直線油泵技術(shù)研究

余 捷

（空軍南京航空四站裝備修理廠，江蘇 南京 210042）

飛行器液壓系統(tǒng)是執(zhí)行起落架作動筒、減速板等作動設(shè)備的動作的重要機構(gòu)，對飛行器的姿態(tài)、降落起著重要的作用。因此在日常維護檢測中，保證液壓系統(tǒng)正常是特別重要的工作。日常維護檢測主要是對液壓油進行凈化后去除污染物。并進行地面調(diào)試，檢查系統(tǒng)的性能，檢驗作動系統(tǒng)的動態(tài)指標。

長期以來，機場飛機液壓系統(tǒng)檢修一直使用地面液壓車為飛機提供檢修檢測所需的液壓動力源，這種車載式液壓車固然具有機動靈活、部署方便等優(yōu)點，但是在日常保障維護過程中需要專業(yè)車輛維護人員，占用有限的保障人員編制，同時有保障經(jīng)費居高不下、油料消耗高、噪音大，動力系統(tǒng)受氣溫、海拔影響大等缺陷。隨著新機不斷加入戰(zhàn)斗部隊，極大提高了部隊戰(zhàn)斗力，為了使新機潛力充分發(fā)揮，需要機場具備地面綜合保障能力。飛機所需的地面電源、空調(diào)等設(shè)備已經(jīng)研制并裝備了相關(guān)直線加電、直線空調(diào)設(shè)備，取得了比較好的軍事經(jīng)濟效益，達到了提供戰(zhàn)斗力、保障力的目標。因此迫切需要研究一種直接設(shè)在機位旁邊，直接使用電能，噪音影響小，維護人員少，受環(huán)境影響小的直線油泵系統(tǒng)。

1 直線油泵設(shè)計標準及結(jié)構(gòu)組成

由于現(xiàn)存液壓保障設(shè)備一直采用航空地面液壓車保障飛機液壓系統(tǒng)，目前還沒有相關(guān)廠家、研究機構(gòu)研究直線油泵相關(guān)技術(shù)，因此在現(xiàn)有條件下，直線油泵系統(tǒng)設(shè)計除需要滿足國家軍隊液壓系統(tǒng)設(shè)計的一般標準外，還需要滿足《GJB 1691A-2011飛機液壓油泵車通用規(guī)范》《GJB 420B-2006航空工作液固體污染度分級》等的有關(guān)規(guī)定。其主要結(jié)構(gòu)動力系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等。

1.1 動力系統(tǒng)

直線油泵系統(tǒng)由于直接設(shè)在機位旁，其配電柜都能提供足夠功率的動力電源，所以其動力系統(tǒng)可直接采用大功率電動機作為主動力來源，直線油泵系統(tǒng)的組成為變頻驅(qū)動器和大功率電動機組成，電動機通過變頻器驅(qū)動，可以降低大功率電動機啟動時對電網(wǎng)的沖擊。功率選擇原則與一般液壓系統(tǒng)動力選擇一致，可根據(jù)所需的壓力、流量、效率計算得出所需功率。

1.2 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)主要完成將機位配電柜的電源通過一系列分配轉(zhuǎn)換過程，為動力系統(tǒng)需要的380 V、50 Hz動力電源；輔熱、散熱、加油等系統(tǒng)所需的單相電源。控制系統(tǒng)需要的24 V直流電。

1.3 控制系統(tǒng)

直線油泵系統(tǒng)的核心是液壓系統(tǒng)，控制系統(tǒng)則是直線油泵的中樞。直線油泵控制系統(tǒng)主要由硬件部分和操作軟件部分兩大部分組成。硬件部分由開關(guān)、傳感器等輸入裝置、可編程控制器、觸摸人機界面、接觸器、中間繼電器等中間控制設(shè)備、各類電動機、電磁閥、加熱器等執(zhí)行元器件組成。軟件部分主要由上位機觸摸人機界面組態(tài)操作程序和下位機可編程控制器的控制程序組成，控制系統(tǒng)操作界面如圖1所示。上位機、下位機、傳感器通過modbus rtu通訊協(xié)議鏈接來實現(xiàn)控制指令的輸入、執(zhí)行指令的動作、壓力、污染度、溫度、含水量等參數(shù)的顯示。

