主燃油控制裝置泵選擇模塊穩(wěn)定性設(shè)計仿真研究

昝宇晗，楊 帥，李 揚(yáng)

（中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

航空發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由電子控制器、液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等組成[1]。液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計制造周期長、成本高[2]。通過建模仿真研究可以預(yù)測液壓機(jī)械機(jī)構(gòu)性能、評估設(shè)計方案，及早發(fā)現(xiàn)并修正設(shè)計缺陷，確定改進(jìn)優(yōu)化方向，縮短研制周期、節(jié)約研制成本[3]。

航空發(fā)動機(jī)液壓機(jī)械的功能由多個液壓功能單元共同實(shí)現(xiàn)。在分析每個功能單元運(yùn)行機(jī)制的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的功能單元模型，然后組成機(jī)構(gòu)的總體模型。利用AMESim 軟件模塊化、圖形化的建模方式，將主要精力放在功能和性能分析上將主要精力放在系統(tǒng)功能分析和性能分析。

基于AMESim 軟件的航空發(fā)動機(jī)液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)研究有很多，其中文獻(xiàn)［4］研究了壓氣機(jī)導(dǎo)流葉片調(diào)節(jié)器切換特性；文獻(xiàn)［5］針對主燃油控制裝置的建模進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［6］對電子控制器、液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和發(fā)動機(jī)模型進(jìn)行了聯(lián)合仿真。

本文介紹某型主燃油控制裝置泵選擇模塊與存在的問題，利用AMESim 軟件建立仿真模型，深入分析了泵選擇模塊在主燃油泵和伺服燃油泵共同供油段出現(xiàn)停滯的原因，得出了較大驅(qū)動力、較小共同供油段對泵選擇模塊切換過程穩(wěn)定性有提升效果的結(jié)論。

1 主燃油控制裝置泵選擇模塊結(jié)構(gòu)與問題

1.1 泵選擇模塊工作原理

泵選擇活門一端通有主燃油泵后來油，泵選擇活門中心加工有通油孔，將主燃油泵來油引入活門內(nèi)腔，用以平衡作用在活門上的壓差力；活門另一端通有低壓油，通過彈簧座與LVDT（Linear Variable Differential Transformer，線性可變差動變壓器）相連，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)有泵選擇模塊結(jié)構(gòu)原理

在發(fā)動機(jī)啟動階段，由于轉(zhuǎn)速較低，主燃油泵的燃油壓力較低，泵選擇活門在彈簧力作用下處于關(guān)閉位置，切斷了主燃油泵來油通往主燃油計量活門的供油通道。此時，伺服燃油泵來油經(jīng)泵選擇活門單獨(dú)向主燃油計量活門供油。

隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，主燃油泵來油壓力隨之升高，泵選擇活門在主燃油泵來油壓力作用下克服彈簧力移動，打開主燃油泵來油供往主燃油計量活門的通道。此時，主燃油泵來油和伺服燃油泵來油同時向主燃油計量活門供油。

隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，主燃油泵來油壓力超過設(shè)定值時，泵選擇活門向右移動至完全打開，關(guān)閉伺服燃油泵來油通往主燃油計量活門的供油通道。此時，主燃油泵來油單獨(dú)向主燃油計量活門供油。

當(dāng)主燃油泵故障時，泵的來油壓力快速降低，泵選擇活門在彈簧力作用下移動到關(guān)閉位置，切斷了主燃油泵來油向主燃油計量活門供油的通道，由伺服燃油泵經(jīng)泵選擇活門單獨(dú)向主燃油計量活門供油。

1.2 現(xiàn)有泵選擇模塊存在的問題及分析

泵選擇活門上設(shè)置有LVDT，向電子控制器發(fā)送泵選擇活門位置信號。隨著主燃油泵后壓力變化，泵選擇活門移動出現(xiàn)停滯。在活門打開過程中，活門在主燃油泵來油通道打開臨界位置處出現(xiàn)停滯。在活門關(guān)閉過程中，活門位移在伺服燃油泵來油通道打開的臨界位置處出現(xiàn)停滯，兩個停滯位置均在主燃油泵和伺服燃油泵共同供油段。

泵選擇活門工作條件和受力情況進(jìn)行分析，認(rèn)為泵選擇模塊停滯的原因可能與泵選擇活門處于主燃油泵和伺服燃油泵共同供油階段時，泵選擇活門上的液動力不平衡導(dǎo)致活門受力狀態(tài)變化有關(guān)。液動力大小主要受活門驅(qū)動力、型孔開度等影響。一般情況下，通過活門的驅(qū)動力越小，活門所受的液動力越小，活門剛剛打開（即型孔開度較小時），活門受的液動力影響較為明顯。

驅(qū)動力大小主要受活門受力面積、燃油壓力等影響。一般情況下，活門受力面積越大，燃油壓力越大，活門所受的驅(qū)動力也越大。在燃油壓力恒定的情況下，可以通過增大活門受力面積的方式使活門所受的驅(qū)動增加，以改善泵選擇活門的運(yùn)動穩(wěn)定性。目前泵選擇活門處于主燃油泵和伺服燃油泵共同供油階段的窗口寬度為2 mm，適當(dāng)減小共同供油段窗口寬度可以使切換過程中主燃油計量流量平穩(wěn)，降低泵切換對主燃油計量造成的干擾。

