某型飛機(jī)進(jìn)氣道伺服裝置測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(空軍第一航空學(xué)院 航空修理工程系， 河南 信陽　464000)

引言

某型飛機(jī)進(jìn)氣道伺服裝置是飛機(jī)進(jìn)氣道操縱系統(tǒng)的核心部件之一，由電液伺服閥和電磁液壓鎖組合成一體。電液伺服閥是一個(gè)雙噴嘴擋板力反饋式兩級(jí)流量控制伺服閥，電磁液壓鎖是一個(gè)以噴嘴擋板作為第一級(jí)放大的二位四通電磁閥。近年，對(duì)電液伺服閥的測(cè)試技術(shù)研究雖較為廣泛，但也存在一些不足：其主要是通過手工方式檢測(cè)，缺乏一致性、測(cè)試效率低、操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大；液壓管路多為導(dǎo)管連接，管路長、容積大、拐彎多、振動(dòng)大，測(cè)試精度受影響大；測(cè)試系統(tǒng)均存在不同程度的內(nèi)部泄漏，導(dǎo)致流量等參數(shù)測(cè)試的誤差增大；動(dòng)態(tài)缸性能受速度傳感器特性的影響大，動(dòng)態(tài)特性測(cè)試精度亟待進(jìn)一步提高。

某型飛機(jī)進(jìn)氣道伺服裝置測(cè)試系統(tǒng)主要用于伺服裝置出廠驗(yàn)收、定檢和大修后各項(xiàng)性能參數(shù)的測(cè)試，采用PCL控制技術(shù)、集成模塊化技術(shù)、無泄漏切換技術(shù)以及動(dòng)態(tài)缸的改進(jìn)設(shè)計(jì)，克服了以上不足，提高了測(cè)試的自動(dòng)化程度和精度，可完成伺服閥靜態(tài)性能(與液壓鎖聯(lián)試，包括壓力特性、空載流量特性、內(nèi)漏、分辨率、壓漂等)、伺服閥動(dòng)態(tài)性能(單試)、伺服閥噴嘴性能(單試)、液壓鎖工作準(zhǔn)確性(與伺服閥聯(lián)試，包括最小開鎖電流及壓力、自動(dòng)關(guān)鎖壓力等)、液壓鎖內(nèi)漏(與伺服閥聯(lián)試)、高壓及低壓密封性(聯(lián)試)等性能的參數(shù)測(cè)定。

1　測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

依據(jù)GJB 3370-98中的4.6.3～4.6.4規(guī)定及測(cè)試大綱要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，伺服裝置測(cè)試系統(tǒng)由液壓源系統(tǒng)、測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成，其關(guān)鍵技術(shù)要求如表1所示。

根據(jù)液壓系統(tǒng)管徑公式：

(1)

式中，d為管徑；Q為流量；v為流速，取吸油管流速為1 m/s，壓油管流速5 m/s，回油管流速2 m/s。帶入流量40 L/min計(jì)算，則選取吸油管徑為32 mm，壓油管徑為15 mm，回油管徑為25 mm。

同時(shí)，根據(jù)液壓系統(tǒng)小孔流量公式：

(2)

按測(cè)試要求，式中流量Q為5 L/min；管嘴流量系數(shù)Cq取值0.82；壓差Δp為1.5 MPa；油液密度ρ取值900 kg/m3。則連接軟管內(nèi)徑r最小不能小于0.75 mm。

1.1　液壓源系統(tǒng)

液壓源系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由主泵機(jī)組合回路和控溫泵機(jī)組合回路構(gòu)成。

為達(dá)到GJB 3370-98中的4.6.1.1-d規(guī)定及測(cè)試大綱對(duì)油液清潔度的要求，在主泵機(jī)組合回路中，按照GJB 420A-96-5相關(guān)規(guī)定，設(shè)置兩級(jí)高壓精密過濾器，以保證油液的絕對(duì)過濾精度達(dá)到3 μm的規(guī)定值。調(diào)壓閥為比例溢流閥，可對(duì)輸出壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程無極調(diào)節(jié)。由于要求工作液溫度始終保持在(40±6) ℃范圍內(nèi)，因此設(shè)置控溫泵機(jī)組合回路，由控制系統(tǒng)依據(jù)溫度傳感器信號(hào)對(duì)加熱器和控溫泵機(jī)組合回路進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，對(duì)油溫進(jìn)行強(qiáng)制加熱或冷卻，使油溫始終穩(wěn)定保持在規(guī)定值范圍。同時(shí)，控溫泵機(jī)組合回路還具有手控循環(huán)進(jìn)行油液清潔的功能。

1.2　測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)

測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)原理如圖2所示，主要由比例減壓閥、比例溢流閥、無泄電磁閥、齒輪流量計(jì)、動(dòng)態(tài)缸以及其他輔件構(gòu)成。

