變量泵斜盤電液伺服控制系統(tǒng)的伺服元件
由于伺服油源壓力是變化的，在為液壓系統(tǒng)選擇元件時(shí)，不僅要考慮變量泵的各項(xiàng)技術(shù)要求，還要按供油壓力的變化范圍對(duì)元件能力進(jìn)行驗(yàn)算。使用電液伺服控制斜盤位置的液壓伺服系統(tǒng)需滿足變量柱塞泵的流量變化范圍要求：①當(dāng)n=(4155±20)r/min時(shí)，Qmax=(8000+200)L/h；②當(dāng)n=（3600±20）r/min時(shí)，Qmin=(3600±20)L/h。而X型航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)油泵的供油變化速度要求為：當(dāng)變量泵轉(zhuǎn)速為(4155±20) r/min，油門位于最大位置時(shí)，控制機(jī)操縱電液伺服閥，使斜盤角度從最大到最小（范圍一般為25°）的時(shí)間為1.5～2.5s。以滿足上述要求為基礎(chǔ)，選擇液壓伺服元件。
(1)伺服液壓缸。雙作用液壓缸及其活塞是液壓伺服系統(tǒng)的作動(dòng)機(jī)構(gòu)，推動(dòng)變量泵斜盤的過程中，需要活塞運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定且盡量減小負(fù)載對(duì)位置控制的影響。變量柱塞泵共有柱塞12個(gè)，柱塞直徑為l5mm，泵出口壓力最高為843MPa。斜盤控制機(jī)構(gòu)改變斜盤角度時(shí)的負(fù)載可按以往機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初步估算。變量泵工作過程中，以兩個(gè)高壓柱塞對(duì)斜盤的作用力計(jì)算負(fù)載。柱塞作用力臂(柱塞與斜盤作用點(diǎn)到轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)中心距離40.3mm)與控制斜盤活塞作用力臂(控制斜盤活塞中心到轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)中心距離60.7mm)之比約為2/3，等效作用負(fù)載柱塞面積為253.0mm2。依據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在壓力相等條件下，作動(dòng)液壓缸活塞有效作用面積大于3倍負(fù)載有效作用面積時(shí)，能夠滿足液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)過程中的控制穩(wěn)定性。選取伺服液壓缸內(nèi)徑為45mm，雙伸出、雙作用形式，承壓10MPa，有效行程50mm，活塞桿直徑15mm。因此，油缸活塞有效作用面積為
S=(π/4)(d2in-d2pis)
以液壓缸內(nèi)徑din。和活塞桿直徑dpis。分別為45mm和15mm代人，油缸有效面積為1413.7mm2，與柱塞有效面積253.0mm2之比為4.59/1，液壓缸有效面積符合要求。同時(shí)，變量泵斜盤最大角度到最小角度對(duì)應(yīng)的斜盤控制機(jī)構(gòu)位移為13mm，伺服液壓缸有效行程達(dá)50mm，滿足將斜盤角度從最大推至最小的位移量要求。
伺服液壓缸及推桿、傳感器的結(jié)構(gòu)如圖9所示。
(2)電液伺服閥。額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，X形航空發(fā)動(dòng)機(jī)的泵后壓力范圍大致為3～8MPa，而高空狀態(tài)或低轉(zhuǎn)速工況時(shí)，泵后壓力可低至0.476MPa，壓力變化近17倍。與電液伺服閥應(yīng)用在普通工業(yè)領(lǐng)域時(shí)的供油壓力相比，航空發(fā)動(dòng)機(jī)變量泵的泵后壓力明顯較低且變化范圍大?，F(xiàn)有產(chǎn)品中少有低油源壓力電液伺服閥，只找到一款適合低黏度航空煤油介質(zhì)的FF102（航空609所產(chǎn)品）型電液伺服閥，其額定工作壓力為21MPa。由于閥的工作壓力《10MPa)遠(yuǎn)低于該型閥的額定設(shè)計(jì)壓力(21MPa)，經(jīng)協(xié)調(diào)后，廠方對(duì)產(chǎn)品在較低壓力下進(jìn)行了性能測試，并提供了5MPa和21MPa工作壓力下的設(shè)計(jì)和測試數(shù)據(jù)(見下表)。
伺服閥設(shè)計(jì)及測試數(shù)據(jù)
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項(xiàng) 目 |
設(shè)計(jì)值 |
測試值 |
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供油壓力/MPa |
21 |
5 |
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輸入電流/mA |
10 |
40 |
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線圈線阻/Ω |
Red and green |
50±5 |
51 |
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Blue and yellow |
52 |
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頻率特性 |
幅頻寬（-3DB）/Hz |
≥100 |
65 |
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相頻寬（-90°）/Hz |
≥100 |
70 |
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超調(diào)/dB |
≤2 |
0 |
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輸出流量QL/（L·min-1） |
10±1 |
... |
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油源 |
No.10，No.15液壓油 |
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系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)斜盤位置最大到最小角度的伺服液壓缸有效最大行程L=13mm，在動(dòng)態(tài)過程中，油缸內(nèi)有效容積變化量為
VΔmax=(π/4)(d2in-d2pis)L=18.398mL
FFl02電液伺服閥在額定供油壓力下輸出流量為（10±1）L/min，即(166.7±16) mL/s，此時(shí)活塞全程有效位移所需時(shí)間約0.11s。按泵后壓力最小值0.476MPa估算出伺服閥輸出流量約25.1mL/s，活塞運(yùn)動(dòng)13mm需要約1.27s，高于系統(tǒng)供油速度要求。
(3)位移傳感器。選取KTC50+R010型位移傳感器作為位置反饋測量元件，其技術(shù)特征為；量程75mm，精度0.07%、輸出信號(hào)4～20mA。其有效作用行程的位置控制精度為0.004mm。
(4)其他伺服元件。斜盤位置液壓伺服控制系統(tǒng)最終使用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)特性半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中。為配合電液伺服閥燃油過濾精度(0.008～0.012mm)，選用YPM420E5-187燃油過濾器。同時(shí)，為滿足試驗(yàn)系統(tǒng)安全需求，泵后油路使用DB-DH30G10B/NG30/2型溢流閥，通過調(diào)節(jié)溢流閥確保油路壓力低于變量泵額定工作壓力。其他管路、接口元件為自行研制。