文丨奇影视距

编辑丨奇影视距

前言

随着我国航空技术的进步，自主研制的各型航空发动机服役在军用飞机上。

其中，燃油调节阀的设计也多种多样，这给航空发动机排故带来了技术挑战，传统的排故方法通过大量试验进行分析，这种方法需消耗大量人力和财力，消耗时间长，排故定位不精确。

因此，对燃油调节阀建立模型进行理论和仿真分析尤为必要。利用计算机仿真技术分析方法，优化燃油调节阅设计，为排故提供故障依据，进一步提高燃油调节阀的工作稳定性，并为后续的试验奠定基础，减少试验时间和人力等。

我们通过对不同类型的燃油调节阀进行大量的研究，通过建立模型进行仿真分析，对燃油控制装置中的计量活门部分建立数学模型，仿真分析了稳态精度及动态特性。

对某型发动机加力燃油系统进行了仿真研究，其中对计量活门使用AMESim建模与仿真分析，对燃油系统中的计量活门建立了数学模型并使用MATLAB/Simulink进行了仿真分析，得出仿真结果与实验结果相吻合。

对燃油调节器计量活门部分使用SimulationX软件进行了建模仿真，针对加力燃油调节器出口压力波动问题建立了AMESim仿真模型，通过仿真分析优化压差活门参数匹配特性可以解决此问题。

应用AMESi仿真分析方法进行燃油调节器排故.在产品及零组件的生产、装配、调整中的实测参数对模型进行优化和调试，定位故障原因。

针对某型航空发动机燃油调节器系统故障诊断的问题，提出一种联合仿真的方法可以将燃油调节器故障诊断转化为发动机监控参数模式识别的问题，该方法不仅为燃油调节器的故障诊断提供了途径，为故障排除提供了定量的解决方案，也为发动机视情维修提供依据。

以上都对燃油调节阀建立模型，进行精度和动态分析，仿真结果与试验结果相符合，通过分析某部分的参数特性或监控参数模式识别为故障诊断提供依据。

虽然都进行仿真和试验分析，但由于燃油调节阀的设计方案繁多，故障原因多种多样，以上对于燃油调节阀弹簧刚度和预压缩量对故障的影响分析胜少。

某型燃油调节阀由伺服阀、计量活门和指令活门组成，通过同伺阀控制计量活门位置达到流量计量的作用，同时指令活门打开活门发出指令油。

该型燃油调节阀在地面试验中出现指令活门抖动的现象，因此研究此燃油调节阀静态特性与控制动态特性在工程应用上具有重要意义。

我们根据其原理，建立系统的静态模型和动态控制模型，通过AMESm模型仿真分析，找出指令活门抖动原因。

我们介绍该型燃油调节阀的工作原理，依据力平衡方程建立该燃油调节阀的静态数学模型，分析指令活门位置变化与计量活门位置变化的规律，找出指令活门抖动原因。

对其建立系统动态控制模型，分析该设计在目前参数下是否能控.用控制理论分析该燃油调节阀设计的合理性。

建立AMESim仿直模型，验证指令活门抖动现象，分析弹簧刚度和预压缩量对系统动态的影响，最后给出结论。

一、某型燃油调节阀工作原理

某型燃油调节阀的工作原理如图1所示，此阀由控制器、伺服阀、计量活门、指令活门和位置传感器组成。

计量活门和指令活门的控制腔相连，通过参考输入与反馈之间的误差来驱动伺服阀，使伺服阀流量进入控制腔，当计量活门阀芯位置有移动时，指令活门阀芯位置达到最大行程位置。

目前，对此燃油调节阀进行试验测试，发现当给定的参考输入在小范围内出现指令活门阀芯位置没有达到最大行程，且阀芯位置时开时关抖动的现象。

计量活门主要由计量活门弹簧、计量活门滑阀、计量活门腔室和计量活门控制腔室组成，指令活门主要由指令活门弹簧、指令活门滑阀、指令活门死腔和指令活门控制腔组成。

二、静态数学模型

对指令活门进行受力分析，可建立静态力平衡方程，指令活门受到弹簧力、控制腔压力、死腔压力。

由式（3）可知，指令活门阀芯移动与计量活门阀芯移动成正比，其比例系数与指令活门阀芯面积和计量活门阀芯面积之比成正比，与指令活门弹簧系数和计量活门弹簧系数之比成反比。

在该阀工作中，阀芯面积比基本不变，弹簧刚度比与计量活门弹簧刚度K2成正比，指令活门初始变化位置与计量活门弹管预压缩量有关。

若计量活门弹簧刚度和预压缩量过小，使得指令活门变化不能达到最大行程，导致其不能正常工作。

三、动态数学模型

指令活门在此燃油调节阀中起开关作用，忽略指令活门阀芯所受的重力、瞬态液动力，得出指令活门运动力平衡方程：

计量活门对流过的燃油进行计量，未流进计量活门的油称为计前油，流过计量活门的油称为计后油。

根据计量活门的结构特性及工作原理，计量活门滑阀受到计后油与控制油的压差力和计量活门弹簧力的共同作用。

当计量活门运动时，计量活门还应受到阻尼力的作用，由计量活门运动力平衡得:

在此燃油调节阀中，计量活门的控制腔与指令活门的控制腔相连。

通过调节进入控制腔的控制流量来改变控制腔的压力，从而使计量活门达到相应的位置。 通过分析，进入控制腔的流量与指令活门位置指令活门速度、指令活门阀芯处压差、计量活门位置、计量活门速度和计量活门阀芯处压差有关。

