飛機(jī)液壓系統(tǒng)單向閥壓力損失測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)*

李辰童，翟歡樂

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

在航空領(lǐng)域，隨著國家對(duì)飛機(jī)、直升機(jī)這類利用空氣動(dòng)力進(jìn)行升空的航空器愈發(fā)重視，對(duì)于飛機(jī)整體的可靠性要求也越來越嚴(yán)格，而液壓系統(tǒng)作為飛機(jī)上十分重要的輔助能源系統(tǒng)，直接影響到飛機(jī)的整體安全[1]。由于單向閥特殊的工作形式和在液壓系統(tǒng)中的大量使用，在液壓系統(tǒng)工作時(shí)，流體經(jīng)過閥所產(chǎn)生的機(jī)械能的損耗會(huì)對(duì)系統(tǒng)整體的能量傳遞產(chǎn)生一定的影響，所以，通過單向閥前后壓力差的測(cè)試來分析其流通性能的工作需得到重視[2-3]。栗秀中[4]對(duì)單向閥活門的結(jié)構(gòu)及計(jì)算過程做了分析，通過減小單向閥活門流通面積的方法，達(dá)到減小單向閥壓力損失的目的，最終滿足飛機(jī)燃油系統(tǒng)的要求。陳飛[5]以工控機(jī)和PLC為控制核心，構(gòu)建了一整套大流量水路閥門的性能測(cè)試系統(tǒng)，為測(cè)試新型水路閥門性能參數(shù)提供了可靠的實(shí)驗(yàn)手段。胡宏澤[6]針對(duì)原有閥門測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)效率低、可控性差的特點(diǎn)，為保障多臺(tái)閥門正常運(yùn)行，避免不當(dāng)?shù)牟僮?，建立了基于RS-485總線和MODBUS-RTU通信協(xié)議的閥門測(cè)試系統(tǒng)。周冀馨[7]介紹了一種用于測(cè)試飛機(jī)上相關(guān)液壓附件的檢測(cè)裝置，具有適用范圍廣、測(cè)試精度高、防污染和操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。高曉琳[8]對(duì)液壓傳動(dòng)中圓管流動(dòng)時(shí)壓力損失的計(jì)算公式進(jìn)行了深入地分析與研究。雖有部分學(xué)者對(duì)閥門測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但專門針對(duì)飛機(jī)液壓系統(tǒng)單向閥的壓力損失測(cè)試系統(tǒng)的研究很少。本文將介紹一種飛機(jī)液壓系統(tǒng)單向閥壓力損失測(cè)試系統(tǒng)，使用介質(zhì)參數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、泵輸出參數(shù)的調(diào)節(jié)等控制方法對(duì)單向閥的壓損-流量曲線進(jìn)行測(cè)試，有助于單向閥壓損測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 單向閥

單向閥由進(jìn)口法蘭、密封圈、活門、彈簧和出口管嘴等組成，如圖1所示。系統(tǒng)管路中的液壓油從進(jìn)口進(jìn)入活門，當(dāng)進(jìn)油壓力克服彈簧力后，活門打開，將液壓油供給系統(tǒng)下游；當(dāng)系統(tǒng)管路油壓力降低后，單向閥活門在彈簧力的作用下復(fù)位，使單向閥在管路中起密封作用。

1.2 設(shè)計(jì)原理

測(cè)試系統(tǒng)主要由操作平臺(tái)、控制系統(tǒng)、多級(jí)離心泵、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、溫度傳感器、流量傳感器、單向閥前端壓力傳感器、單向閥后端壓力傳感器、連接管路等組成。通過操作平臺(tái)發(fā)布測(cè)試指令，由控制系統(tǒng)收集各傳感器的信號(hào)，并控制離心泵和調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作，完成單向閥的自動(dòng)控制。

圖1 單向閥工作原理

對(duì)于不同尺寸、型號(hào)的被測(cè)試樣件，測(cè)試系統(tǒng)可通過更換與其配套的連接接頭來實(shí)現(xiàn)。這也導(dǎo)致單向閥前端壓力傳感器與后端壓力傳感器之間的連接管路存在壓力損失，因此在測(cè)量單向閥壓力損失之前，可先連接一個(gè)等徑直管進(jìn)行測(cè)量，得出連接管路壓力損失值，在單向閥測(cè)量時(shí)將該數(shù)值作為系統(tǒng)誤差予以扣除即可得到單向閥的真實(shí)壓力損失。

測(cè)量時(shí)，多級(jí)離心泵首先將油液從油箱中抽出，依次流經(jīng)被測(cè)試件前端的傳感器，通過測(cè)件流經(jīng)后端傳感器、調(diào)節(jié)閥，油液再次返回介質(zhì)箱中，整體形成閉式循環(huán)。

圖2 單向閥壓力損失測(cè)試系統(tǒng)原理

1.3 設(shè)計(jì)功能

首先在操作平臺(tái)設(shè)定單向閥的輸入壓力、流量范圍、測(cè)試點(diǎn)數(shù)，然后啟動(dòng)測(cè)試；控制系統(tǒng)通過PID算法同時(shí)控制變頻器和調(diào)節(jié)閥，根據(jù)反饋的壓力值及流量值進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，達(dá)到設(shè)定壓力值、最小流量值的誤差范圍，進(jìn)行溫度、流量、壓力的數(shù)據(jù)采集，完成一次測(cè)量；根據(jù)測(cè)量的測(cè)試點(diǎn)數(shù)，計(jì)算下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，按上述測(cè)量布置依次完成后續(xù)測(cè)量工作；最后將所有測(cè)量數(shù)據(jù)在操作平臺(tái)展現(xiàn)，得出單向閥壓力損失與流量的變化曲線。

