呂孟軍 趙學(xué)軍 溫海濤 郭 琪

(空軍第一航空學(xué)院航空機(jī)械工程系，河南 信陽(yáng) 464000)

0 引言

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為我軍先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置，其整體和部附件性能需符合技術(shù)指標(biāo)才能確保飛行安全。燃油泵是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在返廠維修或封存期間必須對(duì)其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)和性能檢測(cè)，以保證裝備完好率［1］。

本文研制的燃油泵性能檢測(cè)臺(tái)能夠完成對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃油泵的磨合運(yùn)轉(zhuǎn)。在穩(wěn)態(tài)和過(guò)渡態(tài)條件下進(jìn)行規(guī)定時(shí)間內(nèi)的磨合運(yùn)轉(zhuǎn)，檢查燃油泄漏量、噪聲振動(dòng)等指標(biāo)是否合格;按照履歷本，檢測(cè)通道流量、壓力、溫度及變化率等性能參數(shù)是否符合技術(shù)規(guī)范的要求［2］;依據(jù)性能和故障數(shù)據(jù)庫(kù)，判定附件的性能是否合格，依據(jù)規(guī)程指導(dǎo)進(jìn)行基本的檢查調(diào)整工作。相關(guān)單位應(yīng)用表明，該平臺(tái)有效提升了某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝備的維護(hù)保障效率。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 功能組成

按功能劃分，燃油泵性能檢測(cè)臺(tái)［3］主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)臺(tái)體、液壓系統(tǒng)及測(cè)控系統(tǒng)4部分組成，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能組成Fig.1 Functional composition of the system

圖1中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由大功率防爆電機(jī)、變頻器、配電柜、增速齒輪箱、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速箱等部分組成，其功能是按檢測(cè)需求，安全可靠地為待測(cè)附件提供一定功率、扭矩、轉(zhuǎn)速，以及能夠按需求實(shí)時(shí)變化的動(dòng)力。檢測(cè)臺(tái)體用于安裝或放置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的變頻器、測(cè)控系統(tǒng)中的工控機(jī)部分，將待測(cè)泵與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行隔離，同時(shí)為各測(cè)量接口提供管路連接，固定各種控制開關(guān)、旋鈕、二次儀表、接頭、傳感器、線路等測(cè)量附件。液壓系統(tǒng)主要包括散熱裝置、液壓氣壓附件(油濾、氣濾、電磁開關(guān)、調(diào)壓閥、安全閥、截止閥、單向活門等)、管路及顯示儀表等，使供給進(jìn)入待測(cè)主泵的燃油、空氣指標(biāo)達(dá)到要求，確保系統(tǒng)工作的安全可靠。測(cè)控系統(tǒng)主要包括工控機(jī)、功能板卡、傳感器部分、直流電源、調(diào)理電路、電子元器件等，完成對(duì)參數(shù)的采集處理和顯示、對(duì)電磁開關(guān)等的控制。

1.2 工作原理

系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Operational principle of the system

待測(cè)泵由大功率的變頻調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，為確保轉(zhuǎn)速在最大轉(zhuǎn)速內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié);變頻器使供電頻率在設(shè)定頻率內(nèi)變化;增速齒輪箱將轉(zhuǎn)速提升2倍。待測(cè)泵進(jìn)口燃油通過(guò)低壓泵(小型電機(jī)驅(qū)動(dòng))從油箱中抽出［4］，通過(guò)調(diào)壓閥將壓力調(diào)整到進(jìn)口允許壓力范圍;設(shè)置旁路安全閥，防止系統(tǒng)壓力過(guò)高;燃油經(jīng)過(guò)散熱后經(jīng)過(guò)粗、細(xì)油濾進(jìn)入主泵;為防止燃油倒流，設(shè)置單向活門。待測(cè)泵出口安裝燃油分配器、主副溫度傳感器，各出口處均設(shè)置節(jié)流器，模擬燃油實(shí)際的運(yùn)動(dòng)阻力，相關(guān)接口設(shè)置壓力、流量傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)量，燃油流回油箱。

2 系統(tǒng)詳細(xì)方案

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，它是性能檢測(cè)平臺(tái)的核心功能模塊。依據(jù)技術(shù)資料數(shù)據(jù)，待測(cè)型號(hào)燃油泵的出口最大油壓力不超過(guò)10 MPa、最大流量不超過(guò)15000 L/h、最大轉(zhuǎn)速不超過(guò)6000 r/min。根據(jù)這些參數(shù)，可以計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作的一些關(guān)鍵參數(shù)。

