發(fā)布時間：2016-07-11 08:48

第 1 章 緒論

1.1 研究課題及研究意義
飛機是空中高速飛行的大型設(shè)備，技術(shù)復(fù)雜成本昂貴，飛機在空中飛行遇到故障時無法停機檢修，如果無法安全降落，就會造成機毀人亡，生命和財產(chǎn)損失嚴重，所以飛機元器件的可靠性對飛機安全可靠地運行起著重要的作用[1-2]。飛機發(fā)動機是飛機所有元器件中最重要的核心部件，是飛機的動力之源，決定著飛機的各種飛行動作，而燃油總管是飛機發(fā)動機的核心部件之一，所以燃油總管的性能指標以及合格與否直接影響著飛機發(fā)動機乃至飛機的運行可靠性與否，其重要性不言而喻[3-5]。正因為燃油總管很重要，所以燃油總管裝機之前，發(fā)動機點火試驗之后，或者發(fā)動機檢修后都需要對燃油總管進行檢驗檢測，只有嚴格的檢驗檢測才能確保發(fā)動機質(zhì)量可靠，保障飛機的飛行安全。因此燃油總管試驗器是發(fā)動機研制和制造過程中必不可少試驗設(shè)備，對發(fā)動機的生產(chǎn)制造有重要影響[6]。另外產(chǎn)品的可靠性是測試出來的，試驗器的測試精度和準確性是高性能高品質(zhì)的航空發(fā)動機研制的最有力保障。先進的燃油總管試驗的研制能夠提高大流量燃油總管的測試效率和精度，解放試驗人員繁瑣的操作流程，保障生產(chǎn)進度，是完成生產(chǎn)計劃的基本保障[7-9]。綜上所述，燃油總管試驗器是發(fā)動機研發(fā)、生產(chǎn)制造、維修保養(yǎng)的重要保障，對發(fā)動機的研制具有重要作用。燃油總管試驗器主要測量燃油總管上各個噴嘴的流量，并計算出燃油總管的流量分布不均勻度，如若燃油總管的流量分布不均勻度太大，則需調(diào)整更換燃油總管，調(diào)整之后還需要對燃油總管進行測試，直至不均勻度達到標準。另外燃油總管還需要進行打壓試驗，用于檢測燃油總管的裝配性能[10]。本課題研究的大流量燃油總管試驗器是專門檢測流量較大的燃油總管的試驗器，是大型飛機發(fā)動機的研發(fā)生產(chǎn)維修的必備試驗設(shè)備，對大型飛機發(fā)動機的研制具有重要作用，所以該研究具有重要的實際價值和意義。
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1.2 國內(nèi)外燃油總管試驗器研究現(xiàn)狀
