趙 峰, 孫世磊
(新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司, 河南 新鄉(xiāng) 453002)
優(yōu)先閥配套于商用飛機(jī)液壓系統(tǒng),用于在液壓系統(tǒng)供壓壓力較低時(shí),優(yōu)先保證系統(tǒng)中主飛控系統(tǒng)的供油,并可用于維持油箱增壓腔及蓄壓器壓力。在實(shí)際應(yīng)用中,因液壓系統(tǒng)下游負(fù)載系統(tǒng)動(dòng)作,導(dǎo)致優(yōu)先閥出口壓力突然降低,在特定工況下可能發(fā)生顫振、嘯叫等現(xiàn)象,此類(lèi)故障會(huì)嚴(yán)重影響飛機(jī)的可靠性和安全性。
文獻(xiàn)[1]通過(guò)穩(wěn)態(tài)流體仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)先閥的穩(wěn)態(tài)性能;文獻(xiàn)[2]從液壓系統(tǒng)壓力沖擊角度,通過(guò)系統(tǒng)仿真分析優(yōu)先閥開(kāi)啟時(shí)間、系統(tǒng)管路長(zhǎng)度及壁厚對(duì)液壓系統(tǒng)壓力沖擊的影響。二者均未對(duì)優(yōu)先閥自身結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響進(jìn)行分析。
本研究通過(guò)分析優(yōu)先閥結(jié)構(gòu)及其在液壓系統(tǒng)中的工作原理,建立優(yōu)先閥及簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型,對(duì)優(yōu)先閥不同工作過(guò)程中在液壓系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析,并通過(guò)改進(jìn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)優(yōu)先閥進(jìn)行優(yōu)化,改善其動(dòng)態(tài)性能,進(jìn)而最大限度地減小其在液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生顫振及嘯叫現(xiàn)象,提升商用飛機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性和安全性。
本研究所探討的優(yōu)先閥連接在泵與蓄能器、油箱增壓腔之間。如圖1所示,優(yōu)先閥進(jìn)口與蓄能器、增壓油箱的增壓腔相連,出口與恒壓變量泵相連,泵出口連接有飛控系統(tǒng)(即負(fù)載用戶(hù))。優(yōu)先閥有兩種工作狀態(tài):一是當(dāng)飛控系統(tǒng)工作時(shí),蓄能器通過(guò)優(yōu)先閥中的先導(dǎo)式壓力閥向飛控系統(tǒng)供油,這一過(guò)程稱(chēng)為優(yōu)先閥油液正向流動(dòng);二是飛控系統(tǒng)不工作時(shí),泵通過(guò)優(yōu)先閥中的單向活門(mén)向蓄能器及油箱增壓腔供油,這一過(guò)程稱(chēng)為優(yōu)先閥油液反向流動(dòng)[3-7]。具體工作原理如下:
(1) 啟動(dòng)泵,當(dāng)飛控系統(tǒng)不工作時(shí),恒壓泵輸出的壓力油克服優(yōu)先閥中的單向閥彈簧1,推開(kāi)主閥座2(即打開(kāi)單向活門(mén)),向油箱增壓腔及蓄能器提供壓力油,恒壓泵的額定壓力為21 MPa,最大壓力23 MPa,因此,泵及蓄能器油液壓力最終穩(wěn)定在22.5~23 MPa之間,此時(shí)泵輸出少量油液維持泄漏量并保持高壓。在此工作階段,優(yōu)先閥中的油液反向流動(dòng),如圖1a所示。
蓄能器充壓過(guò)程中,優(yōu)先閥進(jìn)口處壓力油經(jīng)過(guò)主閥阻尼孔及先導(dǎo)閥座阻尼孔作用在先導(dǎo)閥閥芯6上,當(dāng)閥進(jìn)口壓力上升至19 MPa時(shí),壓力油克服先導(dǎo)閥彈簧7的預(yù)緊力(先導(dǎo)閥彈簧腔有單設(shè)外泄油口)打開(kāi)閥口,使優(yōu)先閥進(jìn)口油液通過(guò)閥內(nèi)部與泵出口相通。其壓力隨泵出口壓力繼續(xù)上升至22.5~23 MPa,隨后充壓結(jié)束,單向活門(mén)關(guān)閉。在充壓階段,主閥芯3所受合力向左,閥芯處于最左端限位位置,沒(méi)有產(chǎn)生向右位移。