圖1 控制系統(tǒng)-操作界面

1.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是直線油泵的核心。液壓系統(tǒng)是由動力油液供給系統(tǒng)（高壓液壓泵、高壓過濾器、數(shù)字壓力調(diào)節(jié)閥、實時壓力傳感器、供給流量傳感器）、油液回流系統(tǒng)（風冷散熱裝置、散熱后溫度傳感器）、油液固體顆粒物檢測系統(tǒng)、油液水氣清除系統(tǒng)、壓力補償蓄能裝置和實時運行參數(shù)檢測裝置等。

1.5 檢測系統(tǒng)

直線油泵設(shè)備設(shè)置檢測系統(tǒng)用于實時檢測各個系統(tǒng)、裝置運行的實時數(shù)據(jù)，顯示在各個直線油泵機房、直線油泵輸出井，為操作人員提供實時數(shù)據(jù)支持，檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)直線油泵設(shè)備的自檢，并對動力油液供給壓力、供給流量、散后運行溫度、輸入電源質(zhì)量、變頻器輸出電壓、輸出電流、負載率、電機運行轉(zhuǎn)速、供給油液中的水氣含量、固體顆粒污染度等工作參數(shù)進行實時檢測。

（1）對機位配電柜提供的電源電壓、電流、功率因數(shù)等電源質(zhì)量參數(shù)進行檢測。

（2）對變頻器輸出的驅(qū)動電壓、運行電流、內(nèi)部溫度、實時負載率、輸出頻率、報警參數(shù)等變頻器運行參數(shù)進行檢測。

（3）對直線油泵供給的動力油液壓力、輸出流量、散后油液溫度、液壓油箱液位、油液水氣含量等參數(shù)進行檢測。

（4）對各個執(zhí)行部件的運行狀態(tài)進行采集，并與輸入指令對比反饋：如電機運行狀態(tài)、換向閥位置狀態(tài)、數(shù)字壓力調(diào)節(jié)閥輸出狀態(tài)、風冷散熱器運行狀態(tài)、真空除水氣裝置運行狀態(tài)等系統(tǒng)狀態(tài)。

在同一停機坪往往會建設(shè)多個直線油泵機房和直線油泵輸出井，如果采取分布式單機控制和維護，就需要為每個機房及輸出井單獨配備維護保養(yǎng)人員，將多個機房及輸出井的檢測系統(tǒng)通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接可以實現(xiàn)所有直線油泵機房和直線油泵輸出井的集中控制和維護，減少維護人員，降低勞動強度，同時可以將檢測系統(tǒng)的參數(shù)上傳到指揮調(diào)度中心，為維修保養(yǎng)指揮中心科學決策調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持，起到科學分配資源，提高檢測維護效率的作用。

1.6 輸出系統(tǒng)

直線油泵的輸出系統(tǒng)主要為機位旁的直線油泵輸出井，主要功能是將直線油泵機房的液壓動力源通過管路輸送到直線油泵輸出井后通過輸出軟管提供給待檢測維護飛機，主要組成是調(diào)壓閥、輸出軟管、回油軟管、自動盤管架。

2 直線油泵機房的設(shè)計

直線油泵機房的設(shè)計主要是數(shù)量、位置的選擇。直線油泵機房的位置、數(shù)量與停機坪的大小有關(guān)，根據(jù)以往保養(yǎng)維護經(jīng)驗，機房至機位的直線距離應(yīng)不超過25米，超過25米可能會引起液壓系統(tǒng)回油問題?？傞L度在200米，機位在8~12個的停機坪可以設(shè)置4個直線油泵機房，位置應(yīng)設(shè)在25米及其倍數(shù)的機位交接處。同時應(yīng)考慮該停機坪能夠提供的電源總功率、備用機房等因素適當增減直線油泵機房數(shù)量。

直線油泵輸出井數(shù)量與同時需要檢測維護的飛機數(shù)量有關(guān)，同時檢測維護的飛機數(shù)量就確定為直線油泵輸出井的數(shù)量，一般情況下考慮液壓系統(tǒng)輸出長度、管徑、機位數(shù)量等因素，直線油泵輸出井數(shù)量應(yīng)比機位數(shù)減少2個左右。當然直線油泵輸出井數(shù)量越多，在使用上就會更加方便靈活，這需要建設(shè)時考慮資金、保障需求的技術(shù)指標等。理想狀態(tài)是直線油泵輸出井數(shù)量能同時滿足所有機位同時工作需要。

同時直線油泵機房設(shè)計時應(yīng)考慮通風設(shè)計，直線油泵系統(tǒng)長時間工作時會產(chǎn)生大量熱量，良好的通風設(shè)計可以保證系統(tǒng)更長時間的穩(wěn)定工作。