2 泵選擇模塊的穩(wěn)定性影響分析

依據(jù)對泵選擇模塊存在的問題及分析，利用AMEsim 軟件建模仿真，增大泵選擇活門的驅(qū)動力與共同供油段的窗口大小，探究影響泵選擇模塊穩(wěn)定性的因素。

2.1 驅(qū)動力對泵選擇模塊的穩(wěn)定性影響

現(xiàn)有的泵選擇活門模塊由泵選擇活門組件、泵選擇活門止動墊、彈簧座、彈簧與LVDT 組成，泵選擇活門一端通有主燃油泵后來油，泵選擇活門中心加工有通油孔，將活門主燃油泵來油引入活門內(nèi)腔，用以平衡作用在活門上的壓差作用力。泵選擇活門左端止擋位置為泵選擇活門止動墊端面，右止擋位置為彈簧座與線位移安裝座接觸面。泵選擇活門襯套右端通有低壓油，通過彈簧座與LVDT 相連。該結(jié)構(gòu)由于采用活塞式結(jié)構(gòu)，通過降低活門的受油液壓力的面積，可以降低泵選擇活門彈簧的設(shè)計難度，但同時導(dǎo)致該活門彈簧的力值較小，使泵選擇活門的驅(qū)動力相對較小。

改進(jìn)后的泵選擇模塊結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)取消了泵選擇活門止動墊與彈簧座，將泵選擇活門襯套改進(jìn)為通孔形式，襯套安裝面調(diào)整于殼體安裝孔的LVDT 一側(cè)。將泵選擇活門與彈簧座結(jié)合，彈簧止靠于泵選擇活門底部，彈簧剛度由7.87 N/mm 增加至48.6 N/mm，彈簧腔通2 MPa 定壓油。改進(jìn)后的泵選擇活門取消了通油孔與活門內(nèi)腔，活門受力面積由Φ10 mm 的活塞桿截面積增大至Φ30 mm 的泵選擇活門外徑截面積，從而增加活門的驅(qū)動力，改善活門運(yùn)動的穩(wěn)定性。

圖2 改進(jìn)后的泵選擇模塊結(jié)構(gòu)原理

為驗證泵選擇模塊改進(jìn)后的可行性，利用AMESim 軟件進(jìn)行模擬仿真。改進(jìn)前的泵選擇模塊在主燃油泵來油通道打開臨界位置處出現(xiàn)停滯，泵選擇活門移動曲線出現(xiàn)平段。改進(jìn)后停滯現(xiàn)象改善，泵選擇活門移動曲線平段較小。

2.2 共同供油段窗口對泵選擇模塊的穩(wěn)定性影響

為使泵選擇活門工作時盡快脫離活門剛打開的狀態(tài)，同時滿足LVDT 的行程限制，在目前泵選擇活門襯套型孔的基礎(chǔ)上，泵選擇活門共同供油段的開度從0.1 開始，逐步增大泵選擇活門共同供油段的開度。通過對比不同泵選擇活門共同供油段開度下，泵選擇活門移動的線性和計量流量、壓差的穩(wěn)定性，找出滿足計量供油需求的最小開度和最小供油面積。圖3 為不同共同供油段開度時的仿真結(jié)果，隨著共同供油段開度的減小，泵選擇活門移動曲線平段總體呈減小趨勢。但當(dāng)共同供油段開度小于0.5 mm 時，計量流量在切換過程中的波動明顯放大。

圖3 泵選擇活門移動曲線

為探究共同供油段開度較小情況下對泵選擇模塊的真實(shí)影響，設(shè)計并加工共同供油段設(shè)計為0.1～0.16 mm 泵選擇活門，并裝配于主燃油控制裝置在實(shí)驗臺上進(jìn)行驗證。泵選擇活門移動中的停滯減小，但主燃油計量供油在泵切換過程中出現(xiàn)主燃油計量流量下掉。將泵選擇活門共同供油段返修至1～1.5 mm 后，主燃油計量流量下掉現(xiàn)象消失。

根據(jù)泵選擇模塊改進(jìn)前后主燃油控制裝置試驗數(shù)據(jù)對比，可知減小泵選擇活門共同供油段可以減小泵切換過程中泵選擇活門移動中的停滯，但共同供油段過小會導(dǎo)致主燃油計量流量下掉現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

分析某型主燃油控制裝置中泵選擇模塊出現(xiàn)停滯的原因，并利用AMEsim 軟件建模仿真，探究驅(qū)動力與共同供油段的窗口大小對泵選擇活門穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，較大驅(qū)動力、較小共同供油段的泵選擇模塊切換過程引起的燃油波動都能在較短時間內(nèi)恢復(fù)，組件穩(wěn)定性得到提升，對于主燃油控制裝置泵選擇模塊設(shè)計具有參考和指導(dǎo)意義。