白 杰,朱永新,何文博,黨香俊
(1.中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300300;2.中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院,天津 300300;3.中國民航大學(xué)適航學(xué)院,天津 300300)
目前,針對航空發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)的故障監(jiān)測,主要依賴于布置其中的傳感器。包括磁性金屬屑探測器、滑油溫度傳感器、滑油壓力傳感器、滑油濾壓差電門等。但是這些傳感器,具有很大的監(jiān)測局限性。像磁性金屬屑傳感器,被用來判斷軸承和齒輪的磨損情況。該傳感器只能區(qū)分磨損零件的大致類型以及磨損的程度,并不能判斷磨損的具體零件;對于滑油溫度傳感器,針對滑油溫度過高的故障,只能依據(jù)經(jīng)驗(yàn),大致判斷出油泵的卸壓活門故障或者滑油系統(tǒng)某處漏油;對于滑油壓力傳感器,當(dāng)發(fā)生壓力過低故障時,可篩選的故障有:滑油泵故障、卸壓活門卡在開位、系統(tǒng)某處漏油等;即使像滑油濾壓差電門,也只能檢測到油濾堵塞故障,并不能判斷堵塞的程度[1]。文獻(xiàn)[2]列舉了滑油系統(tǒng)的幾種故障診斷對照,但是定性模糊,缺乏定量。綜上,目前實(shí)際對于滑油系統(tǒng)的故障監(jiān)測,存在很大的不足之處,對于故障,既不能準(zhǔn)確地定性,也不能很好地定量。排故需要一點(diǎn)點(diǎn)篩查,勞動量較大。
AMESim是一個多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺,在液壓系統(tǒng)方面得到了廣泛應(yīng)用,可方便模擬液壓系統(tǒng)的故障,得到不同故障下的數(shù)據(jù)結(jié)果[3]。豐世林等[4]對民航運(yùn)輸機(jī)蓄壓器剎車系統(tǒng),使用AMESim進(jìn)行建模與故障仿真研究,得到了蓄壓器剎車系統(tǒng)在氣穴和漏油情況下的工作特點(diǎn)。韋祥等[5]使用AMESim對某型渦扇發(fā)動機(jī)的燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,通過模擬燃調(diào)凸輪連桿的不同磨損程度,得到該故障下的發(fā)動機(jī)性能參數(shù)。劉金剛等[6]使用AMESim建立盾構(gòu)機(jī)的液壓系統(tǒng)模型,得到了液壓泵、液壓缸、溢流閥、換向閥故障下的系統(tǒng)特征參數(shù)。Ma等[7]使用AMESim建立四足機(jī)器人液壓系統(tǒng)的模型,然后模擬了液壓缸內(nèi)泄漏,伺服閥堵塞,液壓泵內(nèi)泄漏三種故障,同樣得到了故障映射的參數(shù)。
基于此,針對某型航空發(fā)動機(jī)的滑油供油系統(tǒng),使用AMESim建立模型,然后選取了四個典型故障,在模型中進(jìn)行故障模擬,以獲得故障特征的數(shù)據(jù),為航空發(fā)動機(jī)的滑油供油系統(tǒng)的故障診斷提供數(shù)據(jù)來源。
某型航空發(fā)動機(jī)的滑油供油系統(tǒng)原理圖如圖1所示,滑油供油系統(tǒng)主要由滑油箱、供油泵、供油油濾、管路、管路接頭、噴嘴、滑油分配器等構(gòu)成。滑油供油泵從油箱抽取油液,通過幾段管路的傳輸,油液流向供油油濾,經(jīng)過油濾的過濾,滑油分成四路,分別流向附件齒輪箱、前軸承腔、轉(zhuǎn)換齒輪箱和后軸承腔。如果供油油濾的濾芯發(fā)生堵塞,造成旁通活門油液入口壓力增大,此時旁通活門打開,有一部分油液繞過供油油濾,頂開單向活門繼續(xù)往前流動。如果供油泵出口壓力過大,為減小油濾入口的壓力,卸壓活門會打開,部分油液經(jīng)卸壓活門流向回油管路。該系統(tǒng)的旁通活門和單向活門為錐形滑閥,卸壓活門為圓柱滑閥。
