液压调速器AMESim动态仿真与参数优化

2024-05-07汤斯佳黄新锋刘阳蒋君侠

机床与液压 2024年6期

汤斯佳，黄新锋，刘阳，蒋君侠

(1.惠阳航空螺旋桨有限责任公司，河北保定 071025；2.浙江大学机械工程学院，浙江杭州 310027)

0 前言

螺旋桨飞机因具有耗油少、巡航时间长、对机场跑道要求低等优点[1]，广泛应用于军用运输机、特种飞机、支线客机、农林飞机、无人机、伞翼机等各类飞机[2]。螺旋桨飞机飞行过程中，要保证飞机的飞行稳定性以及发动机安全性，需要调速器发挥关键作用，通过螺旋桨、发动机和调速器三者互相作用使得航空发动机与螺旋桨维持稳定的转速，调速器的动态性能在发动机与螺旋桨的工作中有着十分重要的影响[3]。调速器是螺旋桨飞机的关键零部件之一，通过液压调速器的生产制造经验和使用反馈意见可知，调速器的动态特性不稳定的问题一直比较突出，这与调速器的参数选择密切相关。采用实验方法寻找合适的参数既费时又费力，因此，有必要通过液压动态仿真方法进行优化。但是现阶段国内外几乎没有任何有关航空螺旋桨用调速器技术研究的报道。目前，国内主要有针对船用柴油机调速器的建模仿真研究：张友荣等[4]基于LabVIEW设计了液压调速器通用试验台，对调速器进行了检验、调试整定和故障分析的实验验证；哈尔滨工程大学宋百玲、宋恩哲[5]建立了M851型柴油机调速器的数学模型，并应用Simulink进行仿真，分析了各可调参数对调速器动态特性的影响；大连理工大学杨波等人[6]使用AMESim软件建立了柴油机调速器控制阀与执行机构的一维模型，并对调速器各参数进行了仿真优化；国外工程师GHAEMI和ZERAATGAR[7]通过船体、螺旋桨和发动机的相互作用研究海浪条件下的船舶推进系统动力学，建立了一个船舶推进系统的数学模型，并解释了调速器及其限制器对燃料消耗的影响，确定了海浪对螺旋桨特性的非线性影响。这些研究对螺旋桨飞机用液压调速器仿真分析及参数优化有一定的参考作用。

本文作者研究螺旋桨液压调速器，利用AMESim软件对调速器进行建模，模拟调速器在各种工作情况下的动态特性，研究调速器各种参数对其性能的影响，并根据仿真结果对其参数进行优化，以使调速器动态性能达到最优，从而使得调速器制造得到有效提升。

1 液压调速器及工作原理

1.1 发动机、调速器与螺旋桨协同作用

螺旋桨飞机的动力系统主要包括发动机、调速器与螺旋桨3个部分，图1所示为动力系统协同工作原理，发动机主要为调速器与螺旋桨提供动力支持；调速器是转速敏感部件，在螺旋桨与发动机之间响应系统转速变化，通过引导滑油进出桨毂来改变桨叶角，使转速回到设定值；螺旋桨感应外部负载反馈给发动机。三者之间进行协同工作，从而使飞机飞行更加平稳[8]。

图1 协同工作原理

1.2 液压调速器基本结构

液压调速器实际上是一个由高速旋转离心机构所控制的换向阀，它主要由配重组件、控制活门组件、弹簧以及调速器阀体四部分构成，如图2所示。

图2 液压调速器基本结构

其中配重组件包括配重与配重支架，配重支架与发动机其中一根输出轴相连，该输出轴与螺旋桨转速有关，调速器具有2个配重对称安装在配重支架上用以感知螺旋桨转速的变化。控制活门组件包括控制活门与活门顶盖，控制活门为带台阶的长条结构，底部与两配重支点接触，顶部装有活门顶盖并与弹簧相连。调速器阀体上3个阀口分别为高压油口、大距油口以及回油口，通过控制活门的上下移动控制3个油口的相通与否。