國內(nèi)航空發(fā)動機用試驗器的研制和應(yīng)用大致可以分為兩個時期，2000 年以前引進或仿制前蘇聯(lián)試的驗設(shè)備時期，此時的試驗器多為手動操作，自動化程度低，技術(shù)落后，測量準確性和穩(wěn)定性差，數(shù)據(jù)分析處理能力也很差，自動化信息化水平與國外同類設(shè)備相比差距很大，未進行技術(shù)改造的航空發(fā)動機企業(yè)所使用的試驗器多處于這個階段[12]。技術(shù)改造與引進時期，2000 年以后部分航空發(fā)動機企業(yè)開始進行技術(shù)改造，引進或者自主研發(fā)一些自動化程度較高的試驗器設(shè)備，這個階段的試驗器多采用計算機進行控制，數(shù)據(jù)采集處理自動化程度較高。其中引進的試驗器技術(shù)先進價格昂貴數(shù)量不多；自主研發(fā)的試驗器在測量精度、自動化程度、操作便捷性、功能多樣性等方面都有或多或少的不足，而且其工作范圍有限，種類有限，適應(yīng)性差，無法滿足新產(chǎn)品開發(fā)的測試工作。隨著我國航空工業(yè)的不斷發(fā)展進步，新型號發(fā)動機的研發(fā)生產(chǎn)需求越來越多，而以前的試驗設(shè)備因工作范圍、檢測精度有限，無法滿足實際研發(fā)生產(chǎn)需求，迫切需要進行技術(shù)改造更新?lián)Q代，以滿足新機型的研發(fā)生產(chǎn)需求[13-15]。燃油總管試驗器主要用于飛機發(fā)動機的燃油總管試驗測試，應(yīng)用場合比較單一固定，更新?lián)Q代和技術(shù)升級比較緩慢。且一款發(fā)動機研發(fā)生產(chǎn)周期往往較長，產(chǎn)量有限，與之配套的燃油總管試驗器往往也是專機專用，一種燃油總管試驗器往往配套一種發(fā)動機的研發(fā)生產(chǎn)維修。由于我國研發(fā)制造的發(fā)動機種類較少，所以相應(yīng)的燃油總管試驗器種類也很少，因此燃油總管試驗器往往無法跟上相關(guān)技術(shù)的發(fā)展主流。另外由于其應(yīng)用領(lǐng)域狹窄、數(shù)量有限和更新?lián)Q代周期長，使得少有公司企業(yè)涉足對其進行深入持久地研究[16]。以上多種原因?qū)е聡鴥?nèi)現(xiàn)有的燃油總管試驗器不少還是很傳統(tǒng)的手動操作模式，即使有部分新研制的燃油總管試驗器實現(xiàn)了自動化操作，其自動化水平和程度也較低，測量范圍有限，操作方便性和效率都不高。
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第 2 章 試驗器總體方案研究