(2) 當(dāng)飛控系統(tǒng)工作時(shí),系統(tǒng)壓力降至4~5 MPa,此時(shí)優(yōu)先閥進(jìn)口處(與蓄能器相連)為高壓狀態(tài),出口處為低壓,油液通過(guò)主閥阻尼孔及已打開(kāi)的先導(dǎo)閥口向優(yōu)先閥出口流動(dòng),主閥芯3兩側(cè)產(chǎn)生壓力差,在壓力差的作用下主閥芯克服主閥彈簧4的預(yù)緊力迅速打開(kāi)主閥口,蓄能器儲(chǔ)存的油液經(jīng)主閥閥口至優(yōu)先閥出口與泵輸出的油液合并共同向飛控系統(tǒng)供壓。在此工作階段,優(yōu)先閥中的油液正向流動(dòng),如圖1b所示。
蓄能器向系統(tǒng)供壓的過(guò)程也是蓄能器壓力降低的過(guò)程,當(dāng)油液壓力低至主閥、先導(dǎo)閥關(guān)閉壓力時(shí),主閥及先導(dǎo)閥閥口相繼關(guān)閉,優(yōu)先閥復(fù)位。
當(dāng)優(yōu)先閥出口壓力瞬間降低,蓄能器通過(guò)優(yōu)先閥向飛控系統(tǒng)供壓時(shí),該特定工況下優(yōu)先閥有時(shí)會(huì)出現(xiàn)顫振、嘯叫等現(xiàn)象,因此需建立數(shù)學(xué)模型及仿真模型對(duì)優(yōu)先閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析,并最大限度地改善該現(xiàn)象。
優(yōu)先閥反向工作時(shí)(即向蓄能器充壓)是穩(wěn)定可靠的,故而對(duì)此過(guò)程不作分析。下面主要分析當(dāng)閥出口壓力突然降低、蓄能器放油時(shí)優(yōu)先閥的工作特性,因此重點(diǎn)建立此過(guò)程閥的數(shù)學(xué)模型[8-9]。
為節(jié)省篇幅,將先導(dǎo)閥及主閥方程合并表述。
(1) 先導(dǎo)閥或主閥閥芯受力平衡方程:
p1A1-p2A2-py-sgn(y)·Ff
(1)
式中,p1,p2—— 閥芯兩側(cè)壓力
A1,A2—— 閥芯兩側(cè)面積
py—— 閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力
Ff—— 閥芯所受摩擦力,取正值
m—— 閥芯質(zhì)量
B—— 閥芯阻尼系數(shù)
k—— 閥彈簧剛度
y—— 閥芯位移
y0—— 閥彈簧預(yù)壓縮量
(2) 先導(dǎo)閥或主閥口流量連續(xù)性方程:
(2)
式中,Qv—— 閥口流量
dv—— 閥座孔直徑
y—— 閥口開(kāi)度,即閥芯位移
Δpv—— 閥口壓差
Cdv—— 閥口流量系數(shù),取Cdv=0.61
α—— 閥芯錐閥半角
ρ—— 液壓油密度
(3) 先導(dǎo)閥座或主閥阻尼孔流量連續(xù)性方程:
(3)
式中,Qz—— 阻尼孔流量
Cdz—— 阻尼孔流量系數(shù),阻尼孔為短孔,取Cdz=0.82
dz—— 阻尼孔直徑
Δpz—— 阻尼孔壓差
利用AMESim所提供的HCD庫(kù)、液壓庫(kù)、信號(hào)庫(kù)和機(jī)械庫(kù)建立優(yōu)先閥應(yīng)用仿真模型如圖2所示,仿真主要參數(shù)見(jiàn)表1。
圖2 優(yōu)先閥仿真模型Fig.2 Simulation model of priority valve
表1 仿真模型主要參數(shù)Tab.1 Main parameter of simulation model
在仿真模型中設(shè)置優(yōu)先閥結(jié)構(gòu)參數(shù),分兩個(gè)階段對(duì)優(yōu)先閥的工作過(guò)程進(jìn)行仿真分析:一是蓄能器充壓階段;二是蓄能器泄壓階段。
(1) 在蓄能器充壓階段,飛控系統(tǒng)不工作,泵輸出流量經(jīng)優(yōu)先閥中的單向活門(mén)向蓄能器充壓,優(yōu)先閥處于反向工作狀態(tài),蓄能器最終壓力穩(wěn)定在22.5~23.0 MPa 之間;
(2) 在蓄能器泄壓階段,飛控系統(tǒng)開(kāi)始工作,系統(tǒng)(即優(yōu)先閥出口)壓力瞬間降至4 MPa低壓狀態(tài),優(yōu)先閥正向打開(kāi),蓄能器向系統(tǒng)補(bǔ)充液壓能源。
仿真時(shí),用流量控制閥模擬飛控系統(tǒng)負(fù)載,設(shè)置在0~1.5 s ,飛控系統(tǒng)不工作(關(guān)閉流量控制閥),泵向蓄能器充壓;在1.5 s時(shí)刻,飛控系統(tǒng)工作(打開(kāi)流量控制閥),系統(tǒng)壓力瞬間降至4 MPa,蓄能器向系統(tǒng)補(bǔ)充液壓能源。產(chǎn)品的主要參數(shù)會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)特性有重要影響[10-13],通過(guò)改變優(yōu)先閥主要參數(shù)分析動(dòng)態(tài)特性的變化。
將2.1節(jié)中優(yōu)先閥數(shù)學(xué)模型經(jīng)過(guò)線性化、拉氏變換得到其傳遞函數(shù)方塊圖,并假設(shè)干擾項(xiàng)(泵的出口壓力pb)為0,得到優(yōu)先閥傳遞函數(shù)為:
(4)
K0=Cdz2(Cdv1Ap1+Cdz1),
