喷嘴性能试验器液压系统设计与仿真

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

引言

燃油喷嘴是航空发动机的重要零件之一，其性能直接影响到燃烧室工作的稳定性以及航空发动机的使用性能[1]。燃油喷嘴的作用是将燃油雾化，加速混合气体的形成，其雾化质量对燃烧效率、出口温度场等燃烧性能有着重要影响[2]。根据企业检修工作的需求，要研制用于检测多种型号飞机燃油喷嘴性能的试验器，测试喷嘴在一定压力下，喷射雾流的不均匀度以及雾化质量。

针对喷嘴类执行元件的压力控制，可使用多个溢流阀来调定压力，压力点相对固定，主要针对一种或少数的喷嘴测试使用，压力控制精度为±0.025 MPa[3]。毛军等[4]采用直动式伺服阀闭环控制压力，在0.25 MPa 压力范围内控制精度达±0.001 MPa。刘亚军等[5]采用自动减压阀控制喷嘴前压力，在3.9 MPa压力范围内，压力测量精度为±0.02 MPa。

1.进油过滤器 2.油泵电机组 3.单向阀 4.过滤器 5、20.压力表 6、9、10.溢流阀 7、16.蓄能器 8、17.气动球阀 11.换向阀12.伺服比例阀 13.辅助喷嘴 14.流量传感器 15.电磁座阀 18、22.温度传感器 19.压力传感器 21.燃油喷嘴23.加热器 24.油冷却机图1 液压系统原理图Fig.1 Hydraulic schematic diagram

本研究是基于燃油喷嘴小流量、负载敏感性高的特点，使用伺服比例方向阀作为主控阀，在液压系统中增加辅助喷嘴及蓄能器以提高压力控制的稳态精度，借助AMESim仿真软件对压力控制系统辅助分析，根据分析的结果指导试验器的研发，以实现在0.862～2.068 MPa压力范围内压力稳态精度达到±0.01 MPa。

1 试验器研制需求及分析

根据研制要求，试验器的试验流程分为2项，不均匀度试验和打压试验。打压试验的压力值固定为6.5 MPa，不均匀度测试要求喷嘴前压力在0.862～2.068 MPa范围内任意一点可调。压力控制精度要求为±0.01 MPa，压力检测最小分辨率0.001 MPa，流量检测最小分辨率0.1 mL/min，试验器的工作介质为RP3航空煤油，喷嘴入口的温度范围为(20.0±1.0) ℃。针对不均匀度试验，重复试验精度要求用标准样件在相同条件下试验10次，出口流量的变化范围不超过 5 mL/min。

以上试验指标为喷嘴在试验器上喷射、雾化的前提条件，在各指标参数中，压力和流量均为被检测的主要参数，二者呈一定的正相关关系，其中压力作为最关键的被控因素，其控制精度决定了整个试验器的最终性能。

2 试验器液压系统构成及特点

试验器的液压系统构成如图1所示，其构成及特点如下：

(1) 供油压力分为2级，8 MPa溢流阀9在打压试验时使用，2.5 MPa溢流阀10在不均匀度试验时使用，使用换向阀11对二者进行切换，打压试验时关闭全部蓄能器；

(2) 在泵出口处放置皮囊式蓄能器7，充气压力1.5 MPa，吸收泵的脉动冲击[6]，以保持供油压力的稳定；

(3) 被测喷嘴的通流面积很小，通过增加辅助喷嘴的方式增加通流面积，可增大压力区间对应的伺服阀阀芯行程范围，以提高压力的控制精度；

(4) 试验过程需要压力稳定时间较长，执行元件仅为喷嘴时，系统响应速度快，抗干扰能力差，在喷嘴前加入隔膜式蓄能器16，充气压力0.6 MPa，降低响应速度，以提高压力的控制精度[7]；

