一種用于風(fēng)洞液壓設(shè)備保障的多功能油源研制

顧海濤，孫常新，李增軍

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000)

0 前言

風(fēng)洞是能人工產(chǎn)生和控制氣流以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動，并可量度氣流對物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀地面試驗?zāi)M設(shè)備。暫沖式風(fēng)洞中實現(xiàn)流場調(diào)節(jié)的裝置主要包括調(diào)壓閥、噴管機構(gòu)、柵指機構(gòu)、擴散段調(diào)節(jié)片機構(gòu)等。隨著風(fēng)洞尺寸的增大，調(diào)節(jié)機構(gòu)的負(fù)載也隨之增大，同時要求響應(yīng)快、動作平穩(wěn)、可調(diào)性好。液壓系統(tǒng)憑借其自身獨有優(yōu)點，在1 m量級以上風(fēng)洞的調(diào)節(jié)機構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。以近期建設(shè)的某1.2 m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞為例，流場調(diào)節(jié)機構(gòu)除擴散段調(diào)節(jié)片采用電動方式外，其余均采用液壓驅(qū)動。

風(fēng)洞中的液壓設(shè)備一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致風(fēng)洞運行停擺。為提高風(fēng)洞液壓設(shè)備的運行保障能力，需研制一套移動油源，作為應(yīng)急備用。同時為保證油缸運行的可靠性，需定期對油缸進(jìn)行地面維護(hù)，移動油源需作為地面試驗臺，對維護(hù)后的油缸進(jìn)行加載試驗，達(dá)標(biāo)后回裝到對應(yīng)的部段機構(gòu)中。

1 移動油源方案確定

1.1 功能需求

在新建1.2 m暫沖式跨超聲速風(fēng)洞中，主進(jìn)氣管路調(diào)壓閥、旁路調(diào)壓閥、引射管路調(diào)壓閥均采用液壓電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動，其中主進(jìn)氣管路調(diào)壓閥、旁路調(diào)壓閥共用1號油源，伺服閥組相對獨立，引射管路調(diào)壓閥使用2號油源和獨立的伺服閥組，3個調(diào)壓閥工作壓力均為21 MPa，流量分別為170、130、75 L/min；噴管執(zhí)行機構(gòu)上下對稱，單邊設(shè)置16組油缸，液壓系統(tǒng)使用3號油源，采用低壓成型、高壓鎖緊的運行模式，即各液壓缸動作時采用低壓，到達(dá)機械限位后采用高壓進(jìn)行鎖緊。低壓系統(tǒng)壓力為6 MPa，高壓系統(tǒng)壓力為21 MPa，壓力油分別通過2只三位四通電磁換向閥并聯(lián)供向1～16號液壓缸，流量為50 L/min。因此，移動油源作為應(yīng)急油源使用時，需滿足如下功能：

(1)需具備伺服控制回路，且綜合滿足3個調(diào)壓閥在流量差異較大情況下的控制性能；

(2)需具備電磁閥控制回路，滿足噴管執(zhí)行機構(gòu)運動與鎖緊能力；

(3)機泵組輸出流量可調(diào)，盡量減少發(fā)熱、提高效率；

(4)需具備靈活移動能力，結(jié)構(gòu)與電氣接口需滿足快速對接需求。

移動油源作為液壓試驗臺使用時，能夠重點保證對維護(hù)后的油缸進(jìn)行地面加載試驗，需滿足如下功能：

(1)需具備開關(guān)動作及節(jié)流調(diào)速回路，滿足被測油缸運動和速度調(diào)整需求；

(2)具備加載油缸和配套的控制回路，滿足其主動位置調(diào)整和被動加載需求；

(3)加載油缸另需配置補油回路，滿足被動加載過程中腔體吸空時補油需求；

(4)具備加載臺架及連接板，滿足被測油缸、加載油缸的安裝、連接及調(diào)整能力。

1.2 方案確定

現(xiàn)風(fēng)洞中主進(jìn)氣管路調(diào)壓閥、旁路調(diào)壓閥、引射管路調(diào)壓閥的液壓控制回路基本相同，僅存在流量差異，原理如圖1所示。噴管執(zhí)行機液壓控制回路主要需完成主供油路的開關(guān)及方向控制，原理如圖2所示。

圖1 調(diào)壓閥液壓原理

圖2 噴管執(zhí)行機液壓原理

因此，移動油源作為應(yīng)急油源使用時，其主回路原理設(shè)計可以與調(diào)壓閥的控制回路保持一致，而電磁閥控制回路既是伺服回路的冗余備用，也可作為噴管執(zhí)行機構(gòu)主供油路的控制回路，同時當(dāng)作為液壓試驗臺使用時，電磁閥控制回路可作為被測油缸的開關(guān)動作及節(jié)流調(diào)速回路。