K1=kp2[(k2+kv2)+Ap2Cdv2],
K2=[K4(k2+kv2)+K5],
K3=k1+kv1,
K4=Cdz2kp2+Cdz1Cdz2+Cdz1kp2,
K5=(Cdz1+Cdz2)Ap2Cdv1,
其中,Cdz1,Cdz2分別為主閥、導(dǎo)閥阻尼孔流量系數(shù);Cdv1,Cdv2分別為主閥、導(dǎo)閥閥口流量系數(shù);Ap1,Ap2分別為主閥、導(dǎo)閥承壓面積;kp1,kp2分別為主閥、導(dǎo)閥閥口壓力 - 流量系數(shù);k1,k2分別為主閥、導(dǎo)閥彈簧剛度;kv1,kv2分別為主閥、導(dǎo)閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力系數(shù);B1,B2分別為主閥、導(dǎo)閥閥芯阻尼系數(shù)。
式(4)優(yōu)先閥傳遞函數(shù)中,2個(gè)振蕩環(huán)節(jié)的固有頻率ωe,ωm及阻尼比ξe,ξm是決定優(yōu)先閥動(dòng)態(tài)特性的主要參數(shù),這些參數(shù)與閥本身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。結(jié)構(gòu)參數(shù)包括主閥及導(dǎo)閥閥座的阻尼孔直徑dz1,dd2,閥芯承壓面積Ap1,Ap2,閥芯和彈簧的等效質(zhì)量m1,m2以及彈簧剛度k1,k2等;而且也與閥穩(wěn)態(tài)工作參數(shù)有關(guān),例如壓力等[14]。在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下,通過(guò)仿真分析來(lái)討論主閥、導(dǎo)閥閥座的阻尼孔直徑及主閥、導(dǎo)閥的彈簧剛度對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性的影響。
優(yōu)先閥其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,設(shè)置主閥阻尼孔徑dz1分別為0.7, 0.8, 0.9,1.0 mm,并啟動(dòng)泵完成蓄能器充壓、放壓過(guò)程,則其先導(dǎo)閥及主閥閥芯位移仿真結(jié)果如圖3所示。
圖3 主閥阻尼孔徑對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性的影響Fig.3 Influence of damping hole of main valve on dynamic characteristics of priority valve
仿真結(jié)果(局部放大)顯示,在現(xiàn)有優(yōu)先閥其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下,當(dāng)閥工況發(fā)生變化時(shí),主閥阻尼孔直徑越小,先導(dǎo)閥、主閥閥芯位移超調(diào)量會(huì)越大,穩(wěn)定時(shí)間會(huì)越長(zhǎng),即動(dòng)態(tài)特性越差。因此,當(dāng)閥受到干擾力作用時(shí),閥芯產(chǎn)生顫振的可能性也就越大。故而可通過(guò)增大主閥阻尼孔徑來(lái)改善閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,但孔徑不能過(guò)大,否則會(huì)影響主閥的正常開(kāi)啟。
優(yōu)先閥其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,設(shè)置其先導(dǎo)閥座阻尼孔直徑dz2分別為1.5, 2.0, 2.5 mm,并啟動(dòng)泵完成蓄能器充壓、放壓過(guò)程,則其先導(dǎo)閥及主閥閥芯位移仿真結(jié)果如圖4所示。
圖4 先導(dǎo)閥座阻尼孔徑對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性的影響Fig.4 Influence of damping hole of pilot seat on dynamic characteristics of priority valve
仿真結(jié)果(局部放大)顯示,在現(xiàn)有優(yōu)先閥其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下,當(dāng)工況改變后,優(yōu)先閥閥芯位移超調(diào)量及穩(wěn)定時(shí)間隨著先導(dǎo)閥座阻尼孔徑的增大而增大,即動(dòng)態(tài)特性相應(yīng)變差。因此可通過(guò)減小先導(dǎo)閥座阻尼孔徑來(lái)改善閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。但先導(dǎo)閥座阻尼孔徑不能過(guò)小,否則會(huì)影響主閥的正常開(kāi)啟。