(5) 使用加热器和油冷却机以及温度传感器共同作用，对温度进行实时检测反馈，及时控温[8]，使燃油喷嘴的温度变化区间在19～ 21 ℃之间；

(6) 与变量泵、比例减压阀、比例溢流阀等控制方式相比，伺服方向阀的控制精度和响应速度相对更高[9-11]，压力控制方案由伺服方向阀12、压力传感器19及工控机形成闭环控制，如图2所示。

图2 压力控制系统框图Fig.2 Pressure control system block diagram

3 基于AMESim的液压系统模型建立与仿真

3.1 伺服比例阀模型的搭建

伺服比例阀是整个液压系统的核心部件，阀的各项参数指标决定了控制系统的性能，所以阀模型的真实性尤为重要。阀的模型建立分为两部分，控制部分和结构部分，控制部分调整阀的响应特性，结构部分调整阀的压力流量特性[12-14]，如图3所示，是基于AMESim建立的伺服比例阀模型。

图3 基于AMESim的阀模型Fig.3 Valve model based on AMESim

伺服比例阀的型号为迪普马的DXJ3系列最小通径阀，表1为伺服阀模型的主要参数，图4为阀的响应特性曲线，图5为阀的压力流量特性曲线，与阀样本曲线高度吻合。阀芯满行程的响应时间为15 ms，随着阀芯行程x下降，响应时间也相应缩短。当阀压降为1 MPa时，通过流量为2 L/min，压降为7 MPa时通过流量为5 L/min，最后加入0.2%的滞环和0.1%的分辨率模块以达到实际控制效果[15]。

图4 阀响应特性曲线Fig.4 Valve response characteristic curve

图5 阀压力流量特性曲线Fig.5 Valve pressure flow characteristic curve

表1 伺服比例阀参数Tab.1 Servo proportional valve parameters

3.2 液压控制系统模型的搭建

整个试验器的液压系统模型如图6所示，系统设置情况如下：

(1) 依据实际试验要求，压力的调压仿真区间为0.862～2.086 MPa，泵的排量为5 mL/r，电机转速1450 r/min，由于控制器为工控机，考虑阀的响应，将系统的控制设为周期50 ms[16]；

(2) 在A/D采集信号及D/A发送信号的位置增加干扰，A/D干扰信号波动量取值范围为压力传感器量程的0.1%，D/A干扰信号取阀芯位移的0.2%，模拟现场的实际情况；

图6 基于AMESim的液压控制系统建模Fig.6 Hydraulic control system modeling based on AMESim

(3) 由于保密需要，将燃油喷嘴模型简化为直径0.25 mm的节流孔，辅助喷嘴为0.55 mm节流孔，2个节流孔的表达式：

(1)

式中，Qp—— 通过2个喷嘴的流量，L/min

Cd—— 流量系数

A1—— 辅助喷嘴节流口面积，m2

A2—— 实际喷嘴节流口面积，m2

Δp—— 节流口两端压力差，MPa

ρ—— 液压油密度，kg/m3

(4) 使用的算法为积分分离PID[17-18]，当压力接近于设定值时，偏差接近于0，这时阀芯开口量控制主要来源于积分的累计值，积分系数低时，系统误差较大，积分系数加高，则会造成压力的超调。将积分部分分离：当系统误差较大时，取消积分环节，采用比例控制，避免由于积分累积引起系统较大的超调，当系统误差较小时，引入积分环节，采用比例积分控制，其数学表达式如下所示：

(2)

(3)

式中，u(k) —— 进入受控对象的控制变量

Kp—— 比例系数

e(k) —— 偏差信号

β—— 积分项开关系数

Ki—— 积分系数

e(j) —— 被累计的偏差信号

T—— 采样时间

ε—— 积分生效阈值

3.3 辅助喷嘴对压力控制的影响

将图6的控制算法部分去除，仿真增加不同大小辅助喷嘴，0.862～2.068 MPa压力区间对应的阀芯行程区间，仿真结果曲线如图7所示，从曲线可以看出，未加辅助喷嘴，0.862～2.068 MPa的对应的阀芯行程区间不足10%，加上0.55 mm辅助喷嘴的对应行程区间为64%。

