(jī)匣上的液壓泵高速轉(zhuǎn)動，保證飛機(jī)液壓系統(tǒng)的工作需求。為了檢查飛機(jī)液壓負(fù)載對發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性和性能特性的影響，航空發(fā)動機(jī)整機(jī)試車需要通過液壓負(fù)載功率提取試驗。液壓負(fù)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(jī)液壓子系統(tǒng)負(fù)載對發(fā)動機(jī)的功率提取。隨著型號研制的逐步深化，液壓負(fù)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(fù)載模擬系統(tǒng)不再適用于新的液壓負(fù)載試驗，液壓負(fù)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(jī)，功率提取，液壓負(fù)載試驗技術(shù)

1 液壓負(fù)載功率提取試驗技術(shù)概述

液壓負(fù)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(fù)載模擬系統(tǒng)相配合，將發(fā)動機(jī)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(jī)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(fù)載功率提取試驗中功率以液壓泵的輸出流量計量。

液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)是液壓負(fù)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(jī)掛載的液壓泵提供符合液壓泵進(jìn)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(jī)液壓功能子系統(tǒng)所需的流量壓力曲線，即實現(xiàn)液壓負(fù)載功率提取試驗載荷圖譜;

c）對液壓泵進(jìn)、出口及殼體回油口的液壓油壓力、流量、溫度參數(shù)進(jìn)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(fù)載模擬系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)簡析

早期的液壓負(fù)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(fù)載功率提取試驗載荷譜。

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

1） 大流量狀態(tài)液壓泵進(jìn)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(fù)載模擬系統(tǒng)的設(shè)計中進(jìn)行優(yōu)化并解決。

3 新型液壓負(fù)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(fù)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(jìn)度。如果將固定節(jié)流咀更換為遠(yuǎn)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(fù)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(jī)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(dá)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(dá)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(fù)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(jī)液壓負(fù)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(jìn)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(jìn)口壓力波動（圖2 ）。這時液壓泵進(jìn)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(fù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行計算，并對照液壓油供油管道推薦流速進(jìn)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(jìn)口油壓穩(wěn)定。

對比優(yōu)化設(shè)計前后液壓泵進(jìn)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(jìn)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(fù)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(fù)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(fù)責(zé)50～270L/min流量調(diào)節(jié)，手動節(jié)流閥負(fù)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(fù)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(jìn)前流量曲線相比，已有長足的進(jìn)步，滿足新型號試驗技術(shù)要求。

4 液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)調(diào)試及應(yīng)用

液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)調(diào)試以發(fā)動機(jī)聯(lián)合調(diào)試為試驗方法。發(fā)動機(jī)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(jī)起動時整個液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)不從發(fā)動機(jī)提取功率。待發(fā)動機(jī)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(jī)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(dá)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(jī)，在控制程序里加入“一鍵加載”程序，然后再次起動發(fā)動機(jī)至慢車，按“一鍵加載”按鍵進(jìn)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(jìn)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(jìn)步，未來的液壓負(fù)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(jìn)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(qiáng)度。同時液壓負(fù)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(jìn)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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