發(fā)布時(shí)間：2016-07-11 08:48

第 1 章 緒論

1.1 研究課題及研究意義
飛機(jī)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(jī)在空中飛行遇到故障時(shí)無(wú)法停機(jī)檢修，如果無(wú)法安全降落，就會(huì)造成機(jī)毀人亡，生命和財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重，所以飛機(jī)元器件的可靠性對(duì)飛機(jī)安全可靠地運(yùn)行起著重要的作用[1-2]。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)所有元器件中最重要的核心部件，是飛機(jī)的動(dòng)力之源，決定著飛機(jī)的各種飛行動(dòng)作，而燃油總管是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，所以燃油總管的性能指標(biāo)以及合格與否直接影響著飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)乃至飛機(jī)的運(yùn)行可靠性與否，其重要性不言而喻[3-5]。正因?yàn)槿加涂偣芎苤匾�，所以燃油總管裝機(jī)之前，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)之后，或者發(fā)動(dòng)機(jī)檢修后都需要對(duì)燃油總管進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)，只有嚴(yán)格的檢驗(yàn)檢測(cè)才能確保發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量可靠，保障飛機(jī)的飛行安全。因此燃油總管試驗(yàn)器是發(fā)動(dòng)機(jī)研制和制造過(guò)程中必不可少試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)制造有重要影響[6]。另外產(chǎn)品的可靠性是測(cè)試出來(lái)的，試驗(yàn)器的測(cè)試精度和準(zhǔn)確性是高性能高品質(zhì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的最有力保障。先進(jìn)的燃油總管試驗(yàn)的研制能夠提高大流量燃油總管的測(cè)試效率和精度，解放試驗(yàn)人員繁瑣的操作流程，保障生產(chǎn)進(jìn)度，是完成生產(chǎn)計(jì)劃的基本保障[7-9]。綜上所述，燃油總管試驗(yàn)器是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)制造、維修保養(yǎng)的重要保障，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制具有重要作用。燃油總管試驗(yàn)器主要測(cè)量燃油總管上各個(gè)噴嘴的流量，并計(jì)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(duì)燃油總管進(jìn)行測(cè)試，直至不均勻度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。另外燃油總管還需要進(jìn)行打壓試驗(yàn)，用于檢測(cè)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(yàn)器是專門檢測(cè)流量較大的燃油總管的試驗(yàn)器，是大型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)維修的必備試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)大型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制具有重要作用，所以該研究具有重要的實(shí)際價(jià)值和意義。
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1.2 國(guó)內(nèi)外燃油總管試驗(yàn)器研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用試驗(yàn)器的研制和應(yīng)用大致可以分為兩個(gè)時(shí)期，2000 年以前引進(jìn)或仿制前蘇聯(lián)試的驗(yàn)設(shè)備時(shí)期，此時(shí)的試驗(yàn)器多為手動(dòng)操作，自動(dòng)化程度低，技術(shù)落后，測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性差，數(shù)據(jù)分析處理能力也很差，自動(dòng)化信息化水平與國(guó)外同類設(shè)備相比差距很大，未進(jìn)行技術(shù)改造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)所使用的試驗(yàn)器多處于這個(gè)階段[12]。技術(shù)改造與引進(jìn)時(shí)期，2000 年以后部分航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)開(kāi)始進(jìn)行技術(shù)改造，引進(jìn)或者自主研發(fā)一些自動(dòng)化程度較高的試驗(yàn)器設(shè)備，這個(gè)階段的試驗(yàn)器多采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)采集處理自動(dòng)化程度較高。其中引進(jìn)的試驗(yàn)器技術(shù)先進(jìn)價(jià)格昂貴數(shù)量不多；自主研發(fā)的試驗(yàn)器在測(cè)量精度、自動(dòng)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(wú)法滿足新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的測(cè)試工作。隨著我國(guó)航空工業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，新型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)需求越來(lái)越多，而以前的試驗(yàn)設(shè)備因工作范圍、檢測(cè)精度有限，無(wú)法滿足實(shí)際研發(fā)生產(chǎn)需求，迫切需要進(jìn)行技術(shù)改造更新?lián)Q代，以滿足新機(jī)型的研發(fā)生產(chǎn)需求[13-15]。燃油總管試驗(yàn)器主要用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油總管試驗(yàn)測(cè)試，應(yīng)用場(chǎng)合比較單一固定，更新?lián)Q代和技術(shù)升級(jí)比較緩慢。且一款發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)生產(chǎn)周期往往較長(zhǎng)，產(chǎn)量有限，與之配套的燃油總管試驗(yàn)器往往也是專機(jī)專用，一種燃油總管試驗(yàn)器往往配套一種發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)維修。由于我國(guó)研發(fā)制造的發(fā)動(dòng)機(jī)種類較少，所以相應(yīng)的燃油總管試驗(yàn)器種類也很少，因此燃油總管試驗(yàn)器往往無(wú)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(zhǎng)，使得少有公司企業(yè)涉足對(duì)其進(jìn)行深入持久地研究[16]。以上多種原因?qū)е聡?guó)內(nèi)現(xiàn)有的燃油總管試驗(yàn)器不少還是很傳統(tǒng)的手動(dòng)操作模式，即使有部分新研制的燃油總管試驗(yàn)器實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作，其自動(dòng)化水平和程度也較低，測(cè)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(yàn)器總體方案研究