此移動油源作為液壓試驗臺時，要求能夠為被測油缸提供全程加載試驗。近些年來已有一些針對油缸進(jìn)行加載試驗的液壓試驗臺設(shè)計研究，具體涉及基于方向閥、壓力調(diào)節(jié)閥等構(gòu)建主動加載回路或被動加載回路，均取得了一定效果。文獻(xiàn)[2]采用電磁換向閥構(gòu)建了主動加載回路。文獻(xiàn)[3]采用比例調(diào)速閥和電磁換向閥構(gòu)建了主動加載回路。文獻(xiàn)[4]采用比例溢流閥和單向閥構(gòu)建了主動加載回路。文獻(xiàn)[5]采用比例溢流閥和電磁換向閥構(gòu)建了主動加載回路。文獻(xiàn)[6]采用溢流閥和單向閥構(gòu)建了被動加載回路。此試驗臺進(jìn)行油缸加載試驗時，主要檢查耐壓情況、低壓下的泄漏情況及耐久性情況，基于溢流閥和單向閥的被動加載回路更為適合。為提高工作可靠性，進(jìn)一步完善被動加載回路，通過電磁換向閥實現(xiàn)加載缸活塞桿的動作進(jìn)而滿足不同行程的被測缸連接。通過在加載缸兩腔油路溢流閥實現(xiàn)加載力調(diào)整，在電磁換向閥后設(shè)置外控液控單向閥防止被動加載時油液回流，并在壓力油路通過減壓閥、單向閥分別連接加載缸兩腔，保證真空腔補油的可靠性。

機泵組采用雙泵并聯(lián)，可根據(jù)流量需求靈活切換雙泵/單泵工作模式。油泵選用恒壓變量式，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于設(shè)定壓力時，泵以最大流量供油；當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力時，泵進(jìn)入恒壓工況，根據(jù)負(fù)載的需要改變供往系統(tǒng)的流量，而保持系統(tǒng)壓力基本不變，減少系統(tǒng)發(fā)熱、提高效率。

加載油缸與被試油缸分別通過兩側(cè)安裝架安裝在加載臺架上，兩側(cè)安裝架通過4根導(dǎo)柱和鎖緊螺母連接，油缸通過耳座與中間的連接板連接，連接板可以在4根導(dǎo)柱上自由滑動，安裝架放置在底座上，再安裝在地面，這樣可以將加載力轉(zhuǎn)化為內(nèi)力。

2 具體方案設(shè)計

移動油源液壓原理如圖3所示。機泵組采用2臺63PCY型變量柱塞泵組12.1、12.2并聯(lián)，合流后供油流量最大可達(dá)182 L/min，每臺泵組出口均設(shè)置有單向閥13.1、13.2，使2臺泵組工作時互不影響。供油壓力通過溢流閥20.1調(diào)整。泵的恒壓點可在本地靈活設(shè)定，聯(lián)動/單動可在本地控制中便捷切換。液壓油源的泵出口設(shè)置有兩級過濾器15、16，過濾精度分別為10、5 μm，回油設(shè)置有20 μm過濾器39，循環(huán)冷卻回路設(shè)置有10 μm過濾器41，確保了系統(tǒng)油液的清潔度。

圖3 移動油源液壓原理

伺服控制回路由伺服閥27、液控單向閥30.1、30.2及其外控電磁換向閥26.1組成。伺服閥27電氣接口與風(fēng)洞現(xiàn)控制接口一致；液控單向閥30.1、30.2控制油為外控，有效規(guī)避位置伺服時流量不穩(wěn)可能導(dǎo)致的機構(gòu)抖動問題。

電磁閥控制回路由電液換向閥31.1、液控單向閥32、雙單向節(jié)流閥33組成。液控單向閥32控制油為內(nèi)控，與Y型中位機能電液換向閥31.1配合，控制油接通油箱可實現(xiàn)可靠鎖緊。雙單向節(jié)流閥33可以實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。此電磁閥控制回路，共3種使用模式：(1)作為1號油源或2號油源的應(yīng)急油源使用時，可作伺服控制回路的冗余備用，保證伺服控制回路遇到意外情況下調(diào)壓閥能夠通過電液換向閥31.1關(guān)閉；(2)作為3號油源應(yīng)急油源使用時，也作噴管執(zhí)行機構(gòu)主供油路的控制回路，通過電液換向閥31.1控制噴管執(zhí)行機構(gòu)動作，主供油流量通過雙單向節(jié)流閥33調(diào)節(jié)；(3)作為油缸的液壓試驗臺使用時，通過電液換向閥31.1控制被測油缸動作，供油流量通過雙單向節(jié)流閥33調(diào)節(jié)。

