基于流體邏輯理論的某活塞泵邏輯特性分析

朱建國(guó)，曾維亮，董萬(wàn)峰

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100）

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器總體對(duì)推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求也越來(lái)越高，如要求推進(jìn)系統(tǒng)具有重量輕、貯箱壓力低、推力室室壓高及易多次起動(dòng)等；從系統(tǒng)重量、結(jié)構(gòu)尺寸、安全性及可靠性等角度考慮，采用常規(guī)的擠壓式或泵壓式推進(jìn)系統(tǒng)都難以滿(mǎn)足相應(yīng)的指標(biāo)要求。

活塞泵增壓推進(jìn)系統(tǒng)是介于常規(guī)擠壓式與泵壓式推進(jìn)系統(tǒng)之間的一種新型推進(jìn)系統(tǒng)。與渦輪泵增壓系統(tǒng)相比，其重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠及無(wú)起動(dòng)次數(shù)限制；與擠壓式系統(tǒng)相比，在40 kN推力以下，由于貯箱壓力低、推力室室壓高，且不需要高壓氣瓶等裝置，在系統(tǒng)質(zhì)量方面占有一定優(yōu)勢(shì)。活塞泵作為該新型推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件之一，其研制工作即成為該型系統(tǒng)研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，世界上僅有美國(guó)[1-4]和烏克蘭[5]成功研制了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)活塞泵，并達(dá)到了應(yīng)用階段。由于該系統(tǒng)具有高性能、輕質(zhì)化、小型化等潛在優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)我國(guó)當(dāng)前航天技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用需求，急需開(kāi)展液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)活塞泵的探索研究工作。

活塞泵是采用全氣動(dòng)機(jī)械閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)多缸連續(xù)交替動(dòng)作的，其工作可靠性取決于全氣動(dòng)機(jī)械閉環(huán)控制回路的可靠性。在前期探索研制中出現(xiàn)了自鎖的故障模式，即活塞泵多缸互鎖，為了分析原因、提出改進(jìn)，本文將對(duì)活塞泵控制氣路進(jìn)行邏輯特性分析。

1 活塞泵工作原理

活塞泵主要由液缸、止回閥、氣缸、控制閥及導(dǎo)管連接件等組成，如圖1所示。其工作原理如下：活塞泵工作前，在液路入口壓力的作用下，進(jìn)液止回閥打開(kāi)，推進(jìn)劑填滿(mǎn)4個(gè)液缸。氣路供以高壓氣體并打開(kāi)下游排液控制閥后，活塞泵便逐步循環(huán)工作。由于換向閥A和C為常開(kāi)結(jié)構(gòu)，故與其相連的氣缸A和C首先進(jìn)氣，高壓氣體推動(dòng)活塞A和C進(jìn)入排液沖程，液缸A和C排出高壓液體。同時(shí)，一部分氣體經(jīng)滑閥C進(jìn)入換向閥B和D的控制腔室，使其進(jìn)氣閥口關(guān)閉。當(dāng)活塞A和C運(yùn)動(dòng)至行程端部時(shí)，滑閥C換向，換向閥B和D控制腔室內(nèi)的氣體從滑閥口排出，換向閥B和D換向，其進(jìn)氣閥口打開(kāi)，高壓氣體進(jìn)入氣缸B和D，即而推動(dòng)活塞B和D進(jìn)入排液沖程。同時(shí)，一部分氣體經(jīng)滑閥D進(jìn)入換向閥A和C的控制腔室，閥芯換向，進(jìn)氣閥口關(guān)閉、排氣閥口打開(kāi)，氣缸A和C開(kāi)始排氣，當(dāng)氣缸A和C中的壓力降低至一定值時(shí)，在液體進(jìn)口壓力作用下進(jìn)入充液回程。當(dāng)活塞B和D運(yùn)動(dòng)至行程端部時(shí)，又會(huì)進(jìn)入同樣的換向過(guò)程，如此交替工作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)排液。

2 流體邏輯理論簡(jiǎn)介

流體邏輯理論[6]是研究如何將流體控制元件相互連接起來(lái)以滿(mǎn)足給定的邏輯要求，達(dá)到自動(dòng)控制各種機(jī)械結(jié)構(gòu)的目的，這就是所謂的流體邏輯設(shè)計(jì)；另外，也可以用于流體元件的功能識(shí)別[7]和驗(yàn)證已設(shè)計(jì)出的流體控制系統(tǒng)方案的可行性。它的基礎(chǔ)理論體系來(lái)源于邏輯數(shù)學(xué)，因此流體邏輯就是利用邏輯函數(shù)有規(guī)則地表示邏輯要求的一種方法，流體邏輯問(wèn)題的解決主要依賴(lài)于布爾代數(shù)。