測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)由三個(gè)工位組成，其中1工位可完成伺服閥噴嘴性能測(cè)試 (單試)， 2工位可完成伺服閥靜態(tài)性能、液壓鎖工作準(zhǔn)確性及內(nèi)漏、伺服裝置高低壓密封性等參數(shù)的測(cè)試(聯(lián)試)，當(dāng)3工位與1工位配合時(shí)，可完成伺服閥動(dòng)態(tài)性能測(cè)試(單試)。系統(tǒng)壓力由比例減壓閥無極調(diào)節(jié)，并通過控制系統(tǒng)控制各個(gè)電磁閥的通斷，為每個(gè)工位提供不同工況的液壓。采用德國VSE高精度容積式齒輪流量計(jì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的流量作動(dòng)筒對(duì)靜態(tài)性能的流量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方便、精確。在回油路中設(shè)置比例溢流閥遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)系統(tǒng)回油壓力，以滿足測(cè)試大綱對(duì)回油壓力的要求。動(dòng)態(tài)缸可完成頻率響應(yīng)等動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試。

1.主泵機(jī)組合　2.控溫泵機(jī)組合　3.空濾器　4.液位控制器　5.溫度傳感器　6.液位計(jì)　7.油箱　8～11.油濾　12.水冷卻器　13.溫控開關(guān)　14、15.單向閥　16.安全閥　17.比例溢流閥　18～20.開關(guān)　21～23.壓力傳感器　24.蓄能器　25.電加熱器圖1　液壓源系統(tǒng)原理圖

1.過濾器　2.減壓閥　3.溢流閥　4.手搖泵　5. 2 m液柱　6.蓄能器　7.齒輪流量計(jì)　8溫度傳感器　9.動(dòng)態(tài)缸　10～15.無泄電磁閥　16～23.開關(guān)　24～30.壓力傳感器　31.單向閥圖2　測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)原理圖

1.3　控制系統(tǒng)

1) 控制系統(tǒng)硬件

PLC控制系統(tǒng)硬件組成原理如圖3所示。硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是為了提高可靠性和保證測(cè)試精度，采用了最先進(jìn)的嵌入式計(jì)算機(jī)作為控制核心，由海量電子盤、嵌入式CPU卡以及各種外設(shè)接口組成。同時(shí)，嵌入低增益位置閉環(huán)控制卡，在動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無載油缸的低增益位置閉環(huán)控制，防止無載油缸撞缸。

圖3　PLC控制系統(tǒng)硬件組成原理圖

2) 控制系統(tǒng)軟件

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)軟件主要模塊如圖4所示。控制系統(tǒng)軟件采用VC++6.0中MFC開發(fā)類編寫控制應(yīng)用程序，并可實(shí)現(xiàn)Windows中多媒體定時(shí)器的底層API支持，以達(dá)到精度最小為1 ms的定時(shí)?？刂葡到y(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

從圖5可以看出，控制系統(tǒng)軟件主要包括三大功能，即系統(tǒng)初始化、測(cè)試和數(shù)據(jù)處理。初始化包括數(shù)據(jù)采集、定時(shí)器和對(duì)話框的初始化，測(cè)試部分主要是控制各油路的邏輯通斷、激勵(lì)信號(hào)的輸入、壓力流量等信號(hào)采集存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理則是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換、繪制曲線、計(jì)算、生成報(bào)表。

圖4　控制系統(tǒng)軟件主要模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖5　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

2　幾個(gè)技術(shù)問題的解決

2.1　油路的集成模塊化設(shè)計(jì)

依據(jù)GJB 3370-98中的4.6.1.1-b規(guī)定，液壓管路要盡量短，以減小容積彈性對(duì)測(cè)試精度的影響。為此，設(shè)計(jì)了集成模塊化油路，以避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中液壓管路長、拐彎多、機(jī)械和液壓振動(dòng)大的缺陷。設(shè)計(jì)的集成模塊包括：進(jìn)回油集成模塊、產(chǎn)品安裝集成模塊、油路切換集成模塊，各集成模塊功能明確，元件相對(duì)獨(dú)立，便于維護(hù)和使用。進(jìn)回油集成模塊上設(shè)有高壓過濾器、比例減壓閥、比例溢流閥等，并設(shè)有油液取樣接頭，便于進(jìn)行油液監(jiān)控。產(chǎn)品安裝集成模塊包括基座油路集成模塊和3個(gè)工位的集成模塊，根據(jù)不同測(cè)試內(nèi)容分別將3個(gè)工位集成模塊安裝于基座集成模塊上，方便快捷，同時(shí)將控制腔壓力傳感器安裝于基座油路模塊上，提高了壓力增益測(cè)量的準(zhǔn)確性。油路切換集成模塊上安裝有無泄電磁閥、齒輪流量計(jì)等。通過油路的集成模塊化設(shè)計(jì)，縮短了管路長度，最大限度的減小了容積彈性、機(jī)械及液壓振動(dòng)對(duì)測(cè)試精度的影響。

2.2　無泄漏切換油路設(shè)計(jì)