泵功率的計(jì)算公式為:

設(shè)定泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的機(jī)械損失為10%、傳動(dòng)效率為90%，則帶動(dòng)所需功率的計(jì)算公式為:

所需扭矩的計(jì)算公式為:

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選型依據(jù)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行。

2.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

依據(jù)提供功率大于所需功率的選型準(zhǔn)則，同時(shí)考慮扭矩傳遞過(guò)程中的各種損失，電機(jī)選定功率為55 kW的YB2系列大功率防爆型鼠籠式異步電機(jī)［5］，2級(jí)額定轉(zhuǎn)速約達(dá)到2970 r/min，只需增速2倍即可滿足轉(zhuǎn)速要求(最大不超過(guò)6000 r/min)。

55 kW的2級(jí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為:

增速2倍后轉(zhuǎn)矩降低一半，假定增速機(jī)械損失20%，則扭矩的計(jì)算公式為:

因此，無(wú)論是功率、轉(zhuǎn)速，還是扭矩，上述驅(qū)動(dòng)電機(jī)指標(biāo)滿足要求。

2.1.2 增速齒輪箱

三相電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速接近3000 r/min，因此只需提高到原來(lái)的2倍即可達(dá)到要求。方案有以下兩種。

其中一種方案是采用專用的變頻調(diào)速電機(jī)直接變頻到要求轉(zhuǎn)速。變頻電機(jī)的級(jí)數(shù)基本都是4級(jí)以上，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)速均為1500 r/min以下，這樣達(dá)到設(shè)計(jì)要求需要將最大頻率變化到200 Hz左右。一方面，達(dá)到200 Hz的變頻電機(jī)需要定制，造價(jià)較高;另一方面，變頻到200 Hz的變頻器性能要求高、價(jià)格高，均不利于節(jié)約研發(fā)成本和批量生產(chǎn)?；谝陨显?，我們放棄這種方案。

另一種方案是利用增速裝置將轉(zhuǎn)速提升到原有值的2倍，這就需要用到傳動(dòng)比1∶2的增速齒輪箱。通過(guò)調(diào)研，滿足要求的齒輪箱價(jià)格不高、構(gòu)造簡(jiǎn)單，因此最終采用這種方案。為滿足高速運(yùn)轉(zhuǎn)要求，增速齒輪箱齒輪采用“人字形”齒［6］，設(shè)計(jì)有獨(dú)立的潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)，確保工作的安全穩(wěn)定。

2.1.3 變頻器

由于泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)差率變化很小，轉(zhuǎn)速基本上正比于頻率，因此變頻調(diào)速器選用PWM電壓源型［7］。為確保良好的運(yùn)行質(zhì)量，選用三菱FR系列變頻器，功率與電機(jī)相同。

三菱FR系列變頻器為微型數(shù)字式控制器，通過(guò)輸入4～20 mA的控制信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)0～100 Hz的供電頻率變化。由于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2970 r/min，增速到原有值的2倍即可達(dá)到5940 r/min(齒輪箱)，這樣最大頻率調(diào)節(jié)只需要滿足:

考慮到待測(cè)泵在極低轉(zhuǎn)速時(shí)的測(cè)量沒有意義，我們將變頻器的輸出頻率設(shè)定在5～50.4 Hz之間，滿足系統(tǒng)的性能要求。

2.1.4 配電箱、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速箱及固定底座

由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)消耗功率較大，需要配置獨(dú)立的配電箱。聯(lián)軸器用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)與增速齒輪箱、增速齒輪箱與待測(cè)泵之間的扭矩傳遞，均為彈性軸，確保同心。轉(zhuǎn)速箱中放置加工有30個(gè)齒的齒輪，用于輸出給轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)，測(cè)量轉(zhuǎn)速大小。固定底座為電機(jī)、齒輪箱等提供固定安裝。為減小機(jī)械振動(dòng)，固定底座打樁深埋于地下，同時(shí)其內(nèi)部提供漏油盤及線路的固定，保證美觀實(shí)用和安全。

最終設(shè)計(jì)完成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the driving system

2.2 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)用于對(duì)待測(cè)主泵參數(shù)進(jìn)行采集處理、對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制，主要包括工控機(jī)部分、傳感器部分和電氣連接部分。