2.1 流體邏輯描述

邏輯設(shè)計(jì)和分析首先要提出預(yù)期的機(jī)器操作程序，清晰地描述在激發(fā)每個(gè)輸出之前的條件。由于涉及回路的復(fù)雜性，用來(lái)描述邏輯系統(tǒng)要求的格式可能會(huì)有些變化。然而，在各種情況下，無(wú)論哪種描述方法都必須建立輸出信號(hào)邏輯程序。對(duì)于組合邏輯回路來(lái)說(shuō)，其描述格式可能要比時(shí)序型系統(tǒng)簡(jiǎn)單的多，目前主要描述方法有：真值表、時(shí)間表（線(xiàn)狀圖表）、綜合工序表、原始流動(dòng)表、狀態(tài)矩陣、綜合表及邏輯要求表等。

2.2 流體邏輯設(shè)計(jì)

為了形成滿(mǎn)足預(yù)定要求的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)而選擇和連接邏輯元件的過(guò)程稱(chēng)為邏輯設(shè)計(jì)。對(duì)于組合邏輯網(wǎng)絡(luò)，一般采用真值表或卡諾圖就足夠了，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁┫鄬?duì)于各種輸入組合的輸出唯一描述，得出網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化輸出方程（范式），就可以選擇相應(yīng)的邏輯元件來(lái)搭建邏輯網(wǎng)絡(luò)；而時(shí)序邏輯網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中需要引入了“記憶元件”，這樣網(wǎng)絡(luò)就出現(xiàn)了“狀態(tài)”，也就引入了狀態(tài)流動(dòng)、狀態(tài)等價(jià)及狀態(tài)替換等問(wèn)題，故設(shè)計(jì)過(guò)程要復(fù)雜得多。目前，流體邏輯設(shè)計(jì)的主要方法有：一般解法、最小化方法（無(wú)關(guān)項(xiàng)的利用、求補(bǔ)簡(jiǎn)化法、公因子提取法及全能邏輯元件的利用）、經(jīng)典綜合法（狀態(tài)等價(jià)、狀態(tài)替換、運(yùn)動(dòng)流動(dòng)表、激勵(lì)表及激勵(lì)圖）及非經(jīng)典綜合法（變信號(hào)法、全信號(hào)法、狀態(tài)矩陣法、轉(zhuǎn)換表法及狀態(tài)圖法）等。

2.3 流體邏輯分析

在很多情況下，流體控制回路的設(shè)計(jì)采用直觀推理的方法，依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成。但這樣做缺乏邏輯綜合的基礎(chǔ)，一旦流體控制回路設(shè)計(jì)出來(lái)，離開(kāi)了設(shè)計(jì)者要想尋找故障、改良系統(tǒng)就可能很難下手。流體邏輯分析的目的就在于區(qū)分并研究回路的各個(gè)元件，確定元件的函數(shù)關(guān)系式和系統(tǒng)的整套關(guān)系式是否有能力滿(mǎn)足所描述的邏輯要求，可以驗(yàn)證邏輯系統(tǒng)的正確性，也可以揭示故障的原因。

3 活塞泵控制回路邏輯特性分析

活塞泵的邏輯特性主要是研究其氣動(dòng)控制回路的邏輯特性，它是實(shí)現(xiàn)活塞泵多缸協(xié)調(diào)和匹配工作的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。該活塞泵方案在工作中會(huì)出現(xiàn)自鎖的故障模式，而未明確其機(jī)理，故有必要應(yīng)用流體邏輯理論對(duì)控制回路的邏輯特性加以分析。

3.1 邏輯描述

活塞泵氣動(dòng)控制回路簡(jiǎn)圖如圖2所示。圖中各符號(hào)均為邏輯變量，定義如下：

c和d分別為滑閥位置信號(hào)，當(dāng)滑閥C或D運(yùn)動(dòng)至排液行程的端部并越過(guò)換向點(diǎn)時(shí)，c=1或d=1；否則，c=0或d=0。Kc和Kd分別為滑閥出口壓力控制信號(hào)，有壓力輸出時(shí)，Kc=1或Kd=1；否則，Kc=0或Kd=0。p為供氣壓力信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)供氣時(shí)，p=1；否則，p=0。A，B，C及D分別為A缸、B缸、C缸及D缸的壓力信號(hào)，當(dāng)缸內(nèi)有驅(qū)動(dòng)壓力時(shí)，A=1或B=1或C=1或D=1；否則，A=0或B=0或C=0或D=0。

