基于电液伺服控制的飞行台液压加载系统.pdf

2 0 1 5年 2月 第 4 3卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS F e b． 2 0l 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 4 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 2 8 基于 电液伺服控制的飞行台液压加载 系统 马燕荣 中国飞行试验研究院，陕西西安 7 1 0 0 8 9 摘要 针对航空发动机空中试验过程中液压功率提取的试验要求，采用电液伺服控制系统，研制航空发动机飞行台液 压加载系统 ，以实现被试发动机飞行台试验过程中，液压加载无级可调的要求。试验结果表明在被试发动机飞行台试验 中，该系统可以按要求定量模拟液压功率提取 ，满足系统设计指标。 关键词航空发动机；飞行台；电液伺服控制 ；液压加载 中图分类号 V 2 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 4 - 0 9 1 - 4 Hy d r a ul i c Lo a d S y s t e m o f Fl i g h t Te s t Be d Ba s e d o n El e c t r o - h y dr a u l i c S e r v o Co nt r o l MA Ya n r o n g C h i n e s e F l i g h t T e s t E s t a b l i s h me n t ， X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 8 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c l o a d s y s t e m w h i c h wa s u s e d t o v a l i d a t e t e s t e d a e r o e n g i n e p e rf o r ma n c e b y e x t r a c t i n g h y d r a u l i c p o we r i n fl i g h t t e s t be d wa s d e v e l o pe d b a s e d o n e l e c t r o h y dr a u l i c s e r v o c o n t r o 1 ． Th e d e s i g n r e qu i r e me n t s a n d s t r u c t u r e o f o v e r a l l s y s t e m we r e de s c r i b e d． T h e fl i g h t t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m d e v e l o p e d i s s t a b l e a n d c a n q u a n t i t a t i v e l y e x t r a c t h y d r a u l i c p o we r o f t e s t e d e n g i n e d u r i n g a i r a n d g r o u nd t e s t ，a n d t he f un c t i o n i s a bl e t o f ul l y me e t t h e t e c hn i c a l qu a l i f i c a t i o n． Ke ywo r ds Ae r o en g i n e；Fi g ht t e s t b e d；El e c t r o h y dr a u l i c s e r v o c o n t r o l ；Hy d r a u l i c l o a d 航空发 动机 飞行 试验 台 简称 飞行 台 是 专 为 航空发动 机试 验 而改 装 的试 验平 台，一 般 用大 型 多 发轰炸机 或运 输 机 改装 而成 ，被试 发 动机 安装 在 专 用的机身 吊舱 内，或者取代飞行 台飞机 的一 台已定 型的发动 机 ，用 于 在真 实 大气条 件 下对 发 动机 进 行 研制试 飞和取 证 试 飞 ，是新 型 发动 机研 制 过程 中不 可缺少 的重大技术设施 。 