燃油泵上的接口開式測(cè)量點(diǎn)共有10個(gè)、閉式測(cè)量點(diǎn)有4個(gè)、主副溫度傳感器上的測(cè)量點(diǎn)有4個(gè)、供油路線上(進(jìn))的測(cè)量點(diǎn)有2個(gè)、輸出轉(zhuǎn)速測(cè)量點(diǎn)有2個(gè)、控制點(diǎn)有6個(gè)。各測(cè)控點(diǎn)名稱及性質(zhì)不作介紹。為達(dá)到對(duì)所有測(cè)控點(diǎn)的測(cè)控要求，硬件選型方案具體如下。

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用軍品級(jí)工控機(jī)，要求具有6個(gè)以上全長(zhǎng)ISA/PCI擴(kuò)展槽、2個(gè)USB 2.0、2個(gè)串行口、1個(gè)并口。A/D、I/O、計(jì)數(shù)器板用于采集開關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)(溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速)和頻率量信號(hào)(電機(jī)轉(zhuǎn)速)。信號(hào)調(diào)理板對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大及電平、波形轉(zhuǎn)換。采取電氣隔離等保護(hù)措施防止過(guò)載對(duì)儀器的損壞。直流穩(wěn)壓電源輸入220 V AC、輸出+5 V、±12 V、+24 V，為信號(hào)調(diào)理板、儀表和電磁開關(guān)等元器件提供可靠供電。壓力傳感器選用壓力檢測(cè)與信號(hào)變送于一體的壓阻式壓力傳感變送器，輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào);流量傳感器選用帶壓力和溫度在線補(bǔ)償?shù)母呔葴u輪流量計(jì)，輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào);溫度傳感器選用鉑熱電阻傳感器，信號(hào)通過(guò)串口直接由計(jì)算機(jī)處理;轉(zhuǎn)速傳感器采用非接觸式。

2.3 檢測(cè)臺(tái)體

檢測(cè)臺(tái)體框架材料為不銹鋼，面板采用冷板，在固定待測(cè)泵、管接嘴和嵌入顯示器、操作按鈕的位置采用5 mm的加厚材料，其余部分采用3 mm厚的板材。

臺(tái)體右側(cè)含上、下部分的工控機(jī)部分，用于對(duì)系統(tǒng)的控制(電機(jī)的啟動(dòng)與停止、電機(jī)轉(zhuǎn)速等)、采集處理測(cè)量的參數(shù)、顯示打印檢測(cè)結(jié)果。

臺(tái)體下方設(shè)計(jì)為存儲(chǔ)位置，左側(cè)用于安裝變頻器等設(shè)備，中間存放燃油連接導(dǎo)管、接頭，右側(cè)用于存放必要的緊固、拆卸工具，上側(cè)漏油槽用于收集檢測(cè)臺(tái)安裝和工作時(shí)從接頭滲漏的燃油。

臺(tái)體上方左側(cè)為主功能區(qū)，用于顯示系統(tǒng)工作時(shí)的壓力、流量、溫度關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)專用接口固定安裝待測(cè)泵。管接嘴區(qū)提供導(dǎo)管的連接位置，開關(guān)旋鈕分別控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的啟停、顯示部分的開關(guān)及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

臺(tái)體后面用于鋪設(shè)液壓管路、安裝傳感器、指示儀表及電磁附件，提供與齒輪箱和電機(jī)的連接空間。

2.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)用于安全可靠地為檢測(cè)臺(tái)提供符合要求的燃油和壓力空氣，滿足不同狀態(tài)下的檢測(cè)需求。

壓力燃油和壓力空氣由液壓泵站和氣源泵站提供，燃油壓力和氣壓大小可通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)整［8］。

管路和液壓元器件根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和要求制作;所有的液壓電磁元器件(安全閥、單向活門、蓄壓器、油濾氣濾、電磁開關(guān)、調(diào)壓閥等)，特別是電磁控制部分，均采用軍品級(jí)防爆產(chǎn)品，具有打開與關(guān)閉指示，確?？煽啃院桶踩?。

散熱系統(tǒng)由于不需要對(duì)泵的性能進(jìn)行全面檢測(cè)，因此不需要對(duì)油液進(jìn)行加溫，也不需要設(shè)置加熱系統(tǒng);但經(jīng)過(guò)齒輪泵的燃油具有一定溫升，而且由于是循環(huán)使用，為確保安全，散熱系統(tǒng)是必須要設(shè)置的。散熱器購(gòu)買成品件，采用水冷式。

2.5 軟件部分

軟件開發(fā)工具選用 Labwindows CVI8.0［9］。軟件主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能:一部分用于實(shí)現(xiàn)常規(guī)的控制面板，在屏幕上建立圖形化的儀器面板，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、結(jié)果顯示;另一部分用于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)控制功能，利用數(shù)據(jù)采集卡附帶的DAQ控件，通過(guò)所提供的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集卡的I/O端口進(jìn)行讀寫操作［10－11］。

