基于SimulationX的可調(diào)靜子導(dǎo)葉機(jī)械滯后效應(yīng)系統(tǒng)仿真

王常亮，邱明星，金 海，李兆紅，石 磊，袁 森

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

壓氣機(jī)可調(diào)靜子導(dǎo)葉（Variable Stator Vane簡(jiǎn)稱VSV）的調(diào)節(jié)控制，直接影響壓氣機(jī)的喘振裕度，其角度調(diào)節(jié)規(guī)律的設(shè)置，是保證多級(jí)高壓比壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)的重要技術(shù)手段[1-3]，因此對(duì)于其角度的控制精度有嚴(yán)格要求。本項(xiàng)研究涉及的VSV調(diào)節(jié)系統(tǒng)為機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)上具有技術(shù)原理成熟和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，普遍應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，如美國F16飛機(jī)配裝的F110-100發(fā)動(dòng)機(jī)、俄羅斯Su-27飛機(jī)配裝的АД-31Ф發(fā)動(dòng)機(jī)、波音777飛機(jī)配裝的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)等，均使用該類型調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)[4-7]。一般來說，使用上述調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其VSV角度控制精度已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用需求。但是大量發(fā)動(dòng)機(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)規(guī)律顯示，個(gè)別發(fā)動(dòng)機(jī)的VSV角度調(diào)節(jié)存在滯后量大的問題，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)多次進(jìn)行硬件更換和排故試車，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。類似VSV機(jī)械滯后問題在國外相關(guān)研究[8]中也有提及，通過改進(jìn)驅(qū)動(dòng)方案后得以解決。對(duì)于本文研究的問題，盡管現(xiàn)象類似，但由于不存在非對(duì)稱變形影響因素，其故障模式有所區(qū)別；同時(shí)，由于并非批量發(fā)動(dòng)機(jī)的共性問題，故障的出現(xiàn)有不確定性，影響因素復(fù)雜，且所涉及的控制系統(tǒng)、操縱機(jī)構(gòu)等部件眾多，增加了研究的技術(shù)難度。

本文基于SimulationX系統(tǒng)仿真平臺(tái)[9-10]，搭建了VSV角度閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型，運(yùn)用FMEA方法[11]進(jìn)行計(jì)算分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，確定VSV角度滯后的影響因素，提出改進(jìn)優(yōu)化方案。對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)及設(shè)計(jì)流程優(yōu)化具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)工作原理及問題現(xiàn)象

VSV角度閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由控制器、執(zhí)行操縱機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)3部分組成，如圖1所示。其主要工作原理為依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速狀態(tài)，控制器通過傳感器獲取轉(zhuǎn)速指令信號(hào)，并作為VSV角度控制的輸入，提供給控制器內(nèi)部控制活門以形成控制偏差，高壓活門重新分配供給作動(dòng)筒2腔的壓力，推動(dòng)作動(dòng)筒動(dòng)作，進(jìn)而帶動(dòng)壓氣機(jī)導(dǎo)向葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，反饋機(jī)構(gòu)將VSV角度位置信息反饋給控制器，控制器通過比較理論位置與反饋信息，進(jìn)一步通過內(nèi)部杠桿機(jī)構(gòu)減小控制偏差，逐步將VSV控制活門拉回到平衡位置，使VSV角度重新穩(wěn)定在新的位置，實(shí)現(xiàn)按轉(zhuǎn)速變化的閉環(huán)控制。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，個(gè)別發(fā)動(dòng)機(jī)的VSV角度控制存在滯后量大的現(xiàn)象（如圖2所示），導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)多次進(jìn)行硬件更換和排故試車。國外發(fā)動(dòng)機(jī)類似VSV機(jī)械滯后表現(xiàn)如圖3所示[8]，主要原因?yàn)轵?qū)動(dòng)方案引起的非對(duì)稱變形及機(jī)構(gòu)摩擦阻力增大，通過改進(jìn)驅(qū)動(dòng)方案后，問題得以解決。但由于本文研究的對(duì)象，其驅(qū)動(dòng)方案為雙作動(dòng)筒對(duì)稱排布，故障模式與國外文獻(xiàn)描述的有所差別。由于影響因素復(fù)雜，且存在相關(guān)性，傳統(tǒng)的故障隔離試驗(yàn)方法并不完全適用，而系統(tǒng)仿真不受硬件資源和加工周期等因素的限制，可以深入研究潛在的影響因素及其影響程度。