優(yōu)先閥其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,在保證主閥彈簧預(yù)緊力不變的前提下,設(shè)置主閥彈簧剛度k1分別為4, 4.5, 5 N/mm,并啟動(dòng)泵完成蓄能器充壓、放壓過(guò)程,則其先導(dǎo)閥及主閥位移仿真結(jié)果如圖5所示。
仿真結(jié)果(局部放大)顯示,在一定范圍內(nèi),在保證彈簧預(yù)緊力不變的情況下,改變優(yōu)先閥主閥彈簧剛度大小對(duì)閥的動(dòng)態(tài)特性幾乎沒(méi)有影響。
圖5 主閥彈簧剛度對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性的影響Fig.5 Influence of spring stiffness of main valve on dynamic characteristics of priority valve
優(yōu)先閥其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,在保證先導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力不變的前提下,設(shè)置先導(dǎo)閥彈簧剛度k2分別為5, 5.5, 6 N/mm,并啟動(dòng)泵完成蓄能器充壓、放壓過(guò)程,則其先導(dǎo)閥及主閥位移仿真結(jié)果如圖6所示。
仿真結(jié)果(局部放大)顯示,在一定范圍內(nèi),在保證彈簧預(yù)緊力不變的情況下,改變優(yōu)先閥先導(dǎo)閥彈簧剛度對(duì)閥的動(dòng)態(tài)特性有影響,但影響較小。總體比較,優(yōu)先閥動(dòng)態(tài)特性隨著先導(dǎo)閥彈簧剛度的增大而略有改善。先導(dǎo)閥彈簧剛度增大后,閥芯位移超調(diào)略有減小,穩(wěn)定時(shí)間相對(duì)變短。
由前述知,主閥阻尼孔徑、先導(dǎo)閥座阻尼孔徑以及先導(dǎo)閥彈簧剛度會(huì)對(duì)閥的動(dòng)態(tài)特性有影響,因此可通過(guò)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)來(lái)改善閥的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)3.1~3.4節(jié)仿真結(jié)果,現(xiàn)提出兩組閥參數(shù)優(yōu)化方案,見(jiàn)表2。
圖6 先導(dǎo)閥彈簧剛度對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性的影響Fig.6 Influence of spring stiffness of pilot valve on dynamic characteristics of priority valve
表2 參數(shù)優(yōu)化方案Tab.2 Parameter optimization scheme
保持優(yōu)先閥其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,分別采用方案1及方案2設(shè)置主閥阻尼孔徑、先導(dǎo)閥座阻尼孔徑及先導(dǎo)閥彈簧剛度數(shù)值,并啟動(dòng)泵完成蓄能器充壓、放壓過(guò)程,則主閥芯及先導(dǎo)閥芯的位移仿真結(jié)果如圖7所示。
圖7 優(yōu)化方案與初始方案對(duì)比Fig.7 Comparsion of optimization scheme and original scheme
仿真結(jié)果(局部放大)顯示,對(duì)于初始方案,其閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢,在受到外部干擾時(shí)更容易發(fā)生顫振;對(duì)于方案2,雖然其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,但其主閥開(kāi)啟、關(guān)閉壓力過(guò)高,導(dǎo)致主閥打開(kāi)的時(shí)間非常短,蓄能器通過(guò)優(yōu)先閥向系統(tǒng)輸油的時(shí)間也非常短,優(yōu)先閥失去了意義,不能體現(xiàn)其工作特性。因此,可推斷方案1最為合理。
采用方案1,取蓄能器初始?jí)毫?7.5 MPa,在蓄能器充壓、放壓過(guò)程中其主閥芯、主閥座和先導(dǎo)閥芯的位移仿真結(jié)果如圖8所示。
圖8 方案1各閥芯位移變化曲線Fig.8 Displacement of main valve and pilot valve in optimization scheme 1
先導(dǎo)閥和主閥的流量變化曲線如圖9所示。