圖1 某型航空發(fā)動機(jī)的滑油供油系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of a lubricating oil supply system for an aeroengine
(1)不考慮熱交換的影響。由于滑油流速較快,根據(jù)以往學(xué)者對熱流體的研究,熱交換對模型流量、壓力仿真結(jié)果影響不大[8]。
(2)不考慮油液受重力的影響。因?yàn)榛凸苈返奈徊钶^小,所以勢能對該模型的影響較小。
(3)不考慮管路漏油的影響。在供油系統(tǒng)中,密封處和管路接頭處會發(fā)生滑油輕微滲漏,由于泄漏量較小,故可忽略不計(jì)。
(4)不考慮管道彎度小于10°的局部阻力損失。因?yàn)楣艿缽澏?0°以下,局部阻力系數(shù)很小,故將其看作直管處理[9]。
設(shè)置滑油油液溫度80 ℃,油箱壓力為0.05 MPa,滑油泵供油量為額定40 L/min,附件齒輪箱、轉(zhuǎn)換齒輪箱各滑油噴嘴、滑油分配器出口壓力為0.05 MPa,前軸承腔各滑油噴嘴出口壓力為0.05 MPa,后軸承腔各滑油噴嘴及噴管出口壓力為0.05 MPa,供油泵卸壓活門的開啟壓力為2.1 MPa,出口壓力即回油管路的壓力設(shè)置為0.68 MPa,與供油油濾串聯(lián)的單向活門的開啟壓力為0.035 MPa,旁通活門的開啟壓力為1 MPa。
因?yàn)橹饕芯炕蜑V和活門,因此,只列出與其相關(guān)的滑油濾、活門、節(jié)流孔有關(guān)的數(shù)學(xué)模型。
2.3.1 滑油濾
過濾油量:
(1)
式(1)中:K為濾芯通油能力系數(shù);Af為有效過濾面積;ΔPf為油濾前后壓差;η為油液的動力黏度。
油濾的壓力損失:
ΔPf=ΔP1+ΔP2
(2)
(3)
(4)
式中:ΔP1為單層濾網(wǎng)阻力;ω為雷諾數(shù)影響的修正系數(shù);ξ為阻力系數(shù);Vf為油液在網(wǎng)全部面積上的流速;F0為網(wǎng)通孔的截面積;F為網(wǎng)的全部面積;ρ為油液密度;ΔP2為殼體進(jìn)出口阻力。
2.3.2 節(jié)流孔
節(jié)流孔的壓力流量方程:
(5)
節(jié)流孔的壓降:
(6)
式中:Cqo為流量系數(shù);Ao為小孔截面積;ΔPo為孔口前后壓差;β為局部阻力系數(shù);Vd為連接節(jié)流孔的管道直徑。
2.3.3 圓柱滑閥
圖2為卸壓活門結(jié)構(gòu)圖,由于閥芯與閥腔之間存在縫隙,活門前腔會有少量油液通過縫隙滲入后腔,流入后腔的油液通過管路流回油箱。
圖2 圓柱滑閥Fig.2 Cylinder valve
(1)閥口的壓力流量方程:
(7)
式(7)中:Cqc為活口的流量系數(shù);dc為閥芯直徑;Xc為閥門開口長度;ΔPc為油液進(jìn)出閥門前后壓差。
(2)閥芯的運(yùn)動微分方程
(8)
式(8)中:Pc1為閥門前腔的壓力;A1為閥芯前端面的有效作用面積;Pc3為油箱氣壓;A2為閥芯后端面的有效作用面積;kc為彈簧剛度;B為黏性阻尼系數(shù);Xc0為彈簧的預(yù)壓縮量;mc為閥芯質(zhì)量。
2.3.4 錐形滑閥
圖3所示為錐形滑閥的結(jié)構(gòu)。
da為與流動面相對應(yīng)的閥芯直徑圖3 錐形滑閥Fig.3 Conical valve
(1)閥門口的壓力流量方程:
(9)
area=πxlapsinα(dpop+cpop-xlapsinαcosα)
(10)
式(10)中:Cqz為錐閥口的流量系數(shù);area為錐閥口的流量面積;ΔPz為油液進(jìn)出閥門的壓差;xlap為閥門開口長度;α為閥頭角度;dpop為閥芯直徑;cpop為縫隙寬度。