圖1 閉環(huán)調(diào)節(jié)控制原理

圖2 VSV滯后問題（無量綱）

圖3 國外某發(fā)動(dòng)機(jī)VSV滯后現(xiàn)象及改進(jìn)方案[8]

2 模型搭建及驗(yàn)證

通過多學(xué)科系統(tǒng)仿真平臺(tái)SimulationX，并運(yùn)用二次開發(fā)工具TypeDesigner對(duì)VSV角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)搭建模型，其模塊主要包括控制器內(nèi)的指令杠桿、反饋凸輪-杠桿、高壓分流活門、作動(dòng)筒、反饋機(jī)構(gòu)及氣動(dòng)/摩擦負(fù)載模塊等元部件。具體系統(tǒng)模型如圖4所示。元器件模型相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸按部件實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，動(dòng)態(tài)輸入?yún)?shù)按試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)給定。

圖4 系統(tǒng)模型

以系統(tǒng)模型中的氣動(dòng)/摩擦負(fù)載模塊為例，通過分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，選取作動(dòng)筒活塞作為受力分析對(duì)象，物理模型如圖5所示。

圖5 作動(dòng)筒模型（SimulationX模型說明）

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)為穩(wěn)態(tài)或勻速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)活塞桿靜止或做勻速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，作動(dòng)筒2腔壓力產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力與VSV操縱機(jī)構(gòu)受到的氣動(dòng)力與摩擦阻力基本達(dá)到平衡狀態(tài)，建立轉(zhuǎn)速增加及降低過程的活塞受力平衡方程

式中:Fd1、Fd2分別為轉(zhuǎn)速增加、降低過程驅(qū)動(dòng)負(fù)載力；Fa為發(fā)動(dòng)機(jī)流路中的氣體在葉片上的氣動(dòng)作用傳遞到活塞桿上的力；Ff為搖臂等機(jī)構(gòu)的摩擦作用傳遞到活塞桿上的力。

分析活塞工作狀態(tài)，可得油壓驅(qū)動(dòng)力與腔壓及活塞結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系

式中:Fq1、Fq2分別為轉(zhuǎn)速增加、降低過程油壓驅(qū)動(dòng)力；PA、PB分別為作動(dòng)筒 2 腔腔壓；AA、AB分別為對(duì)應(yīng)側(cè)活塞作用面積；Ag為活塞桿截面積。

其中腔壓可參考實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，活塞結(jié)構(gòu)尺寸按實(shí)際情況給出，由于驅(qū)動(dòng)負(fù)載Fd1、Fd2與Fq1、Fq2分別為作用力與反作用力，因此，聯(lián)立式（1）～（4）可初步估算出氣動(dòng)力及摩擦阻力曲線，如圖6所示。

圖6 氣動(dòng)力及摩擦阻力曲線（無量綱）

對(duì)搭建的系統(tǒng)仿真模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，將仿真計(jì)算結(jié)果與整機(jī)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看到腔壓模擬（如圖7、8所示）和驅(qū)動(dòng)力模擬（如圖9所示）計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較好的一致性，說明該模型可以較好地反映VSV系統(tǒng)各模塊間的協(xié)調(diào)作用，且計(jì)算結(jié)果誤差較小，可以作為進(jìn)一步故障因素分析工作的仿真計(jì)算基礎(chǔ)。

圖7 作動(dòng)筒A腔壓力仿真及試驗(yàn)結(jié)果（無量綱）

圖8 作動(dòng)筒B腔壓力仿真及試驗(yàn)結(jié)果（無量綱）

圖9 驅(qū)動(dòng)力仿真及試驗(yàn)結(jié)果（無量綱）

3 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

以搭建的VSV閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)為研究平臺(tái)，運(yùn)用FMEA方法，注入可能的影響因素進(jìn)行仿真計(jì)算，分析可能的故障因素，確定問題故障模式。并通過上述分析，對(duì)VSV閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.1 故障影響因素仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成及試驗(yàn)測(cè)量情況，識(shí)別出的可能影響因素主要包括油路壓力異常、活門泄漏、機(jī)械結(jié)構(gòu)剛度異常、活門特性分散度大等控制器因素，輸入輸出關(guān)系異常等反饋機(jī)構(gòu)因素，以及摩擦阻力、驅(qū)動(dòng)負(fù)載異常等操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)因素。

針對(duì)可能的影響因素，以搭建的系統(tǒng)仿真模型為平臺(tái)，逐一進(jìn)行FMEA分析，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 故障因素影響計(jì)算