以上賦予了氣動(dòng)控制回路中各變量狀態(tài)或位置含義，為了有效地描述整個(gè)回路的邏輯特點(diǎn)，首先建立各組件布爾表達(dá)式。

因此，可得各缸壓力信號(hào)邏輯表達(dá)式：

3.2 工作時(shí)序分析

就活塞泵控制回路本身來(lái)說(shuō)屬于組合邏輯回路，但活塞泵的工作方式為各缸交替工作，具有階段性，包含了時(shí)間因素，可以用時(shí)間表來(lái)描述問(wèn)題。工作時(shí)序中用二進(jìn)制數(shù)“1”表示“觸發(fā)”或“有壓力信號(hào)”，可以時(shí)刻跟蹤每個(gè)組件動(dòng)作狀態(tài)。這里的“時(shí)間”表示活塞泵循環(huán)的相對(duì)時(shí)間，在表格中每一列給定一個(gè)階段，每一行則給定一個(gè)特定的邏輯狀態(tài)變量。

采用如下規(guī)則制成時(shí)間表（如表1，▲列為換向階段）：

1）假設(shè)循環(huán)的初始狀態(tài)為A和C有壓力值，即A和C缸排液；

2）按照活塞的位移狀態(tài)記下輸入信號(hào)c和d的狀態(tài)；

3）根據(jù)公式 （7）～公式 （10）確定相應(yīng)的輸出；

4）重復(fù)上述步驟2）和3），循環(huán)到事先確定的初始狀態(tài)為止。

表1 活塞泵工作時(shí)序表Tab.1 Operating sequence table of piston pump

由表1可知，在2～3階段氣缸B和D同時(shí)有壓力信號(hào)，在4～1階段氣缸A和C同時(shí)有壓力信號(hào)，所以活塞泵控制回路滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)活塞泵實(shí)現(xiàn)“對(duì)缸同步、鄰缸異步”工作的邏輯要求。

3.3 邏輯冒險(xiǎn)分析

回路邏輯冒險(xiǎn)可以定義為邏輯回路所要求的響應(yīng)在兩種狀態(tài)過(guò)渡階段產(chǎn)生的非預(yù)料動(dòng)作。一般來(lái)說(shuō)，冒險(xiǎn)是由實(shí)際條件不理想造成的，因?yàn)閷?shí)際的動(dòng)力系統(tǒng)或元件遠(yuǎn)不是理想的，它們的響應(yīng)時(shí)間是不可預(yù)料的，這種不可預(yù)料性是產(chǎn)生冒險(xiǎn)問(wèn)題的重要原因。

通常，邏輯網(wǎng)絡(luò)的冒險(xiǎn)問(wèn)題可通過(guò)卡諾圖來(lái)分析，表現(xiàn)為相鄰項(xiàng)間過(guò)渡的問(wèn)題。圖3為活塞泵控制回路工作狀態(tài)卡諾圖，正常工作情況下，邏輯網(wǎng)絡(luò)的輸入有2種，即cd=01或cd=10，輸出在ABCD=1010和ABCD=0101 2種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。但是，若活塞D回程速度過(guò)慢，使得輸入變?yōu)閏d=11，則輸出變?yōu)锳BCD=1111，即4缸全部充滿(mǎn)高壓氣體，出現(xiàn)如圖4所示的自鎖故障模式，故活塞泵控制回路存在冒險(xiǎn)問(wèn)題，工作不可靠。

由以上分析可知，出現(xiàn)自鎖故障的主要原因是控制回路輸入信號(hào)c和d同時(shí)為“1”，即兩滑閥出現(xiàn)了處于相同位置的狀態(tài)，故可以采用單個(gè)滑閥來(lái)保證控制回路兩個(gè)輸入信號(hào)的互異性，使輸出僅在ABCD=1010和ABCD=0101 2種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，避免自鎖故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在介紹某活塞泵工作原理的基礎(chǔ)上，基于流體邏輯理論建立了活塞泵氣動(dòng)控制回路工作時(shí)間表和工作狀態(tài)卡諾圖，通過(guò)邏輯推演分析獲得了其邏輯特性。在工作時(shí)序上，該控制回路能夠驅(qū)動(dòng)活塞泵實(shí)現(xiàn)“對(duì)缸同步、鄰缸異步”的工作方式；而在回路完備性方面，雙滑閥控制方式中出現(xiàn)兩個(gè)滑閥位置狀態(tài)相同時(shí)即會(huì)導(dǎo)致自鎖故障發(fā)生，控制回路不能有效地克服邏輯冒險(xiǎn)問(wèn)題，這也是該活塞泵控制方式出現(xiàn)自鎖故障模式的原因，據(jù)此提出可采用單滑閥來(lái)保證控制回路兩個(gè)輸入信號(hào)的互異性，從而避免邏輯冒險(xiǎn)問(wèn)題。本文在分析、解決工程研制問(wèn)題的同時(shí)，也探討了流體邏輯理論在復(fù)雜流體控制回路特性分析中的應(yīng)用。

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