流量伺服閥的測(cè)試對(duì)油路的泄漏比較敏感，泄漏不僅會(huì)降低壓力增益測(cè)試值，還會(huì)造成流量特性不準(zhǔn)確，特別是靜耗量測(cè)試數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)嚴(yán)重誤差，導(dǎo)致測(cè)試臺(tái)無法使用。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)很難保證油路的完全無泄漏，特別是電磁閥A-B腔之間的泄漏更難避免。為此，設(shè)計(jì)了無泄漏切換油路，由無泄漏電磁開關(guān)閥配合集成模塊化油路，不僅可以做到結(jié)構(gòu)緊湊、通流量大、流阻小，還可以實(shí)現(xiàn)無泄漏控制油路通斷。設(shè)計(jì)的閥芯和閥套加工配合精度高，同時(shí)閥芯與閥套之間帶密封，閥口的關(guān)閉可以實(shí)現(xiàn)閥的A-B腔的實(shí)際無泄漏，也可保證控制油路與閥的A、B腔之間無泄漏，確保了測(cè)試結(jié)果的可信度。

2.3　動(dòng)態(tài)缸的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

動(dòng)態(tài)無載液壓缸是流量伺服閥動(dòng)態(tài)測(cè)試的關(guān)鍵元件。根據(jù)動(dòng)態(tài)缸的固有頻率公式：

(3)

式中,βe為油液彈性模量；A為動(dòng)態(tài)缸活塞面積；Vt為活塞腔容積；M為活塞運(yùn)動(dòng)組件質(zhì)量。

由式(3)可知，要提高動(dòng)態(tài)缸的固有頻率，就應(yīng)減小活塞運(yùn)動(dòng)組件的質(zhì)量，減小活塞腔容積，增大活塞面積。為了傳感器信號(hào)電纜不易損壞，并便于傳感器的安裝調(diào)整，動(dòng)態(tài)缸選取活塞桿外伸式，同時(shí)伺服閥安裝座與缸體設(shè)計(jì)為一體，可使管路短而粗，并且活塞與缸筒之間采用間隙密封，可減小摩擦力。綜合上述因素，設(shè)計(jì)了如圖6所示的動(dòng)態(tài)缸，其活塞直徑為51.5 mm，活塞單程有效行程為30 mm，活塞材質(zhì)選用青銅，經(jīng)計(jì)算，其固有頻率為15.5 kHz，完全滿足動(dòng)態(tài)測(cè)試的要求。

傳統(tǒng)的無載液壓缸速度測(cè)量一般使用速度傳感器，但速度傳感器對(duì)安裝位置和精度要求非常高，而且一般的速度傳感器固有頻率較低，與伺服閥的頻寬比較接近，在高頻段測(cè)試時(shí)容易產(chǎn)生共振，導(dǎo)致速度信號(hào)畸變。為此，設(shè)計(jì)中改用加速度傳感器測(cè)量無載液壓缸的加速度，然后通過設(shè)計(jì)的放大電路和積分電路轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)。加速度傳感器選用壓電式，其獲取的加速度信號(hào)在各個(gè)方向是完全獨(dú)立的，因此安裝非常簡單方便，可以直接固定在無載液壓缸的活塞桿上。壓電式加速度傳感器的固有頻率非常高，在1 GHz以上，有效地防止了在高頻段試驗(yàn)過程中發(fā)生共振。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過加速度傳感器和放大積分電路測(cè)量無載液壓缸速度的方法是完全可行的，獲取的速度信號(hào)理想、準(zhǔn)確，并且安裝調(diào)整非常方便。圖7所示為動(dòng)態(tài)缸測(cè)試的頻率特性曲線。

圖6　動(dòng)態(tài)缸

圖7　動(dòng)態(tài)缸測(cè)試的頻率特性曲線

3　測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)

基于前述設(shè)計(jì)原理研制了測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)簡潔美觀，能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)管路邏輯通斷控制、數(shù)據(jù)采集計(jì)

算及輸出，如圖8a所示。通過連接被測(cè)伺服裝置進(jìn)行空載流量實(shí)驗(yàn)，額定流量為32 L/min，額定壓力達(dá)到21 MPa，如圖8b所示。經(jīng)連續(xù)實(shí)驗(yàn)1 h后檢測(cè)，工作液溫度始終保持在(40±6) ℃范圍，抽樣油液污染度達(dá)到GJB 420A-96的5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)表明，測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。

圖8　測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

4　結(jié)論

針對(duì)某型飛機(jī)進(jìn)氣道伺服裝置的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了測(cè)試系統(tǒng)，包括液壓源系統(tǒng)、測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。通過集成模塊化油路設(shè)計(jì)、無泄漏切換油路設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)缸的改進(jìn)設(shè)計(jì)，大大地提高了測(cè)試結(jié)果的精確度和可信度。經(jīng)各單位使用表明，該測(cè)試系統(tǒng)滿足所有測(cè)試項(xiàng)目要求，測(cè)試方便、穩(wěn)定可靠、自動(dòng)化程度高，提高了使用單位的維修保障能力，并已取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)由于采用了集成模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性強(qiáng)，因此還可用于其他伺服裝置的測(cè)試，具有較大地推廣應(yīng)用價(jià)值。

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