1.3 液压调速器工作原理

调速器液压原理如图3所示，主要包括调速器、执行机构以及配套液压系统。

图3 液压调速器原理

执行机构为螺旋桨变距机构，与调速器适配的为双向变距机构。使螺旋桨桨叶角增大为变大距，使桨叶角减小为变小距，变距通过一个双向作用液压缸与一个连杆机构实现，其中活塞与连杆相连。图4所示为调速器工作原理。

图4 液压调速器工作原理

在飞机飞行过程中，螺旋桨转速受到负载与发动机功率的影响。当发动机功率大于负载时，转速增大，此时配重的离心转速也随之增大，控制活门受到配重提供的离心推力增大，控制活门向上运动，导致高压油路与大距油路相通。从液压泵来的高压油进入大距油路流向执行机构左边的大距油腔，此时大距油腔的油压大于小距油腔的油压，变距活塞右移，同时小距油腔的液压油沿着小距油路通过低压溢流阀流回油池，螺旋桨变大距，随着桨叶角φ的增大，螺旋桨的阻力力矩增大，转速减小，配重转速随之减小，控制活门受到的离心推力减小，控制活门又向下移动，直到转速回到设定数值，控制活门回到原先稳定位置，大距油路与高压油路不再相通，螺旋桨桨叶角φ不再增大，螺旋桨转速保持稳定。反之，当发动机功率小于负载时，转速减小，控制活门向下移动，回油路与大距油路相通，由于小距油腔油压大于此时大距油腔油压，大距油腔中液压油回油路回到油池，变距活塞向左移动，螺旋桨桨叶角φ变小距，同理转速增大，直到回到原先设定转速保持稳定。

2 液压调速器基本结构建模

2.1 调速器动力学数学模型

图5所示为调速器动力学数学模型。以配重块-控制活门组件-弹簧为对象，对它进行垂直方向的受力分析得(忽略重力)：

(1)

图5 调速器系统力学模型

式中：FT为单个配重对控制活门的作用力；k为调速器弹簧的弹性系数；u为平衡状态下调速器弹簧预压缩量，mm；x为控制活门相对于平衡位置的位移，mm；Ff为液动力；m1为控制活门质量。

配重模型是由2个配重块组成。配重块是螺旋桨调速器速度感应元件，其主要作用为通过离心作用将转速转变为向上的推力。调速器运行时，作用在单个配重块的离心力FR为

FR=mRω2

(2)

式中：m为单个配重块质量；R为飞块质心到飞块支架旋转轴的距离；ω为飞块角速度。

根据杠杆定律，得单个配重块提供的向上推力FT为

FT=CFR

(3)

式中：C为杠杆比，C=Y/L，L为配重块与控制活门接触点到配重块自身旋转轴的距离，Y为配重块质心到配重块自身旋转轴的距离。

联立式(3)(4)，并结合配重块转速与配重块角速度的关系，可得：

(4)

式中：n(t)为螺旋桨转速。

2.2 液压调速器AMESim模型的建立

AMESim软件是一个多学科的系统建模仿真工具，该软件拥有3个标准库：机械库、信号控制库和仿真库。目前已经成熟应用于航空航天、车辆、船舶、工程机械等多学科领域，成为包括流体、机械、热分析、电气、电磁以及控制等复杂系统建模和仿真的优选平台[9]。针对调速器基本结构部分进行AMESim建模。

图6 液压调速器基本结构AMESim模型

通过公式推导建立了推力FT与发动机转速的函数关系，在AMESim建模过程中，配重模型由力信号代替，通过电机转速输入，与扰动信号相加，接着经过函数计算和力转变元件输出力信号给控制活门，扰动信号表示运行中的转速波动。

控制活门以及调速器阀体模型由2个带环形截面孔的阀芯、1个质量块构成，该模型左边油口为高压油口，右边为回油口，中间2个为大距油口。最后，控制活门再与弹簧相连。

由于控制活门与调速器阀体间存在间隙，则在AMESim模型中添加泄漏元件，子模型为BAF02，如图7所示。

图7 泄漏模型

在考虑配合间隙下的泄漏问题，其通过泄漏的体积流量(控制活门的偏心率为0)[10]为

(5)