图7 阀芯位移对应的压力Fig.7 Pressure correspond to spool displacement

在图6模型基础上，P值设置2，I值设置20，蓄能器关闭，给定0.862 MPa的压力阶跃信号，增加不同大小辅助喷嘴对压力控制影响曲线，如图8所示。仿真0.7 s后压力进入稳态，不含辅助喷嘴的压力最大值与最小值差为0.048 MPa；辅助喷嘴0.55 mm时，差值为0.016 MPa，辅助喷嘴1 mm时差值为0.014 MPa。从图7、图8曲线可以看出，辅助喷嘴的使用拓宽了压力区间对应的阀芯行程区间，从而提高了压力的控制精度。通过更换不同开口大小的辅助喷嘴，也可适配更多种类的喷嘴试验，但随着流量的加大，液压油的体积弹性模量对压力控制影响会逐渐减小，增加辅助喷嘴对压力精度的控制影响也会降低。

图8 辅助喷嘴对压力的影响Fig.8 Influence of auxiliary nozzle on pressure

3.4 蓄能器对压力控制的影响及仿真精度

根据图6模型，P值设置70，I值设置161；给定压力信号为连续三段阶跃信号，为图9a上目标曲线。0～10 s时，压力为0.862 MPa；10～20 s时，给定压力值为1.241 MPa；20～30 s时，给定的压力值为2.068 MPa，这3个压力控制点也是喷嘴试验的3个主要测试点。在该设定条件下，蓄能器公称容积0.05 L以下时压力值振荡严重，故使用公称容积0.05 L与0.50 L的蓄能器对比分析。仿真曲线结果如图9a所示，图9b为图9a的6～7 s曲线放大图，图9c为图9a的29～30 s曲线放大图，表2为进入稳态时，压力最大值与最小值差值。

表2 压力稳态波动值Tab.2 Steady-state fluctuation of pressure MPa

根据仿真结果，蓄能器仅为0.05 L时，压力控制系统的响应极快，但稳定性较差，加入蓄能器虽会降低压力控制系统的响应速度，但对控制精度有着显著的提升。根据表中数据，压力控制系统仿真的理论精度值为0.007 MPa，在实际设备中，仍会存在一些非线性因素导致误差加大，但综合仿真结果来看，设计的喷嘴流量试验器可以达到预期的控制指标。

4 喷嘴性能试验器与压力控制精度结果

根据设计研究结果，制作的喷嘴性能试验器如图10、图11所示，可与液压原理图1互相对照，图11展示的部分为图1流量计14后的元件集成块，集成元件包括压力传感器、温度传感器、电磁座阀、蓄能器、气动球阀、压力表。集成块的输入端连接试验器内部泵站上流量计的出口，输出端连接测试的燃油喷嘴。

图9 仿真结果Fig.9 Simulation results

图10 喷嘴性能试验器Fig.10 Nozzle performance tester

图11 元件集成块Fig.11 Component integration block

将标准燃油喷嘴样件安装到试验器上，采集压力进入稳态后1 min的压力波动情况，如图12所示，压力设置值为0.862 MPa，压力波动范围为±0.003 MPa；压力设置值为2.068 MPa，压力波动范围为±0.007 MPa，满足设计要求。

图12 压力数据采集Fig.12 Pressure data acquisition

5 结论

(1) 针对飞机燃油喷嘴的性能检测设计了一台试验器，可检测多种喷嘴，压力控制能够在0.862～2.068 MPa范围内任意一点稳定，压力稳态精度可达到±0.01 MPa；

(2) 采用增加辅助喷嘴的方式解决小流量系统的控制特性，提高了压力控制的稳定性及精度，通过改变辅助喷嘴的大小，在一定范围内，可对多种喷嘴进行性能测试；

(3) 针对此类响应速度高、抗干扰能力差的液压系统，在执行终端放置合适大小的蓄能器，能够提高压力的稳态精度；

(4) 使用积分分离PID校正后的喷嘴流量试验器，在其响应速度及压力精度方面均有良好的控制效果。