航空发 动机 在保 证 飞机 足 够推 力 前 提下 ，且 需 带动安 装 在发 动 机 飞 附 机 匣上 的液 压 泵 高 速 转 动 ， 保证 飞机液 压 系统 的工 作需 求 。为 了检查 飞机 液 压 负载对发 动机 工 作稳 定性 和 性 能特性 的影 响 ，飞 行 台需设 置独 立 于飞 机液 压 系统 的被 试 发动 机液 压 加 载 系统 ，用 于试 验 过程 中，模 拟 被试 发 动 机液 压 负 载功率提取 。 传统飞行 台液压加载系统采用节流咀形式，通 过改变节流咀面积改变液压油流量达到调节液压负 载的目的。其优点在于结构简单，缺点在于负载流 量 固定 ，无 法做 到 无级 可 调。电液 伺 服控 制 系 统 因 控制精度高 、灵敏度高 、结构紧凑等突出优点，越来 越多地被应用 于航空 领域及 其他 工业。 采用 电液伺服控 制 系统 ，研制 飞行 台加 载系统 ， 以实现飞 行 台被试 发 动机 试 验过 程 中 ，液压 加 载无 级可调 的要求 。 1 系统设计要求 1 液压加 载 系统 压力 2 1 0 ． 5 M P a ，流 量 Q ≥1 5 0 L ／ mi n； 2 提取 功率 应 能够无 级 可调 ，并且 可 以完 全 关 闭 ； 3 具 备在发 动 机起 动过 程加 载 ，发 动 机推 力 瞬变过程加 载能力 ； 4 满足被试发动机反推力装置使用的要求 ； 5 当系统 管路 液压 油压 力 过大 时 ，应具 备 自 主泻压的功能，当液压加载系统出现故障时，应具备 实 时指示 、告警 的功能 ； 6 满足飞机机载环境使用要求 。 2系统组成 飞行台液压加载系统主要是在被试发动机飞行 台试验 中 ，提供 真实的液压负载 ，模 拟飞机液压系统 载荷 ，以考核被试发动机在真实液压功率提取条件 下 的工作稳定性及 性能。 飞行 台液 压 加 载 系 统 由被 试 发 动 机 相 关 系统 液压泵、反推力装置 、飞行台燃油油箱、飞行台 试验任务 相关 系统 空 中试 车 员操 纵及 监 控 、机 载 测试系统 、加载模拟系统 加载流量模拟装置 、加 载控制 系统 等组成 系统结构如 图 1 所示 。主要 功能有 两项 1 用 于飞行 台被试 发动机 空 中及 地 收稿 日期 2 0 1 4 一 O 1 0 3 作者简介马燕荣 1 9 7 5 一 ，女，硕士研究生，高级工程师，研究方 向为航空发 动机飞行试验。E ma i l m y r 7 5 s o hu ．c o n 。 9 2 机床与液压 第 4 3卷 面试验过程 中，按试 验要求对被试发动机高压 转子带 转的液压泵进行加载，检查被试发动机输出液压功率 的情况下 ，对发动机性能的影响 ； 2 在被试发动机 反推力装置试验过程中为其正常工作提供液压源。 l J I奏 豪 蓑 盖 墨 H嬲I l 燃 油 油 箱 J l操 纵 及 监 控 l’ l 测 试 系 统 l 被 蓑 黎 机 H 袈 翥 鎏 茎 液 压 泵 l l 模 拟 装 置 液 压 加 载 控 制 装 置 l I l - _ ] 反 推 力 装 置 } I 图 1 飞行台液压加载系统组成示意图 3系统 工作 原理 3 ． 1 电液伺服 控制 系统 电液伺服系统是 以液 压动力 元件作 为执 行机构 ， 根据反馈原理，使系统 的输 出跟踪给定信号的控制 系统，由于它具有体积小、质量轻、寿命长 、控制精 度高等突 出优 点 ，被 广泛 应用 于 航空 航 天 、车 辆 与 _T程机械 、海洋 工程 等 重要领 域 。作 为 电液伺 服 控 制系统心 脏 ，电液伺 服 阀是 一种 精 密液 压 元件 ，在 伺服控制系统中它既是信号转换元件，又是功率放大 元件，将伺服控制系统中的电气部分与液压部分连接起 来，从而实现电液信号的转换与放大，对液压执行元件 进行控制 。 电液伺 服 阀用伺 服 放大 器 进行 控 制 ，伺 服放 大 器 的输入 电压信 号来 自电位 器 、信 号发 生 器 、同步 机组 和计算机 的 D ／ A数模转换器输 出的电压 信号等 ， 其输 出参数 即电一 机械转换器 力矩 马达 的电流与 输入 电压信号成正 比。图 2为一典型 的双喷嘴挡板式 电液伺服 阀结构 ，由电一 机 械转换器 、液压控制 阀和 反馈机构三部分组 成。