式中：Δp为端口之间的压差；rc为活塞的半径；dp为包络线直径；μ为平均压力下的流体动力黏度；l为接触长度。

图8所示为得到最终添加泄漏后的调速装置AMESim模型，设置间隙大小为0.022 mm，由控制活门的公差得到。

图8 调速器基本结构带泄漏AMESim模型

3 液压系统AMESim建模与动态仿真

3.1 液压系统AMESim模型的建立

图9所示为添加了液压元件的AMESim模型。电机带动液压泵输出高压油，经过单向阀模型和滤油器模型后与调速器基本模型的高压油口相连，另外右边添加一个溢流阀模型控制高压油路油压，再向右经过减压阀模型为小距油路，在减压阀出口添加溢流阀控制小距油路油压，防止执行机构小距油腔压缩导致油压上升。

图9 调速器液压系统AMESim模型

图10所示为添加了执行机构的AMESim模型，螺旋桨调速器的执行机构为螺旋桨桨毂中液压缸机构，通过大距油路、小距油路的液压油控制变距活塞的移动，变距活塞与曲柄连杆机构相连带动螺旋桨桨叶的旋转。由于螺旋桨桨叶过于复杂，文中建模使用单活塞双作用液压缸以及一个质量块模型来模拟螺旋桨桨毂中的液压缸机构运动。

图10 带反馈的调速系统模型

为了更准确地模拟调速装置的功能，还需在AMESim模型中加入反馈机构。在执行机构液压缸处添加位移传感器，输出活塞位移，经过处理换算成转速变化再与输入的转速相减进行反馈。

控制活门的运动控制大距油路的油压，大距油路的油压通过液压缸的位移控制桨叶角实现螺旋桨转速控制，螺旋桨转速n(t)是液压缸位移x1(t)的函数，即：

n(t)=f[x1(t)]

(6)

3.2 动态特性仿真与分析

AMESim模型建好之后，进入Submodel模式选择各元件所需的子模型；接着进入Parameter模式，根据调速器技术参数设置各元件子模型的参数。主要技术参数如表1所示。

表1 螺旋桨调速器主要技术参数

控制活门的运动主要受配重转速即电机的输入转速影响。动态仿真时，输入电机稳定转速为5 670 r/min，仿真时间设为5 s，在仿真2 s后分别设置阶跃信号为0、+100、-100，分析控制活门的运动以及螺旋桨转速的变化情况。

图11所示为3种情况下的控制活门位移曲线。可知：仿真刚开始时系统发生短暂抖动之后保持稳定，在2 s之前输入转速稳定在5 670 r/min，控制活门由于泄漏原因，存在较小的位移；在2 s时，输入的转速产生±100的阶跃值，使输入力信号产生阶跃，从而使得控制活门产生位移响应，并且经过多次振荡后稳定在平衡位置，所需时间为1.15 s，最大控制活门振幅可以达到0.43 mm。

图11 控制活门位移曲线

由图12可知：2 s之前，配重块转速基本稳定在5 670 r/min，控制活门处于平衡状态；在2 s时，转速添加±100的阶跃信号，控制活门立即产生位移，由于位移的反馈，输入转速立即减小，并经1.15 s趋近于原先平衡位置，而配重块转速经1 s左右也恢复到5 670 r/min。

图12 配重块转速变化曲线

由动态仿真结果可知，调速器虽然能够完成调速动作，但是调速过程中振荡幅度比较大，次数也较多，完成动作所需时间较长，没有达到理想状态，需要进一步优化。

4 动态特性参数影响分析

调速器关键元件主要有控制活门、配重以及弹簧，其各参数对调速器响应的准确性及快速性等性能具有重要影响。下面将对关键元件的相关参数进行变量分析，参数主要包括控制活门质量、配重质量以及弹簧刚度，在控制其他参数不变的情况下分别改变其中一种参数，通过控制活门位移曲线来分析其对调速器性能的影响并进行优化，使调速器能够更好地满足发动机、螺旋桨的调速要求[11]。

4.1 控制活门质量参数单因素影响

设计时不改变液压系统的压力、流量以及控制活门出入口的通径尺寸，在维持控制活门尺寸基本不变的前提下，控制活门的质量变动范围假设最多控制在±20 g以内，即控制活门质量在80～120 g内分别设定不同的数值，其他参数仍然按表1设定，得到不同控制活门质量下控制活门的位移曲线，如图13所示。可知：在变动范围内控制活门的质量越大，其控制活门位移的振幅越大，振荡次数不断增加，但控制活门质量的大小对调速器系统重新达到平衡状态的时间基本没有什么影响。