(2)閥芯的運(yùn)動微分方程:
(11)
式(11)中:Pz1為閥門前腔的壓力;Az1為閥芯前端面的有效作用面積;kz為彈簧剛度;Xz0為彈簧的預(yù)壓縮量;Bz為阻尼系數(shù);mz為閥芯質(zhì)量;Cvz為閥門口流速系數(shù)。
如圖4所示,使用AMESim軟件建立某型航空發(fā)動機(jī)滑油供油系統(tǒng)的仿真模型。對于滑油箱、供油泵、供油油濾、直管、彎管、三通、凸擴(kuò)、凸縮、噴嘴、節(jié)流孔等元件使用AMESim中的網(wǎng)絡(luò)元件模擬真實(shí)的元件。使用電機(jī)元件的轉(zhuǎn)動功能,替代發(fā)動機(jī)傳動軸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動作用。由于供油油濾參數(shù)設(shè)置復(fù)雜,將其分解為旁通活門、單向活門、濾芯。對于與供油油濾直連的單向活門和并聯(lián)的旁通活門以及卸壓活門則使用AMESim中的HCD庫自定義構(gòu)建。已知濾芯壓降為20 kPa,為了方便模擬,將其等效為一定直徑的節(jié)流孔。
選擇滑油供油系統(tǒng)4種常見的故障,分別是濾芯的堵塞、單向活門活塞的卡滯、旁通活門的彈簧松弛、卸壓活門的預(yù)緊力施加過小,分別對其進(jìn)行不同故障程度地模擬。
該發(fā)動機(jī)的滑油濾芯為多層片式結(jié)構(gòu),每層由金屬絲編織構(gòu)成。由于發(fā)動機(jī)長時間的工作,軸承、齒輪會發(fā)生磨損,產(chǎn)生磨屑,油液經(jīng)過循環(huán)流動,在經(jīng)過供油油濾時,顆粒較大的磨屑會堵住濾芯。
已知濾芯的壓降為20 kPa,在AMESim中使用節(jié)流孔代替結(jié)構(gòu)復(fù)雜的濾芯,將濾芯的壓降轉(zhuǎn)化為節(jié)流孔的局部阻力損失。在保證旁通活門未開啟時,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,節(jié)流孔入口前的速度恒定。因此,在AMESim中,在保證旁通活門未開啟的條件下,隨機(jī)選擇一定大小的孔徑,求得節(jié)流孔前的入口速度為1.708 46 m/s。將油液密度視為定值,根據(jù)式(6),可求得節(jié)流孔的局部阻力系數(shù)為14.98。
因?yàn)榫植孔枇ο禂?shù)一般都由試驗(yàn)測定,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可得節(jié)流孔的局部阻力系數(shù)如圖5所示。圖5的橫坐標(biāo)為局部阻力系數(shù),縱坐標(biāo)為節(jié)流孔孔徑(d1)和與其相連的管徑(d2)之比。當(dāng)局部阻力系數(shù)等于14.98時,查看圖5可得d1/d2為0.5~0.6。因?yàn)閐2在模型中設(shè)為22.5 mm,故d1為11.25~13.5 mm。在模型中,選取一定的數(shù)值間隔,經(jīng)過多次迭代尋優(yōu),最終,確定孔徑為13.198 3 mm,壓降為20.000 6 kPa,近似于20 kPa。
d1為節(jié)流孔孔徑;d2為與節(jié)流孔孔徑相連的管徑圖5 節(jié)流孔的局部阻力系數(shù)Fig.5 Local resistance coefficient of orifice
該油濾的濾網(wǎng)為平紋編織方孔網(wǎng),絲網(wǎng)的網(wǎng)通孔所占比例為90%。絲網(wǎng)的網(wǎng)通孔所占比例計(jì)算公式[10]如式(12)所示:
(12)
式(12)中:F0為網(wǎng)通孔的截面積;F為網(wǎng)的全部面積。