2.1 試驗器技術(shù)指標及總體方案確定
本課題所研究的大流量燃油總管試驗器是專門用于大型航空發(fā)動機燃油總管的流量特性測試和耐壓性能測試的平臺，流量特性測試包括總管流量測量和各個噴嘴流量測量，并計算燃油總管的流量分布不均勻度；耐壓性能測試主要是對燃油總管進行打壓試驗，以檢驗燃油總管的密封性。要求試驗器適應(yīng)性強，能夠測試多種型號的燃油總管。燃油總管的供油壓力和供油溫度能夠連續(xù)控制可調(diào)，并且能夠穩(wěn)定在一定的精度范圍內(nèi)。燃油總管試驗器測量具備強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠采集保存總管流量以及每個噴嘴的噴油流量，并計算各個噴嘴的噴油分布不均勻度，并將測量計算的數(shù)據(jù)要保存到報表里并打印出來，報表顯示內(nèi)容全面，方便查找和處理。試驗器技術(shù)指標如下：由試驗器的功能和技術(shù)指標可知，試驗器要具備高控制精度、高測量精度、高自動化程度和強大的數(shù)據(jù)處理能力，同時還要具備節(jié)能、故障診斷和自動報警等功能。試驗器的主要功能是測量燃油總管的各個噴嘴的噴油流量，并根據(jù)各個噴嘴的噴油流量計算出燃油總管的流量分布不均勻度，所以試驗器測量精度和可靠性完全取決于噴嘴流量的控制與測量精度。由于燃油總管相當于節(jié)流孔，由節(jié)流孔流量公式可知燃油總管的供油壓力與流量為函數(shù)關(guān)系，噴嘴的噴油流量會隨著供油壓力的變化而變化，從而影響試驗器的測量精度，為了提高試驗器的測量精度必須為燃油總管的提供壓力穩(wěn)定的高壓燃油，供油壓力是試驗臺的最主要控制參數(shù)[24-25]。
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2.2 試驗器液壓控制系統(tǒng)方案研究
液壓控制系統(tǒng)的方案的設(shè)計是根據(jù)控制對象工作要求、液壓技術(shù)和系統(tǒng)的工作條件和環(huán)境以及成本、經(jīng)濟性、供貨情況等諸多因素綜合考慮，進行全面綜合的分析設(shè)計，最終確定一個各方面都比較合理可行的液壓控制系統(tǒng)方案[1-2]。液壓控制系統(tǒng)方案設(shè)計，首先明確系統(tǒng)控制變量及其控制要求，本試驗器主要控制變量是燃油總管的前端壓力，壓力控制精度高且控制壓力可連續(xù)調(diào)節(jié)。其次，選擇液壓系統(tǒng)控制方式，液壓系統(tǒng)有開環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，由于本試驗器壓力控制精度高，，所以選用閉環(huán)控制。閉環(huán)控制一般采用電液比例/伺服控制系統(tǒng)，電液比例/伺服控制系統(tǒng)又分為閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)兩種形式。泵控系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)較差，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高，常用于功率大、效率高、傳動剛度大的場合。閥控系統(tǒng)動作迅速靈敏，因此凡要求系統(tǒng)頻帶寬、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)變化大、控制精度高而不計效率低、發(fā)熱量大的中小功率系統(tǒng)都可采用閥控形式。本試驗器壓力控制精度高、參數(shù)變化大，所以采用閥控電液比例/伺服系統(tǒng)。第三，初步確定液壓源，液壓源分為固定液壓源和可變液壓源。固定液壓源主要有恒流源和和恒壓源兩種，其輸出壓力或者流量恒定，結(jié)構(gòu)簡單價格低，可控性好。可變液壓源有恒功率變量泵、恒流量變量泵和恒壓力變量泵，其輸出功率、壓力或者流量能夠隨著載荷的變化而變化，功率損失少，系統(tǒng)效率高，但是變量泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜價格貴，控制復(fù)雜。由于液壓系統(tǒng)流量很大，工作介質(zhì)特殊，大排量且可用于航空煤油的變量泵生產(chǎn)廠家少，所以不適合選用變量液壓源。由于變量泵排量相對較小，使用變量泵也得兩臺以上；如果使用兩臺變量泵，不如直接使用一大一小兩個定量泵，在不同的壓力點開啟不同的液壓泵，這樣即可以降低成本，又能節(jié)約能源，降低發(fā)熱。因此試驗器的液壓源采用定量泵供油。第四，對液壓系統(tǒng)進行具體的研究，設(shè)計液壓原理圖，選型確定主要元器件和輔助液壓元器件。
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第 3 章 電液比例壓力控制系統(tǒng)建模........31
3.1 電液比例壓力控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立..........31
3.2 電液比例壓力控制系統(tǒng) AMESim 模型建立........35
3.3 電液比例壓力控制系統(tǒng) AMESim 模型的參數(shù)確定..........43
3.3.1 單向閥的仿真模型參數(shù)確定..........43
3.3.2 其他元器件模型參數(shù)確定......46
第 4 章 電液比例壓力控制系統(tǒng)仿真分析........47
4.1 壓力控制系統(tǒng)頻率響應(yīng)分析......47
4.2 壓力控制系統(tǒng)時間響應(yīng)分析......48
4.3 液壓系統(tǒng)的誤差分析..........49
4.4 壓力控制系統(tǒng) PID 校正......50
4.5 壓力控制系統(tǒng)抗干擾能力仿真分析..........52
4.6 管道對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響分析......55
第 5 章 結(jié)論........58