為能夠真實(shí)模擬液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境并且可以靈活地測(cè)試不同型號(hào)單向閥的壓力損失，此次設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)可設(shè)定單向閥前端壓力為靜態(tài)值，亦可設(shè)定為動(dòng)態(tài)值。

2 測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)

2.1 壓力、流量控制算法

無論是調(diào)節(jié)離心泵電機(jī)轉(zhuǎn)速還是調(diào)節(jié)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，都會(huì)導(dǎo)致單向閥的輸入壓力及輸入流量同時(shí)發(fā)生改變，常規(guī)的壓力和流量分別調(diào)節(jié)方式是不適用的。如圖3所示，若想將單向閥的輸入?yún)?shù)由點(diǎn)M0調(diào)節(jié)到點(diǎn)M1，先調(diào)節(jié)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，將點(diǎn)M0調(diào)節(jié)到點(diǎn)M01，再由點(diǎn)M01調(diào)節(jié)到點(diǎn)M1，其中點(diǎn)M01與點(diǎn)M1的參數(shù)滿足離心泵的相似曲線特性：

單向閥輸入壓力、流量的具體調(diào)節(jié)步驟如下。

（1）設(shè)定允許誤差δ。

圖3 離心泵的曲線特性

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由控制柜、專用計(jì)算機(jī)（帶顯示器和打印機(jī)）、CAN總線通訊模塊、可編程邏輯控制器模塊、可編程邏輯控制器電源模塊、可編程邏輯控制器模擬量輸入輸出模塊、可編程邏輯控制器數(shù)字量輸入輸出模塊、可編程邏輯控制器串口通訊模塊組成?；凇癙LC+變頻器+氣動(dòng)比例閥+上位機(jī)組態(tài)軟件”的控制思想，由西門子S7-200 PLCCPU來實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的壓力、流量和溫度。首先西門子模擬量拓展模塊EM235通過模擬量輸入（AI）端口采集流量、壓力值模擬量輸出（AO）端口改變氣動(dòng)比例閥的閥芯開口，進(jìn)而改變系統(tǒng)流量；西門子PLC的CPU通過高速脈沖輸出端口（HSO）改變變頻器的頻率，控制交流異步電動(dòng)機(jī)的速度，按照前面給出的控制方法，使得系統(tǒng)最終達(dá)到設(shè)定的壓力和流量，總體框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)

2.3 硬件開發(fā)與軟件開發(fā)

開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，如圖5所示。其中，油箱容積以設(shè)計(jì)最大流量的2倍確定，設(shè)計(jì)的最大流量為40 L/min，油箱容積為0.08 m3；選用多級(jí)立式離心泵，流量為0.6～3 m3/h，揚(yáng)程為150 m；氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥需要?dú)庠?.4～0.7 MPa，配置儲(chǔ)壓罐實(shí)現(xiàn)氣源的穩(wěn)定；壓力傳感器、流量傳感器及溫度傳感器的安裝位置與變徑接頭的距離大于6倍管徑。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)

開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，采用S7 Smart進(jìn)行控制功能的編程，采用組態(tài)王軟件進(jìn)行操作界面的設(shè)計(jì)，如圖6所示。將軟件界面拆分成多個(gè)功能模塊，包括測(cè)試信息輸入模塊、測(cè)試參數(shù)設(shè)定模塊、運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)顯示模塊、測(cè)試報(bào)告輸出模塊等。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)軟件平臺(tái)

2.4 單向閥的壓力損失測(cè)試

選擇飛機(jī)液壓系統(tǒng)中的一個(gè)單向閥進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試流量范圍為3～30 L/min，測(cè)試10個(gè)點(diǎn)；首先在安裝平臺(tái)連接直管測(cè)試系統(tǒng)的管路壓差，壓差值隨著流量增大而增大，最小值為0.002 2 MPa，最大值為0.014 1 MPa；然后連接單向閥測(cè)試壓差，壓差值隨著流量增大而增大，最小值為0.004 5 MPa，最大值為0.074 6 MPa；將單向閥測(cè)試壓差減去管路壓差即得到單向閥壓力損失，如圖7所示。

圖7 單向閥的壓力損失曲線

3 結(jié)束語

（1）給出了飛機(jī)液壓系統(tǒng)單向閥壓力損失測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)功能，完成了硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的開發(fā)；

（2）利用離心泵的相似曲線特性，給出單向閥輸入壓力、流量的調(diào)節(jié)算法，將2變量控制2參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)?變量控制1參數(shù)，再引入PID算法，大大縮短測(cè)試周期，提高測(cè)試效率；

（3）通過快速接頭實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格單向閥的連接，適用范圍廣；利用直管進(jìn)行系統(tǒng)管路壓力損失的測(cè)量并予以扣除，使得單向閥的壓力損失測(cè)試更加精確。