已知該濾芯的網(wǎng)通孔所占比例為90%。假定該油濾發(fā)生堵塞,導(dǎo)致網(wǎng)通孔所占的比例降為80%,即堵塞程度為11.11%。由式(3)可知,此時式(3)中只有阻力系數(shù)ξ發(fā)生變化,變?yōu)?.332 5。在油濾未堵塞時,ξ等于0.142 3。所以,此時的阻力系數(shù)ξ變?yōu)樵瓉淼?.266 3倍,此時的壓降應(yīng)為45.326 kPa。選取孔徑為10.756 5 mm的節(jié)流孔進(jìn)行仿真。同理,當(dāng)堵塞程度為22.22%,選取的節(jié)流孔孔徑為9.313 2 mm。綜上,當(dāng)油濾未堵塞、堵塞程度為11.11%、22.22%時,節(jié)流孔的壓降即濾芯的壓降如圖6所示。
圖6 濾芯不同堵塞程度下的壓降Fig.6 Pressure drop of filter element with different degree of blockage
顆粒細(xì)小的磨屑在流經(jīng)單向活門時,有一些會進(jìn)入活塞與活門腔體之間的縫隙,造成活塞卡滯。其次,由于滑油在流動過程中,吸收了大量機(jī)械磨損所產(chǎn)生的熱量,造成油液溫度過高,高溫的滑油加熱了活塞,由于“熱漲冷縮”的原理,致使活塞膨脹,進(jìn)而導(dǎo)致其卡死。由于卡滯的程度不同,導(dǎo)致活門開口的程度也不一樣,因此活門進(jìn)出口的流量和壓力會發(fā)生相應(yīng)的變化。
通過改變活塞位移的上限,從而限制活門出口的長度,進(jìn)而模擬活塞卡滯現(xiàn)象。因?yàn)樵摶铋T的出口封閉長度為5.2 mm。為模擬不同的卡滯程度,設(shè)定活塞位移上限分別為5.2、2.6、1、0.5、0 mm,計(jì)算出的旁通活門入口流量、壓力分別如圖7、圖8所示。由圖7、圖8中可知,隨著活塞的卡滯程度加大,當(dāng)位移上限卡滯到1~2.6 mm時,此時旁通活門開始打開。在模型中,選取一定的數(shù)值間隔,經(jīng)過多次迭代尋優(yōu),可求得當(dāng)卡滯上限為1.06 mm時,旁通活門入口壓力為1.000 394 MPa,入口流量為0.06 L/min,可視為旁通活門剛剛開始打開。
圖7 單向活門活塞不同卡滯程度下的旁通活門入口流量Fig.7 Inlet flow rate of the bypass valve under different clamping degrees of the one-way valve piston
圖8 單向活門活塞不同卡滯程度下的旁通活門入口壓力Fig.8 Inlet pressure of bypass valve under different clamping degrees of one-way piston
旁通活門的彈簧在長時間高溫油液的影響下,會發(fā)生應(yīng)力松弛。當(dāng)應(yīng)力松弛到一定程度時,旁通活門在滑油壓力作用下打開,部分油液不經(jīng)供油油濾而繼續(xù)流動,影響了供油濾的過濾作用。
通過減小彈簧的剛度,模擬彈簧松弛故障。已知彈簧的初始剛度為1.6 N/mm,壓縮量為49.01 mm,預(yù)緊力為78.54 N。設(shè)置旁通活門的彈簧剛度分別為1.6、1、0.5、0.1 N/mm,仿真得旁通活門的入口流量如圖9所示,壓力如圖10所示。從圖9可以看出,隨著彈簧剛度的減小,進(jìn)入旁通活門的流量并未隨之持續(xù)增大,當(dāng)剛度減小為1.6~1 N/mm時,始有油液進(jìn)入活門。
在油濾未堵塞情況下,活門入口的壓力為0.706 055 MPa。根據(jù)式(11),為了簡化計(jì)算,略去阻尼力,可求得k=1.13 N/mm時,活門恰好打開。
圖9 不同彈簧剛度下的旁通活門入口流量Fig.9 Inlet flow of bypass valve with different spring stiffness