3 直線油泵的輸出控制

直線油泵主要目的是輸出符合飛機檢測維護壓力、流量、污染度需求的液壓動力源，由于飛機檢測時的作動筒動作是瞬時動作，在信號圖形表達上是一個隨機上升沿動作信號，同時液壓系統(tǒng)的柱塞式油泵的輸出壓力是具有一系列脈沖變化的輸出，雖然直線油泵系統(tǒng)從硬件上采取增加氣囊式蓄能器減小了柱塞式油泵的輸出壓力脈沖，但是對動作瞬間的壓力沖擊受限于氣囊式蓄能器容積并沒有有效的解決。因此需要采取一定的控制算法來對輸出性能進行改進提高。

雖然實際研究和應(yīng)用中出現(xiàn)了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、蜂群算法等智能控制算法，但是實際使用中并沒有得到廣泛使用，基本上仍處于理論研究和小范圍應(yīng)用階段，目前在機電設(shè)備控制領(lǐng)域的控制算法上常用的還是經(jīng)典控制理論中的PID控制算法。經(jīng)典PID控制算法出現(xiàn)以來，在社會生產(chǎn)的各個行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，經(jīng)典PID控制算法是按照需求值與測量值差值的比例(P)、積分(I)、和微分(D)進行控制的。PID控制系統(tǒng)原理如圖2所示。PID 控制算法因為實現(xiàn)簡單方便、運行穩(wěn)定可靠的特點，已經(jīng)成為工程控制領(lǐng)域工程師必須掌握的一種基本技能。PID 控制算法在生產(chǎn)實際中使用的優(yōu)良效果得到了廣泛證實。在計算機技術(shù)得到廣泛應(yīng)用之前，它是單一邏輯開關(guān)控制之外，最可靠的實際應(yīng)用控制算法解決方案。即使現(xiàn)在提出和應(yīng)用了許多智能控制算法，由于這類算法需要較高的工程技術(shù)水平，并沒有在工程控制領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。在一線生產(chǎn)過程中占據(jù)絕對優(yōu)勢、使用最廣泛的仍然是PID算法。

圖2 PID控制系統(tǒng)原理

由于直線油泵輸出根據(jù)飛機作動動作響應(yīng)，是一種典型的階躍響應(yīng)，在控制時很容易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，采用改進的步進式PID算法，使輸出動作的階躍響應(yīng)分解為多個步長有限的階躍響應(yīng)，從而使輸出信號逐步逼近，可以得到穩(wěn)定的輸出信號，比較適合直線油泵的壓力調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。

因此直線油泵控制系統(tǒng)通過采用經(jīng)典PID控制算法和改進的步進PID控制算法，對輸出壓力、輸出流量進行雙反饋控制可以使直線油泵輸出的壓力、流量性能得到較高的穩(wěn)定性。原理框圖如圖3所示。

圖3 直線油泵雙反饋壓力、流量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

4 工作工況環(huán)境對比分析

我國國土廣闊，環(huán)境復(fù)雜，不同季節(jié)不同地方，外界環(huán)境差別有巨大差異，直線油泵由于需要部署在全國各地機場，因此需要適應(yīng)各地不同積極的工況環(huán)境，由于直線油泵與航空地面液壓車的主要差別在于動力系統(tǒng)，航空地面液壓車的動力系統(tǒng)使柴油發(fā)動機受低溫、海拔影響較大，直線油泵動力系統(tǒng)采用電動機作為動力源，由于高海拔地區(qū)氣壓低、電子自由運動狀態(tài)加強，空氣電氣絕緣程度下降，導致各類電氣設(shè)備絕緣的放電電壓下降，同時高海拔地區(qū)空氣密度相對低海拔地區(qū)較小，空氣運動能力降低，影響電氣設(shè)備被動散熱能力，所以電動機的絕緣、散熱受海拔高度影響較大，通過對電動機線圈加強絕緣，提供絕緣等級、被動散熱改進為主動風扇強制散熱可以有效解決海拔高度對電動機的性能影響，由于直線油泵安裝在固定的機房內(nèi)，與航空地面液壓車在室外工作環(huán)境不同，低溫、高溫、濕熱等環(huán)境可以通過對直線油泵機房進行環(huán)境溫度調(diào)節(jié)、加強通風除濕等手段消除影響。

5 結(jié)束語

通過對直線油泵主要技術(shù)的初步研究，直線油泵可以解決現(xiàn)有航空地面液壓車維護工作多，維護人員多，受環(huán)境影響大的缺陷，如果得到廣泛應(yīng)用可以較好適應(yīng)新機液壓系統(tǒng)檢測維護的要求。