加載回路由溢流閥20.2，單向閥36.1、36.2，電液換向閥31.2，液控單向閥30.3、30.4及其外控電磁換向閥26.2，加載缸組成。溢流閥20.2通過單向閥36.1、36.2與加載油缸兩腔連通，通過溢流閥可以調(diào)整被動的載荷大??；電液換向閥31.2可以主動驅(qū)動加載油缸活塞桿運行，以滿足不同行程的被測油缸連接需求；液控單向閥30.3、30.4及其外控電磁換向閥26.2可防止加載試驗時油液經(jīng)電液換向閥回流微漏，增加加載回路可靠性。加載油缸采用雙出桿對稱缸，保證加載回路不工作時加載油缸位置不會漂移。

補油回路由減壓閥38，液控單向閥30.5，單向閥37.1、37.2組成，其中液控單向閥30.5為外控，控制閥與加載回路中電磁換向閥26.2共用。當(dāng)加載油缸被動運動時，一腔會形成一定的真空度，減壓閥38入口與系統(tǒng)壓力油路連通，出口減至1.5 MPa(可調(diào))后會通過單向閥37.1或37.2供往出現(xiàn)真空一側(cè)油缸腔體，保證補油可靠性。

電氣控制系統(tǒng)主要包括上位機觸摸屏、PLC控制系統(tǒng)。通過觸摸屏及按鈕開關(guān)實現(xiàn)本地控制，包括主油泵啟?？刂啤⒂屠錂C組(油溫)控制、電磁閥控制、參數(shù)設(shè)置及故障報警信息的查詢和處理。

3 相關(guān)仿真分析

3.1 閥控缸位置伺服系統(tǒng)動態(tài)性能分析

出于統(tǒng)籌考慮，移動油源伺服回路中選用的伺服閥，與主進(jìn)氣管路調(diào)壓閥液壓系統(tǒng)中的規(guī)格型號一致，在額定壓降0.5 MPa下額定流量為150 L/min，閥節(jié)流邊面積比為1∶2，死區(qū)小于1%，滯環(huán)小于0.5%，頻率為50 Hz。移動油源單泵供油流量為91 L/min。考慮到引射管路調(diào)壓閥液壓系統(tǒng)流量為75 L/min，重點對移動油源伺服回路與引射管路調(diào)壓閥油缸所組成的系統(tǒng)進(jìn)行分析，驗證較大規(guī)格伺服比例閥是否能夠滿足其動態(tài)特性要求。

引射調(diào)壓閥油缸缸徑100 mm，桿徑56 mm，行程325 mm。油缸雙向受載，最大載荷40 kN，負(fù)載質(zhì)量400 kg。要求油缸最大速度大于160 mm/s，加減速時間小于0.2 s，定位精度優(yōu)于±0.1 mm。閥控缸位置伺服系統(tǒng)AMESim仿真模型如圖4所示，仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯阂湔{(diào)壓閥油缸的最大速度、加速度時間和定位精度均滿足要求。

圖4 閥控缸位置伺服系統(tǒng)AMESim仿真模型

圖5 油缸閉環(huán)控制位置、速度仿真結(jié)果

3.2 框架底座強度分析

框架底座、移動油源集成安裝在框架小車上，小車由Q235矩形管焊接而成，用于放置電機泵組、油箱閥組、油冷機及電控柜等。框架一側(cè)設(shè)置有扶手，并配有帶剎車的腳輪，方便移動；框架底部設(shè)置有集油盤，可以收集油液，并帶有放油口，可對廢油進(jìn)行回收，如圖6所示?？蚣芤苿佑驮吹闹饕辛Σ考谫|(zhì)量集中部位如油箱、電機泵組、閥組的安裝位置施加載荷；選取腳輪安裝位置為固定約束。經(jīng)過分析計算，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯涸谳d荷作用下，框架的最大應(yīng)力為95.4 MPa，小于材料屈服強度235 MPa，最大變形為1.37 mm，滿足使用要求。

圖6 框架小車示意

圖7 框架應(yīng)力、應(yīng)變分布

3.3 加載臺架強度分析

加載臺架主要由底座、安裝架、導(dǎo)柱、連接板、被試油缸等構(gòu)成，如圖8所示。加載油缸與被試油缸分別安裝在兩側(cè)的安裝架上，兩側(cè)安裝架通過4根導(dǎo)柱和鎖緊螺母連接，油缸通過耳座與中間的連接板連接，連接板可以在4根導(dǎo)柱上自由滑動，安裝架放置在底座上，再安裝在地面，這樣可以將加載力轉(zhuǎn)化為內(nèi)力，但安裝架、導(dǎo)柱、連接板均為承力部件。本文作者逐一進(jìn)行了強度分析，結(jié)果均滿足3倍安全系數(shù)。以加載油缸支座為例，它受拉力時應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖9所示，受推力時的應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖10所示。