圖9 方案1閥流量變化曲線Fig.9 Displacement of main valve and pilot valve in optimization scheme 2
蓄能器與主閥進(jìn)口之間有節(jié)流孔(見(jiàn)圖1),壓力有差異,蓄能器壓力與主閥進(jìn)口壓力變化曲線如圖10所示。
圖10 方案1蓄能器壓力、主閥進(jìn)口壓力變化曲線Fig.10 Pressure curve of accumulator and main valve in optimization scheme 1
從圖8~圖10仿真結(jié)果可以看出:
在0~0.45 s,主閥座打開(kāi)至最大(其位移向左,圖中為負(fù)值),主閥芯進(jìn)口壓力迅速上升至恒壓泵壓力,向蓄能器充壓蓄能器壓力上升至20.8 MPa時(shí),在0.45 s,主閥座開(kāi)始向右移動(dòng),單向活門(mén)閥口開(kāi)始變小,蓄能器壓力繼續(xù)上升至22.9 MPa,在1 s,單向活門(mén)關(guān)閉,充壓結(jié)束,不再有流量通過(guò),優(yōu)先閥進(jìn)口油液通過(guò)閥內(nèi)部與泵出口相通,整個(gè)閥腔通道內(nèi)的油液可看作靜壓。
在1.5 s,系統(tǒng)壓力突降至4 MPa,先導(dǎo)閥開(kāi)始有流量通過(guò),其開(kāi)口迅速變小以維持閥口壓差,隨后主閥口迅速打開(kāi),蓄能器向系統(tǒng)補(bǔ)充液壓能源。蓄能器向系統(tǒng)供壓的同時(shí),其壓力逐漸降低,供油流量逐漸減小,當(dāng)蓄能器油液壓力降低至主閥關(guān)閉壓力時(shí),在1.62 s時(shí)刻,主閥關(guān)閉,隨后蓄能器油液經(jīng)主閥阻尼孔、先導(dǎo)閥閥口緩慢向系統(tǒng)泄壓,其先導(dǎo)閥在一段時(shí)間后才漸漸關(guān)閉(時(shí)間長(zhǎng),圖中未顯示),而后優(yōu)先閥復(fù)位,蓄能器壓力維持在某一壓力值。
需注意:優(yōu)先閥雖復(fù)位,但其主閥座及主閥芯均處于位移0.5 mm處,而未處于零位。這是因?yàn)?,雖然主閥口已關(guān)閉,但此時(shí)優(yōu)先閥進(jìn)口壓力(即蓄能器壓力)相對(duì)于其出口仍為高壓狀態(tài),因此主閥座2(即單向活門(mén))在壓力油作用下處于最右端限位位置。此位置下,主閥芯不在零位,而是相對(duì)于其左端限位(即零位)有0.5 mm的向右位移量。這個(gè)0.5 mm的間隙設(shè)計(jì)是保證無(wú)論主閥座處于最右端限位位置還是主閥芯處于最左端限位位置,均應(yīng)保證主閥口能夠關(guān)緊,不留縫隙(見(jiàn)圖1)。
可以看出,采用方案1,在蓄能器充壓、泄壓整個(gè)過(guò)程中,閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性良好。因此,當(dāng)閥受到干擾力作用時(shí),該方案能夠有效改善其可能產(chǎn)生的顫振及嘯叫現(xiàn)象。
建立了優(yōu)先閥的數(shù)學(xué)模型,給出了傳遞函數(shù)表達(dá)式,并建立了基于AMESim的仿真模型。在優(yōu)先閥其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下,當(dāng)閥工況發(fā)生變化時(shí),通過(guò)仿真分析得出以下結(jié)論:
(1) 主閥阻尼孔直徑越小,優(yōu)先閥閥芯位移超調(diào)量會(huì)越大,閥動(dòng)態(tài)特性會(huì)變差。當(dāng)閥受到干擾力作用時(shí),閥芯產(chǎn)生顫振的可能性也就越大;
(2) 先導(dǎo)閥座阻尼孔直徑越大,優(yōu)先閥閥芯位移超調(diào)量會(huì)增大,閥動(dòng)態(tài)特性相應(yīng)變差??赏ㄟ^(guò)減小先導(dǎo)閥座阻尼孔直徑來(lái)改善閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性;
(3) 先導(dǎo)閥彈簧剛度的大小會(huì)對(duì)優(yōu)先閥的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生影響,而主閥彈簧剛度的大小對(duì)優(yōu)先閥動(dòng)態(tài)特性的影響可以忽略不計(jì);
(4) 主閥阻尼孔直徑取0.9 mm,先導(dǎo)閥座阻尼孔徑取1.5 mm,導(dǎo)閥彈簧剛度取6.0 N/mm時(shí),閥的動(dòng)態(tài)特性效果最佳。即當(dāng)系統(tǒng)工況發(fā)生突變時(shí),閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng)更加迅速,可有效改善其可能產(chǎn)生的顫振及嘯叫現(xiàn)象。