當(dāng)剛度減小至0.5 N/mm左右時,隨著剛度繼續(xù)減小,油液的流量穩(wěn)定在15.954 3 L/min不再發(fā)生變化。這是因?yàn)榛铋T完全打開,流量不再發(fā)生變化。如圖10所示,壓力變化趨勢與流量變化趨勢一樣。在剛度為0.5~1 N/mm,選取一定的數(shù)值間隔,經(jīng)過多次迭代尋優(yōu),可求得當(dāng)彈簧的剛度減小至0.975 N/mm時,活門完全打開,流經(jīng)活門的流量不再發(fā)生變化。
圖10 不同彈簧剛度下的旁通活門入口壓力Fig.10 The inlet flow of bypass valve under different spring stiffness
一般發(fā)動機(jī)在冷天啟動時,由于滑油油液溫度過低,流阻增大,供油泵的出口壓力過大,如果壓力達(dá)到2.1 MPa時,此時卸壓活門會打開,部分油液直接經(jīng)卸壓活門流回油箱。由于卸壓活門需要人工調(diào)節(jié)彈簧的壓縮量,如果調(diào)定壓力太小,或者彈簧失效時,卸壓活門在達(dá)不到2.1 MPa時,即會發(fā)生卸荷。
通過模擬卸壓活門彈簧預(yù)壓縮量的減小,來模擬預(yù)緊力的減小。彈簧剛度9.8 N/mm,預(yù)壓縮量為40.48 mm,設(shè)置彈簧的壓縮量分別為40.48、24、8、4、0 mm,即設(shè)置彈簧的預(yù)緊力分別為396.7、235.2、78.4、39.2、0 N。經(jīng)過仿真,計(jì)算得到的進(jìn)入卸壓活門的流量和壓力分別如圖11、圖12所示。
圖11 不同預(yù)緊力下的卸壓活門入口流量Fig.11 Inlet flow of pressure relief valve under different preloading forces
圖12 不同預(yù)緊力下的卸壓活門入口壓力Fig.12 Inlet pressure of pressure relief valve under different preloading forces
從圖11可以看出,當(dāng)預(yù)緊力減小至78.4 N時,卸壓活門已經(jīng)打開,活門入口的流量脈動較大。由圖12可以看出,活門未打開時,入口壓力保持在700 KPa以上。對脈動的壓力求均值,可得入口壓力為716 778 Pa。根據(jù)式(8),略去阻尼力,可得當(dāng)彈簧壓縮量減小至16.6 mm時,活塞此時受力平衡。又因?yàn)殚y芯的負(fù)重疊為7 mm,可知的壓縮量減小至9.6 mm,即預(yù)緊力等于94.08 N時,活門剛剛打開。
如圖11所示,當(dāng)預(yù)緊力減小至0 N時,活門入口的平均流量保持在6 L/min左右。即彈簧未經(jīng)施壓調(diào)節(jié),進(jìn)入活門的流量只占總供油量的15%左右,這樣的設(shè)計(jì)較大了保證了供油系統(tǒng)的安全。
通過使用AMESim對某型航空發(fā)動機(jī)的滑油供油系統(tǒng)進(jìn)行故障模擬,可得以下結(jié)論。
(1)獲得了供油系統(tǒng)的滑油濾濾芯堵塞、單向活門活塞卡滯、旁通活門彈簧松弛、卸壓活門預(yù)緊力不足的不同故障程度時的壓力、流量數(shù)據(jù)。
(2)提出了一種使用節(jié)流孔模擬航空發(fā)動機(jī)滑油濾濾芯堵塞的方法。
(3)通過對供油油濾的單向活門活塞卡滯的仿真,得到了旁通活門開啟的臨界條件是活門活塞的位移上限卡滯為1.06 mm。
(4)通過對旁通活門的彈簧松弛故障模擬,得到了旁通活門開啟的臨界條件是彈簧的剛度減小至1.13 N/mm;旁通活門完全打開的的臨界條件是彈簧的剛度減小至0.975 N/mm。
(5)通過對卸壓活門的預(yù)緊力施加不足的故障模擬,得到了卸壓活門開啟的臨界條件是預(yù)緊力減小至94.08 N。