电液控 制阀 的电一 机械 转换器 的作用是将伺 服放 大器输 入 的电流转换 为力矩 或力 ， 进而转换为在弹簧支承下阀的运动部件的角位移或 直线位 移 ，以控制 阀 口的过流 面 积大 小。 电液伺 服 阀在 系统 中一般 不 用作 开环 控制 ，系统 输 出参 数必 须进行 反馈 ， 滑 杆 图2 典型双喷嘴挡板式电液伺服阀 电液伺服 阀接 到 经过 电子 放大 器 放 大 以后 的输 入信号后 ，由液压能 源提供 的压力 油进入 执行元 件 ， 带动工作机构运动。工作机构的位移量或其他运动 参 数用各 种 传感 器通 过 检测 装 置变 为 电信号 ，并 反 馈到输入端与输入信号 比较 ，所得到的偏差信号作 为电子放大 器 的控制 信 号 ，电液伺 服 阀在该 偏 差信 号作用下控制执行元件工作 ，当偏差 信号为零时 ，执 行元件停止 运动达 到新 的平 衡位 置 电液 伺服 系 统 工作原理见 图 3 。从 系统输入 指令 到执 行元 件输 出 相应运动参 数 达到新 的平衡 状 态 ，其控 制 过程 是 一 个被控量不断反馈和修正的动态过程。 图 3 电液伺 服系统工作 原理图 3 ． 2飞行台液压加载 系统工作原理 被试发动 机 飞行 及地 面试 验 过 程 中 ，通过 电液 伺服 系统按试验要求 调节液 压泵 出 口的压 力和 流量 ， 液压泵产 生 的压 力油 直接 经 溢流 阀溢 流 ，能 量全 部 转化 为热能 ，产生 的热量通过燃油循环带走 。在被试 发动 机反 推 力试 验过 程 中 ，由液 压加 载 系统 向反 推 力装置提供规定压力的液压油以满足其正常工作需 求 。飞行 台液压加 载系统工作原理见 图 4 。 图4 飞行台液压加载系统工作原理示意图 其中 ，整个 系统 由被试 发动 机液压 泵提供 压力 ； 加载流量模拟装置通过控制 电液伺服阀的阀口开度 ， 实现被试发动机飞行试验过程定量模拟液压功率的 提取 ；飞行 台燃油 油箱 内的燃油用 于 系统 的冷却油 ； 通过空 中试 车 员操 纵及 监 控 系统 实现 飞行 试验 过程 第 4期 马燕荣基于电液伺服控制的飞行台液压加载系统 9 3 中系统工作状态的操纵、控制及监控；飞行台机载 测试系统 完 成 液 压加 载 系 统 所 有 试 验 数 据 的采 集 、 遥测及记录 。 4系统设计 4 ． 1 加 载模 拟 系统设 计 被试发动 机液 压 泵压 力和 流 量 的调 节是 通 过 电 液伺服阀来控制 ，系统加载功率按以下公式计算 N--0 ． 0 0 1 6 3 5 x Qx p 增 压 - p 泵 进 口／ 7 式中Ⅳ为提取的功率 ，k W； Q为负载管线的液压油流量 ，Q ⋯ ≥1 5 0 L ／ m i n ； P 增 为泵 出口的压力 ， 1 0 P a ； P 进 口 为泵进 15的压力 ， 1 0 P a ； 为泵的工作效率。 液压加 载系统 是能 量转换 系统 ，系统发 热量 大 、 工作时间长，液压泵在卸载状态下仍然高速运转， 采用飞行台燃油箱内燃油作为冷却介质。 在加载 系统 中，采 用 电磁 换 向阀和 节 流 阀来 保 证被试 发 动 机 反 推 装 置 需 要 液 压 油 的进 出 和 流 量 要求 。 4 ． 2控 制 系统 设计 飞行 台 液压 加 载 控 制 系 统 由加 载 操 纵 及 显 示 、 加 载控制器 两部分组 成。主要采 用成 熟 的 P I D控 制 输 出流量 由测 控软 件给 定输 入值 ，通 过调 节 电动 伺 服 阀开度 以实现 加 载流 量调 节 ，用 流量 或 压力 测 量 值的反馈完成系统闭环控制。其控制原理图如图5所 示 。被试发 动 机试 验 过程 中，空 中试 车 员 通过 加 载 控制面板输入试验要求 ，控制面板将操作指令送入 控制器，实现对被试发动机液压泵加载流量 的要求， 系统 相关 工作 参数 及 工作 状态 通 过飞 行 台机 载测 试 系统发送 至 加载 监控 显 示 ，实 现试 验过 程 中对 系 统 工作状态 的实 时监控 ，同时通 过遥 测 系统 将所 有 数 据传送 至地 面监 控显示系统 。 图 5 飞行 台液压 加载控制系统原理 图 4 ． 2 ． 1 操纵及监控显示系统 在被试 发动 机 飞行 台试 验 过 程 中 ，空 中试 车 员 通过液压加载控制面板相应开关实现对液压加载系 统 的操 纵及 调节 ，通 过液 压加 载显 示 画 面实 时监 控 系统工作状态、相关参数的变化。