計(jì)算得到主要影響因素，包括驅(qū)動(dòng)能力偏低、活門輸出特性分散度大及驅(qū)動(dòng)負(fù)載偏大，進(jìn)一步研究其產(chǎn)生原因，認(rèn)為是由發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)體差異或熱狀態(tài)差異導(dǎo)致的，因此在故障現(xiàn)象上表現(xiàn)出一定的不確定性。進(jìn)一步對(duì)上述3方面主要因素進(jìn)行疊加分析，復(fù)現(xiàn)了故障現(xiàn)象。

3.2 故障模式分析及驗(yàn)證

根據(jù)仿真分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)情況得到如下故障模式:首先，在實(shí)際試車過程中，在相同轉(zhuǎn)速下，控制器主泵后壓力與回油壓力存在一定的分散度，即控制器自身驅(qū)動(dòng)能力有所差別，導(dǎo)致在某一時(shí)刻因驅(qū)動(dòng)力不足使VSV角度滯后。隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步降低，驅(qū)動(dòng)能力也隨之迅速降低，增大了VSV角度滯后的概率。其次，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，控制活門自身的輸出特性也存在分散度，如果輸出特性偏差，則會(huì)加劇VSV角度的滯后程度。在驅(qū)動(dòng)負(fù)載方面，發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)體也存在差別，這主要反映在發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)體的操縱機(jī)構(gòu)靜態(tài)阻滯力差別、熱態(tài)摩擦阻力增加、氣動(dòng)力差別3個(gè)方面。即存在發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)體驅(qū)動(dòng)負(fù)載偏大導(dǎo)致其與驅(qū)動(dòng)能力匹配不佳的情況。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程，如果只存在3.1節(jié)中的3種主要影響因素的1種，并不會(huì)引起VSV角度顯著滯后，如果疊加2種及以上誘發(fā)因素，則會(huì)出現(xiàn)明顯的VSV角度滯后情況。

為驗(yàn)證上述分析，選取1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。通過前期的部件測(cè)量及整機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為該發(fā)動(dòng)機(jī)的控制器驅(qū)動(dòng)能力偏低、活門輸出特性較差和熱態(tài)驅(qū)動(dòng)負(fù)載偏大。數(shù)值仿真過程按發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)摩擦阻力增大后的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行設(shè)定，控制器回油壓力按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)給定突跳，活門輸出特性按附件出廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分散度給定，仿真結(jié)果與實(shí)際整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好（如圖 10～12所示），故障現(xiàn)象得以復(fù)現(xiàn)。

圖10 VSV角度仿真及試驗(yàn)結(jié)果（無量綱）

圖11 A腔壓力仿真及試驗(yàn)結(jié)果（無量綱）

圖12 B腔壓力仿真及試驗(yàn)結(jié)果（無量綱）

圖13 VSV調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程優(yōu)化

3.3 VSV調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程優(yōu)化

通過對(duì)上述故障問題的研究分析，發(fā)現(xiàn)VSV調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)VSV角度閉環(huán)控制功能的載體，其傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程不完善，需加以改進(jìn)優(yōu)化。主要從正向設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，參考系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法[12-15]，對(duì)原有的設(shè)計(jì)流程改進(jìn)優(yōu)化（如圖13所示）。主要增加了以下環(huán)節(jié):

（1）在控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的部件設(shè)計(jì)過程中，增加驅(qū)動(dòng)能力及驅(qū)動(dòng)負(fù)載匹配設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，并進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)載模擬試驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)仿真評(píng)估，進(jìn)一步通過聯(lián)合仿真進(jìn)行初步評(píng)估；

（2）在控制器活門等關(guān)鍵部件的生產(chǎn)制造過程中，根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，提出分散度控制要求；

（3）在執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對(duì)熱態(tài)過程組件間的摩擦阻力增加情況予以考慮。

4 結(jié)論

通過系統(tǒng)仿真研究及試驗(yàn)驗(yàn)證，完成了VSV機(jī)械滯后問題的仿真模擬及故障模式驗(yàn)證，基于分析驗(yàn)證結(jié)果，得出以下結(jié)論:

（1）基于SimulationX軟件平臺(tái)搭建了VSV調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型，并完成了有效性驗(yàn)證；

（2）通過FMEA分析，對(duì)VSV角度機(jī)械滯后效應(yīng)的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)仿真分析，得到了單一因素及疊加因素的影響評(píng)估結(jié)果。進(jìn)而基于研究結(jié)論，提出了1種新的故障模式，并通過了整機(jī)試車驗(yàn)證；

基于研究結(jié)論，對(duì)原有設(shè)計(jì)流程改進(jìn)優(yōu)化，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)VSV調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。