圖8 加載臺架示意

圖9 加載油缸支座受拉時應(yīng)力應(yīng)變分布

圖10 加載油缸支座受壓時應(yīng)力應(yīng)變分布

4 調(diào)試與應(yīng)用效果

此移動油源完成研制后，隨即開展了風(fēng)洞現(xiàn)場的調(diào)試，各項功能性能均達(dá)到要求。

4.1 調(diào)壓閥液壓系統(tǒng)應(yīng)急油源功能調(diào)試

將移動油源軟管與引射管路調(diào)壓閥油缸進(jìn)出油口連接，且保證伺服閥大小節(jié)流邊分別與油缸無桿腔、有桿腔對應(yīng)，電機泵組12.1動力電由原1號油源動力柜提供，伺服閥27、外控電磁換向閥26.1、電液換向閥31.1的電氣接口直接從引射管路調(diào)壓閥液壓系統(tǒng)切換對接。電機本地/遠(yuǎn)程啟動，溢流閥20.1調(diào)整壓力21 MPa，壓力、溫度等狀態(tài)通過移動油源電控柜總線接口與原上位機進(jìn)行信息交互，上位機對伺服閥27、外控電磁換向閥26.1發(fā)送指令控制油缸動作，在伸桿與縮桿方向進(jìn)行多輪動作調(diào)試。經(jīng)測試，油缸的最大速度為180.6 mm/s，加減速時間為0.19 s，油缸的定位精度如表1所示，均滿足系統(tǒng)要求。

表1 現(xiàn)場調(diào)試測試結(jié)果 單位：mm

模擬動力電突然斷電的異常情況，將機泵組12.1關(guān)停，上位機安全聯(lián)鎖使外控電磁換向閥26.1斷電，油缸保持在當(dāng)前位置，此時電液換向閥31.1的24 V直流電由控制間UPS保證，操作人員通過控制電液換向閥31.1，在蓄能器24的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)油缸縮桿進(jìn)而實現(xiàn)閥門關(guān)閉。調(diào)試現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 風(fēng)洞現(xiàn)場調(diào)試

主進(jìn)氣管路調(diào)壓閥、旁路調(diào)壓閥的應(yīng)急油源調(diào)試與引射管路調(diào)壓閥相同，效果均比較理想，唯一區(qū)別是主進(jìn)氣管路調(diào)壓閥、旁路調(diào)壓閥的應(yīng)急油源調(diào)試為雙泵供油。

4.2 噴管執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)急油源功能調(diào)試

將移動油源軟管與噴管執(zhí)行機構(gòu)液壓系統(tǒng)主供回油管路連接，電機泵組12.1或12.2動力電由原3號油源動力柜提供，電液換向閥31.1的電氣接口直接從噴管執(zhí)行機構(gòu)液壓系統(tǒng)切換對接。電機本地/遠(yuǎn)程啟動，溢流閥20.1調(diào)整壓力6 MPa，壓力、溫度等狀態(tài)通過移動油源電控柜總線接口與原上位機進(jìn)行信息交互，上位機對電液換向閥31.1發(fā)送指令控制油缸動作，油缸的成型、回零動作正常，在M1.0型面成型到位后，溢流閥20.1調(diào)整壓力21 MPa，高壓鎖緊正常。

4.3 液壓試驗臺功能調(diào)試

將被測油缸100/160-955通過支架安裝于加載臺，在被測油缸完成排氣后，通過移動油源控制面板，使外控電磁換向閥26.2解鎖，電液換向閥31.2控制加載油缸活塞桿伸出，與被試缸通過連接板連接后，電液換向閥31.2斷電，外控電磁換向閥26.2鎖緊，電液換向閥31.1驅(qū)動被測油缸活塞桿帶載運動，載荷由溢流閥20.2調(diào)整，被動加載運動過程中減壓補油正常，動作平穩(wěn)靈活，對被測油缸的耐壓情況、低壓下的泄漏情況及耐久性情況均能檢測。

5 結(jié)論

所設(shè)計的移動油源集多功能于一體，可以較好滿足風(fēng)洞液壓設(shè)備運行保障與油缸地面測試等多種需求，現(xiàn)已投入使用。該移動油源操作便捷、實用性強，有力提高了風(fēng)洞關(guān)鍵液壓設(shè)備運行保障能力，對類似移動油源設(shè)計有一定的參考價值。