控制腔体积的变化与流量有关，作用在控制腔中的流量与进入到控制腔中的控制油的流量、活门的泄油量和活门的运动产生的流量有关。

由流量连续性得:

四、AMESim模型分析与验证

由此燃油调节阀的原理，运用AMESim软件搭建其仿真模型。

该模型采用AMESim液压元件设计库中的元件，按照元件实际结构搭建。

在此模型中，为了保证计量燃油与计量活门阀芯位置的线性关系，计前油压与计后油压压差恒定为1MPa分别给定计前油压和计后油压来保证此压差一定。

在图2燃油调节阀AMESm 模型中，不采用计量活门阀芯位置反馈闭环控制部分，给定控制腔一定的压力，使得计量活门阀芯发生移动，观察指令活门阀芯移动情况。

改变控制腔压力使它在2s 内从60 bar变化到59bar，在仿真中加入弹簧预压缩量，给定指令活门弹簧预压缩量为0.5mm，计量活门预压缩量为2mm。

仿真结果如图3所示，仿真结果表明指令活门位置较计量活门位置提前打开，开启开度约3 mm，大于计量活门的最大行程2.5 mm。

给定指令活门死腔压力有振幅0.06 bar的正弦扰动，控制腔压力为59.9 bar使计量活门位置保持在将要开启状态。

活门位置变化如图4所示，指令活门最低位置为0.7mm，最高位置为3.2mm，最低位置没有达到最大行程位置。

指令活门位置受死腔压力扰动非常大，此时指令活门未达到指令活门行程位置，这种工况下不能满足要求。

考虑到伺服液压的可压缩性，设置航空燃油密度为870 kg/m3油液弹性体积模量为 7000bar，调节比例积分控制系数分别为1000和50，仿真指活门阀芯处压力扰动对燃油调节阀动态性能的影响。

给定计量活门位置参考输入为5 mm，改变计量活门弹簧刚度分别为10 N/mm、20 N/mm 和30 N/mm，指令活门位置和计量活门位置变化如图5和图6所示。

指令活门位置对应位置分别为12mm、23mm和34 mm计量活门稳态值为5 mm，指令活门变化位置都大于其最大行程2.5mm，计量活门能跟踪上参考位置输入。

改变计量活门弹簧预压缩量分别为2mm、4mm和6 mm，图7和图8展示了3种情况下指令活门与计量活门位置变化。

随着计量活门预压缩量有2mm增加到6mm，指令活门位置最终变化由12mm增加到17.5mm。

计量活门位置能跟踪上参考输入，跟踪时间随计量活门弹簧预压缩量的增大而增大，即跟踪响应变慢。

改变计量活门弹簧刚度和预压缩量，指令活门位置变化非常大，并不能控制在最大行程位置，从控制角度说明指令活门是不能控的，验证了动态数学模型分析出此系统是不完全能控的，不能控部分即为指令活门部分。

给定计量活门参考输入为斜坡输入，在2内由0mm到1mm。

计量活门弹簧压缩量为2mm，改变计量活门弹簧刚度分别为10 mm、8 mm和6mm，计量活门与指令活门位置变化关系如图 9所示，计量活门弹簧刚度为6 N/mm 时，计量活门位置在0-1mm处指令活门位置从1.8 mm上升到2.4 mm，表明指令活门在计量活门弹簧刚度为6 N/mm 时不能正常工作。

计量活门弹簧刚度为10 N/m，改变弹簧预压缩量分别为2mm、1.5mm和1mm，限制指令活门位置最大行程为2.5 mm，计量活门与指令活门位置变化关系如图 10所示。

在预压缩量为2mm时指令活门位置变化都大于其最大行程。在预压缩量为1.5 mm时随着计量活门位置变化为0~0.1mm，指令活门位置由235~2.5mm，在计量活门位置为0.1mm 时才能达到最大行程。

随着预压缩量的减少，指令活门位置不能正常工作范围由0~0.1mm增加到0~0.6mm。

五、结论

对某型燃油调节阀的工作原理进行分析，建立静态数学模型和动态数学模型，对静态数学模型分析得出两活门位置变化与两阀芯面积之比成正比，与弹签刚度之比成反比。

在指令活门死腔压力有0.06 bar压力振幅正弦扰动工况下，指令活门初始位置有振幅1.25mm的正弦变化，且此时指令活门阀芯位置未达到行程。

仿真表明指令活门出现扰动的现象与工程上出现抖动较为相似，为工程排除故障提供新思路。

计量活门弹簧刚度减少到6mm时，指今活门位置不能达到最大行程，通过改变燃油调节阀部分参数导致其中的指令活门达不到控制要求，从控制角度说明指令活门不能控，对动态数学模型进行验证且找出不能控部分，计量活门预压缩量小于2mm 时指今活门不能正常工作。

综上，此型燃油调节阀的故障可能来自指令活门死腔阀芯处压力波动，也可能来源于计量活门弹镜使用时间过长导致弹簧刚度达不到要求，或者是弹簧预紧位置的减少。

对某型燃油调节阀进行动静态分析通过仿真技术分析，燃油调节阀工作故障原因，为后续的试验奠定基础。

对参数设计进行仿真，为该阀的改型设计提供思路。