程序啟動(dòng)后，首先顯示歡迎界面，后臺(tái)進(jìn)行端口的自檢，自檢成功后進(jìn)入主程序界面。主界面中的菜單欄提供軟件操作選項(xiàng)，包括檢測(cè)的開始停止、系統(tǒng)的退出、數(shù)據(jù)文件的保存讀取及必要的幫助信息等;中間的檢測(cè)結(jié)果顯示區(qū)實(shí)時(shí)顯示參數(shù)曲線，包括各種壓力、流量、轉(zhuǎn)速及溫度信息，指示液壓管路的工作情形;主界面最下方提供待測(cè)附件的狀態(tài)信息、故障信息和處理意見。該軟件不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的參數(shù)檢測(cè)，而且可以調(diào)取以前的測(cè)試數(shù)據(jù)，打印生成報(bào)表，為附件狀態(tài)的跟蹤掌握提供數(shù)據(jù)支撐。

3 主要技術(shù)難點(diǎn)

3.1 流量值和壓力值的準(zhǔn)確測(cè)量

燃油泵需要在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，燃油流量差異較大，從400 L/h到15000 L/h，相差近40倍，若采用尺度相同的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，必然導(dǎo)致參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性降低，甚至無(wú)法采集到數(shù)據(jù)。為解決此問(wèn)題，將流量測(cè)量分為大流量、中流量和小流量3個(gè)檔次，渦輪流量計(jì)的直徑(單位:mm)分別為:35、15、10，對(duì)應(yīng)的量程范圍(單位:m3/h)分別為:0.2 ～1.2、0.6 ～6、1.5 ～20。當(dāng)主泵轉(zhuǎn)速達(dá)到某一轉(zhuǎn)速時(shí)，電磁閥切換流量測(cè)量通道，這樣不同流量采用不同量程及精度的控制閥和傳感器，就可保證大、中、小流量的流通和測(cè)量精度。

對(duì)于小流量燃油的產(chǎn)生如果采用持續(xù)泵源，會(huì)有很大的壓力脈動(dòng)，影響壓力檢測(cè)精度。為保證小流量時(shí)燃油的壓力穩(wěn)定，在液壓管路中設(shè)置蓄壓器，同時(shí)采用氣壓供壓的方式，用調(diào)節(jié)冷氣壓力來(lái)調(diào)節(jié)小流量燃油系統(tǒng)壓力。這樣在保證小流量燃油系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的同時(shí)，其精度也可以得到保障。

3.2 安全保障措施

由于燃油具有揮發(fā)性，當(dāng)燃油在空氣中的濃度達(dá)到一定值時(shí)，一旦有電火花等明火出現(xiàn)，將會(huì)出現(xiàn)燃燒，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮系統(tǒng)運(yùn)行的安全性問(wèn)題。為確保燃油系統(tǒng)附件測(cè)試時(shí)的防火、防爆等安全問(wèn)題，可以采用以下多種方式來(lái)保證:①各型電磁閥和傳感器儀表等均采用防爆等級(jí)高的元器件;②高壓電源與試驗(yàn)設(shè)備安裝位置分離;③試驗(yàn)場(chǎng)所采用換氣設(shè)備，保證油氣密度低于可燃標(biāo)準(zhǔn);④建立可靠接地，防止靜電產(chǎn)生電火花;⑤由于使用的電源為380 V/100 A動(dòng)力電，為確保用電安全，必須設(shè)置獨(dú)立的安全防護(hù)設(shè)備，如配電柜、斷路器、空氣開關(guān)等，試驗(yàn)和運(yùn)行場(chǎng)所必須達(dá)到規(guī)定的使用環(huán)境要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研制的某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵性能檢測(cè)臺(tái)已推廣到多個(gè)單位使用，應(yīng)用表明，該設(shè)備操作方便靈活、測(cè)量參數(shù)齊全、性能判定準(zhǔn)確、工作安全穩(wěn)定，功能設(shè)計(jì)完全滿足技術(shù)指標(biāo)要求。同時(shí)，監(jiān)測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)和分析功能的實(shí)現(xiàn)為燃油泵壽命預(yù)測(cè)和工作可靠性評(píng)估提供了較為可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，對(duì)于燃油泵的使用、維護(hù)和保養(yǎng)工作具有重要意義。

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