图13 不同控制活门质量时控制活门位移曲线

4.2 配重质量参数单因素影响

同样地，考虑到配重的尺寸以及材料基本不变，但由于它是实心结构，质量可调整的范围可以适当取大一些，将配重质量变动范围控制在±5 g之内，因此在10～20 g内分别设定不同的配重质量进行仿真，其他参数按表1设定，得到不同配重质量下控制活门的位移曲线，如图14所示。可知：在变动范围内，配重质量越大，控制活门位移的振幅越大、振荡次数越多，但配重质量的大小对调速器系统重新达到平衡状态的时间基本没有什么影响。

图14 不同配重质量时控制活门位移曲线

4.3 弹簧刚度参数单因素影响

保持其他参数不变，分别设定弹簧刚度9～45 kN/m进行仿真，图15所示为不同弹簧刚度下控制活门的位移曲线。可知：在9～45 kN/m内，随着弹簧刚度增大，控制活门位移的振幅度逐渐减少，振荡次数不断减少，但是达到平衡所需时间逐渐增大。这说明可以找到合适的弹簧刚度值，保证调速器在工作状态中保持稳定性的同时，满足较快的响应速度。

图15 不同弹簧刚度时控制活门位移曲线

4.4 参数多因素影响分析

调速器性能主要通过3个指标来衡量，分别为：振荡幅度与次数、重新达到平衡状态所需时间。振荡幅度越小、次数越少，则调速器稳定性能越好；调速器在转速改变时重新达到平衡位置所需时间越短，则调速器的响应速度越好。根据实际使用经验，为保证液压系统的压力和流量，在转速变化±100 r/min时，所需的控制活门最大振幅不得高于0.5 mm，调速器在转速改变时重新达到平衡位置所需时间最好维持在2 s及以内，以实现调速器对转速的敏感性。

通过上述分析单因素对动态性能的影响可知，改变控制活门质量对调速器达到平衡状态所需时间没有影响，但质量越大，调速器重新达到平衡状态过程中，控制活门位移的振幅越大，振荡次数不断增加，故可以优选控制活门的质量为80 g。

弹簧刚度对振幅与次数影响最大，其次为配重质量，控制活门质量影响最小。而配重质量较大时，控制活门质量对调速器重新达到平衡位置所需时间几乎没有影响。所以进行参数优化时，采用的方法是：(1)控制活门质量设定为80 g不变，预设定配重质量为10 g，改变弹簧刚度进行动态仿真；(2)筛选出1组既能达到控制活门位移振幅要求，并且振荡次数相对较小的参数；(3)依次增大配重质量至12、14、16、18、20 g，重复仿真，筛选出另外5组优化后的参数；(4)对6组参数进行比较，最终得到最优的1组设计参数。

图16所示为6组参数的仿真结果。综合考虑控制活门振荡幅度与次数以及调速器重新达到平衡状态所需时间，最终选定配重质量为16 g，弹簧刚度为 21 kN/m 时，既达到了控制活门位移振幅小于0.5 mm的要求，又满足了响应时间小于2 s，并且其振荡幅度及次数也为最小，说明此时的参数选择最优。

图16 优化后控制活门位移曲线(变配重质量和变弹簧刚度)

5 液压调速器参数设计优化

根据上述3个参数对调速器性能的影响分析，得到优化前后具体参数如表2所示。

表2 优化前后主要技术参数

仿真时同样输入稳定转速为5 670 r/min，仿真时间为5 s，在运行2 s后分别设扰动信号为0、+100、-100。

图17所示为控制活门位移曲线。通过优化前后的位移曲线对比，当转速发生阶跃时，调速器重新达到平衡状态所需时间为1.36 s，控制活门位移最大振幅仅为0.22 mm，并且调速器在重新达到平衡状态过程中的振荡次数也大幅度减少。相比优化前，其位移振荡幅度减少了0.21 mm，并且振荡次数明显减少，响应速度则小幅度放缓，时间增加了0.21 s，但仍满足工作要求。