液压加载系统控 制 面板及显示 画面见图 6 。 作爨 液 压 加 载 供 电 液 压 加 载 工 作 功 率 设 定 。、 驱 动 器 供 电 g 加藏 供 电 液 压加 载 关闭 液压加载 泵 卸荷 驱 动嚣 供 电 泵壳体压力 泵 出 口压 力 管路压力 管路 温度 加载 流量 加载 功率 系统故障告警 ● 超 压告 警 ◆ 超温告警 ◆ 系 统状 态 ● 图6 飞行台液压加载控制面板及显示 4 ． 2 ． 2 加载控制器 加载控制器 以 P C ／ 1 0 4嵌入式计算机为测控核 心，主要用于控制系统供 电、实现加载流量无级可 调、检测系统运行参数、传送数据至机载测试系统等 功能的实现 其工作 原理见 图 7 。 控 厂 ] 三 堕 壁 蕉 ． I 驱 动 器[ I iT一 i l I l 广 ； 广 ] 2 8 v 激 励 L 上 ] 十 匹 至 至 至 三 二 二 二 通 过 遥 测 传 输 至 地 面 图 7 飞行台液压加载系统测控原理图 控制计算机主要包括 C P U、扩展功能和数据采 集 与控制三 大类 模 块 ，将试 验 数 据检 测处 理 和试 验 状态参数自动控制溶为一体，可以快速、准确地调节 液压泵加载变化 ，实现工作状态的切换 ，满足液压泵 在不同状态下工作的要求 ，完成试验过程 中压力 、流 量 、温度等试验数 据的采 集 、处 理及存 储。 计算机通过采集流量模拟系统流量、压力、温度 等参数，对系统的状态进行控制和监测。通过涡轮流 量计 得到真实流量值 ，经过 压力／ 温度 传感 器得 到真 实的压力／ 温度值。采集 的流量与指令相 比较，输送 给电动伺服阀控制信号实现精确流量控制 。 5 试验研究 被试发动 机 的状 态 由慢 车至 最 大起 飞 状态 ，液 一 一一 一 一一 一 一一 一 9 4 机床与液压 第 4 3卷 压加载 流量 由 1 0 L ／ m i n调 整 1 5 1 L ／ m i n 。整个 试 验 过程 中 ，被试 发动机 工作 正 常 ，液 压加 载 系统工 作 正常 ；在被试发 动机最 大爬 升 状态 下 ，液压 加载 流 量加至 1 5 0 L ／ ra i n时，壳体 回油温度超过设定值后 ， i 一 046 a 功率 设定 试 验 过 程 中，空 中试 车员 通 过调 整 液 压 加 载控 制面板上 “ 功率设定”旋 钮来 控 制 被 试 发 动 机 。图 9给 出 了试 验 过 程 中加 载 功率 与 流 量 的曲线 。可看 出 试 验 过 程 中 ，加 载 控 系统故障灯亮 ，液压加载 自动卸载保护；当壳体 回 油温度低于设定值后，故障灯灭 ，整个液压加载系 统工作 正常 。试 验曲线见 图 8 。 b 流量 e 壳 体 回油温 度 f 油箱 温度 图 8 飞行 台液压加载试 验 制 系统可 快 速 将 空 中试 车 图 9 加载试验过程中功率 员指令 转 化 为 伺 服 控 制 电 与流量曲线 流 ，满 足被试 发动机 液压加 载试验要求 。 6结 论 1 采用 电液伺服控 制 系统 ，研 制 飞行 台液 压 加 载系统 ，实现 飞行 台被试 发 动机 试验 过程 中 ，液 压 加载无 级可调 的要求 。 2 从 试验 结果 看 ， 飞行 台液 压加 载 系统 在 被 试 发动机试 验过程 中，可 以按 试 验要 求模 拟 液压 功 率提取，满足系统设计指标要求。 参考文献 [ 1 ]江辉军， 安玉娇， 袁朝辉． 飞机液压系统流量压力负载 模拟[ J ] ． 航空学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 7 1 3 5 7 1 3 7 0 ． [ 2 ]宋晓军 ， 刘帮成． 电液伺服阀测试台液压系统设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 2 4 7 4 8 ． [ 3 ]袁朝辉 ， 马科 ， 江辉军， 等． 某型飞机液压能源系统原理 验证试验 系统研究 与设计 [ J ] ． 测控 技术 ， 2 0 1 0， 2 9 6 4 8 - 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7 8 3 ． ∞加踮加0 蛐砷 加 0 舳∞∞柏 0 ． * H 勰 靴 0 、 _ I 一 目 _ 0 一 一 、 ● j， 吲 ～