第 4 章 電液比例壓力控制系統(tǒng)仿真分析

本實驗臺主要功能是在穩(wěn)定的壓力下測量燃油總管的流量特性，測試是在固定的壓力下進行的，因此最主要的控制目標是系統(tǒng)的壓力及壓力穩(wěn)定性。所以試驗器壓力控制系統(tǒng)仿真主要分析系統(tǒng)的頻率特性、系統(tǒng)的壓力階躍響應(yīng)和誤差分析，然后對控制系統(tǒng)進行校正以提高其動態(tài)特性指標，分析外界干擾對系統(tǒng)的影響，以及液壓管道對系統(tǒng)壓力控制特性的影響。

4.1 壓力控制系統(tǒng)頻率響應(yīng)分析

控制系統(tǒng)中的信號可表示為不同頻率正弦信號合成，控制系統(tǒng)的頻率特性反映正弦信號作用下系統(tǒng)響應(yīng)的性能。通過分析不同頻率正弦波輸入時系統(tǒng)的響應(yīng)來考察系統(tǒng)性能的方法稱為頻率分析法。頻率特性分析可建立起系統(tǒng)的時間響應(yīng)與其頻率特性之間的直接關(guān)系，而且可溝通在時域與在頻率對系統(tǒng)的研究與分析。根據(jù) 3.1.7 節(jié)所建立的試驗器壓力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對壓力控制系統(tǒng)進行頻率特性仿真，壓力控制系統(tǒng)的伯德圖如圖 4.1 所示。從圖 4.1 中可以看出，幅值特性曲線的最大值為 14.3dB，其穿越頻率為 118Hz，穿越頻率對應(yīng)的相位角為 150°>180°，相位裕度為 30°；另外系統(tǒng)的相位滯后最大值不超過 180°，所以壓力控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，壓力可以控制。

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結(jié)論

本篇論文研究了對大流量燃油總管試驗器的研究設(shè)計，并對試驗器壓力控制系統(tǒng)進行了建模仿真，并對干擾和液壓管道對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響做了對比分析研究。首先簡單介紹了試驗器中使用的電液比例控制技術(shù)的特點以及發(fā)展情況，在詳細地分析研究試驗器功能要求的基礎(chǔ)上研究設(shè)計了試驗器的液壓系統(tǒng)、電氣控制及軟件系統(tǒng)、燃油總管的裝夾測量系統(tǒng)，并對關(guān)鍵液壓元器件進行選型和計算。對采用比例方向閥雙通道的接法控制系統(tǒng)的壓力的方案進行詳細地分析研究。建立了液壓系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，采用 AMESim 的 HCD 研究庫建立比例方向閥的仿真模型，并搭建試驗?zāi)Ｐ蛯Ρ壤较蜷y進行仿真試驗，并把仿真試驗結(jié)果與樣本曲線對比以此來調(diào)整確定最佳的仿真模型參數(shù)。然后建立系統(tǒng)的仿真模型，系統(tǒng)仿真模型建立以后，首先對系統(tǒng)模型進行的各個元器件進行參數(shù)設(shè)置，然后檢驗系統(tǒng)對于壓力的階躍響應(yīng)特性，階躍響應(yīng)誤差曲線，以及系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。液壓系統(tǒng)基本動態(tài)特性仿真表明所建液壓系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但是響應(yīng)時間和頻率特性并不好，需要進行校正。最后對液壓系統(tǒng)進行 PID 校正，校正后液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性得到大幅度的改善。同時又仿真了干擾信號對系統(tǒng)的動態(tài)特性的影響，著重對比仿真了顫振信號對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。還仿真了管道的直徑和長度對液壓系統(tǒng)頻率特性的影響。經(jīng)過全文的分析研究以及工程實際，可以得到如下的一些結(jié)論：（1）整個試驗器液壓系統(tǒng)仿真表明試驗器的壓力控制穩(wěn)定性和準確性都很好，響應(yīng)速度也很快，表明試驗器液壓系統(tǒng)原理和方案設(shè)計正確，液壓元器件選型合理可行。（2）試驗器的比例方向閥旁路節(jié)流控制系統(tǒng)壓力的模型創(chuàng)建合理可行，滿足仿真需求。（3）仿真結(jié)果表明試驗器壓力控制系統(tǒng)穩(wěn)定，壓力控制穩(wěn)定。（4）在系統(tǒng)的前項通道添加了 PID 校正后，對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行仿真后發(fā)現(xiàn)，校正后的系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差大幅減少，系統(tǒng)的動態(tài)特性以及靜態(tài)特性得到了一定程度的改善。
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參考文獻(略)

本文編號：68783