2.1 試驗(yàn)器技術(shù)指標(biāo)及總體方案確定
本課題所研究的大流量燃油總管試驗(yàn)器是專門用于大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油總管的流量特性測(cè)試和耐壓性能測(cè)試的平臺(tái)，流量特性測(cè)試包括總管流量測(cè)量和各個(gè)噴嘴流量測(cè)量，并計(jì)算燃油總管的流量分布不均勻度；耐壓性能測(cè)試主要是對(duì)燃油總管進(jìn)行打壓試驗(yàn)，以檢驗(yàn)燃油總管的密封性。要求試驗(yàn)器適應(yīng)性強(qiáng)，能夠測(cè)試多種型號(hào)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(yàn)器測(cè)量具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠采集保存總管流量以及每個(gè)噴嘴的噴油流量，并計(jì)算各個(gè)噴嘴的噴油分布不均勻度，并將測(cè)量計(jì)算的數(shù)據(jù)要保存到報(bào)表里并打印出來(lái)，報(bào)表顯示內(nèi)容全面，方便查找和處理。試驗(yàn)器技術(shù)指標(biāo)如下：由試驗(yàn)器的功能和技術(shù)指標(biāo)可知，試驗(yàn)器要具備高控制精度、高測(cè)量精度、高自動(dòng)化程度和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)還要具備節(jié)能、故障診斷和自動(dòng)報(bào)警等功能。試驗(yàn)器的主要功能是測(cè)量燃油總管的各個(gè)噴嘴的噴油流量，并根據(jù)各個(gè)噴嘴的噴油流量計(jì)算出燃油總管的流量分布不均勻度，所以試驗(yàn)器測(cè)量精度和可靠性完全取決于噴嘴流量的控制與測(cè)量精度。由于燃油總管相當(dāng)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(huì)隨著供油壓力的變化而變化，從而影響試驗(yàn)器的測(cè)量精度，為了提高試驗(yàn)器的測(cè)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(yàn)臺(tái)的最主要控制參數(shù)[24-25]。
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2.2 試驗(yàn)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(jì)是根據(jù)控制對(duì)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(jì)性、供貨情況等諸多因素綜合考慮，進(jìn)行全面綜合的分析設(shè)計(jì)，最終確定一個(gè)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(jì)，首先明確系統(tǒng)控制變量及其控制要求，本試驗(yàn)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(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種控制方式，由于本試驗(yàn)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(dòng)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(dòng)剛度大的場(chǎng)合。閥控系統(tǒng)動(dòng)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(jiǎn)單、參數(shù)變化大、控制精度高而不計(jì)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(yàn)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(jiǎn)單價(jià)格低，可控性好�？勺円簤涸从泻愎β首兞勘�、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(jià)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(duì)較小，使用變量泵也得兩臺(tái)以上；如果使用兩臺(tái)變量泵，不如直接使用一大一小兩個(gè)定量泵，在不同的壓力點(diǎn)開(kāi)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(yàn)器的液壓源采用定量泵供油。第四，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行具體的研究，設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)系統(tǒng)動(dòng)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(shí)驗(yàn)臺(tái)主要功能是在穩(wěn)定的壓力下測(cè)量燃油總管的流量特性，測(cè)試是在固定的壓力下進(jìn)行的，因此最主要的控制目標(biāo)是系統(tǒng)的壓力及壓力穩(wěn)定性。所以試驗(yàn)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(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行校正以提高其動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，分析外界干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，以及液壓管道對(duì)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(hào)可表示為不同頻率正弦信號(hào)合成，控制系統(tǒng)的頻率特性反映正弦信號(hào)作用下系統(tǒng)響應(yīng)的性能。通過(guò)分析不同頻率正弦波輸入時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)來(lái)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(shí)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(shí)域與在頻率對(duì)系統(tǒng)的研究與分析。根據(jù) 3.1.7 節(jié)所建立的試驗(yàn)器壓力控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)壓力控制系統(tǒng)進(jìn)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(duì)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(guò) 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(duì)大流量燃油總管試驗(yàn)器的研究設(shè)計(jì)，并對(duì)試驗(yàn)器壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，并對(duì)干擾和液壓管道對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響做了對(duì)比分析研究。首先簡(jiǎn)單介紹了試驗(yàn)器中使用的電液比例控制技術(shù)的特點(diǎn)以及發(fā)展情況，在詳細(xì)地分析研究試驗(yàn)器功能要求的基礎(chǔ)上研究設(shè)計(jì)了試驗(yàn)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(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)關(guān)鍵液壓元器件進(jìn)行選型和計(jì)算。對(duì)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(jìn)行詳細(xì)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(kù)建立比例方向閥的仿真模型，并搭建試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)比例方向閥進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并把仿真試驗(yàn)結(jié)果與樣本曲線對(duì)比以此來(lái)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(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行的各個(gè)元器件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后檢驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)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(dòng)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(shí)間和頻率特性并不好，需要進(jìn)行校正。最后對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行 PID 校正，校正后液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到大幅度的改善。同時(shí)又仿真了干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的影響，著重對(duì)比仿真了顫振信號(hào)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。還仿真了管道的直徑和長(zhǎng)度對(duì)液壓系統(tǒng)頻率特性的影響。經(jīng)過(guò)全文的分析研究以及工程實(shí)際，可以得到如下的一些結(jié)論：（1）整個(gè)試驗(yàn)器液壓系統(tǒng)仿真表明試驗(yàn)器的壓力控制穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都很好，響應(yīng)速度也很快，表明試驗(yàn)器液壓系統(tǒng)原理和方案設(shè)計(jì)正確，液壓元器件選型合理可行。（2）試驗(yàn)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(yàn)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(xiàng)通道添加了 PID 校正后，對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)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(dòng)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(xiàn)(略)

本文編號(hào)：68783