矢量喷管作动机构故障模式回中设计

芦海洋，王曦，王华威，王栋，王大迪

（1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2.先进航空发动机协同创新中心，北京100191；3.西安航空动力控制科技有限公司，西安710077）

矢量喷管作动机构故障模式回中设计

芦海洋1，2，王曦1，2，王华威1，2，王栋1，2，王大迪3

（1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2.先进航空发动机协同创新中心，北京100191；3.西安航空动力控制科技有限公司，西安710077）

针对故障模式下矢量喷管应急回中问题，提出一种关于矢量喷管作动筒回中孔结构的设计方案。基于流体动力学平衡方程，建立应急回中装置的非线性数学模型。就设计过程中设计参数多于方程个数的求解，采用进油孔直径、活塞速度分段求解非线性方程组和作动筒左、右两腔仿真调试的组合方法，获得限定速度段内满足作动筒回中性能要求的回中孔结构参数。AMESim仿真结果表明，矢量喷管作动筒回中结构参数，能满足喷管作动筒在任何工作状态下一旦出现故障迅速应急回中的要求，进入回中状态后能以足够的回中位置精度保持其安全的非矢量控制状态。

航空发动机；作动筒；矢量喷管；流体动力学；回中速度；回中位置精度

1　引言

敏捷性和过失速机动是当前航空发达国家在战斗机改装、研制和设计中颇受青睐的两个热点［1］。美国已于20世纪80年代测试了先进矢量喷管的相关性能，表明矢量推力技术将在促进未来战斗机发展方面起到很大作用［2］；欧洲，矢量推力技术最早应用于EJ200发动机［3］。当前，矢量推力技术的最新突破，体现在新型合成射流作动器的研制成功［4］、气体热力学特征对矢量推力性能影响的评估［5］、基于离子推进器移动网格的矢量推力系统设计［6］、基于空气动力学和矢量推力的栖息轨迹优化［7］等方面。

目前矢量喷管的结构形式主要有3种：折流板式矢量喷管、轴对称矢量喷管和二元矢量喷管，其中轴对称矢量喷管又可分为万向节头式和作动环式2种［8］。在轴对称矢量喷管作动筒控制回路液压机械设计中，常采用电液伺服阀式伺服控制，以使系统响应更快，控制精度更高［9］。有研究人员还针对轴对称矢量喷管，开发了优化设计程序，给出了建立数学模型、选择优化设计目标函数的一般方法，并指出轴对称矢量喷管是当前最具实用价值的飞机矢量推力装置，而下一代的矢量推力装置将采用质量较轻的球面收敛片矢量喷管和气动矢量喷管［10］。为避免建立的矢量喷管液压执行机构的运动学数学模型计算量过大，一些学者对数学模型中的隐函数关系进行了显化处理［11］。针对轴对称矢量喷管控制中3个执行机构非等时同步运动问题，最终需要实现在任意给定偏转角和方位角下，可以使矢量喷管稳定、快速、精度高地达到目标状态［12］。

矢量控制技术的发展对提高战斗机性能的作用是显而易见的，但实际应用中不能始终保证喷管矢量控制在安全状态下工作。如发动机工作期间，伺服元件的电液伺服阀出现故障，将导致数字控制的矢量喷管液压机械装置失效，喷管控制系统一旦失效，矢量喷管的无序气动性将对飞机的飞行安全造成严重威胁，矢量喷管的控制需降级到应急回中控制状态［13］。针对这一问题，本文分析了矢量控制和应急回中控制的原理机制，推导了流体动力学方程，最终设计的矢量喷管应急回中装置能确保出现故障时快速退出矢量控制状态，进入非矢量控制状态，回中速度和回中位置精度满足要求。

2　工作原理分析及建模

研究对象为作动环式轴对称矢量喷管。其液压机械控制装置应急电磁阀在正常状态下处于关闭状态，高压油进入转换活门左腔，使得左腔中的油压升高；同时，右腔和低压油接通，右腔中油压降低；最终弹簧被压缩，转换活门向右运动，受电液伺服阀控制的两路油被沟通，通过单向阀的两路油被切断。矢量控制状态下，与A9（扩散喷管流通面积）作动筒活塞相连的LVDT位移传感器将位移信号反馈给电子控制器，电子控制器输出的电信号可使电液伺服阀调制送往作动筒的油量，实现对作动筒活塞的闭环控制。矢量状态下液压系统原理见图1。

图1　矢量控制状态下矢量喷管液压机械控制装置工作原理Fig.1 Working principle of hydraulic mechanical control device in vector control state

矢量喷管液压机械控制装置应急电磁阀在故障模式下处于打开状态，此时转换活门左右两腔都与油箱相连，转换活门左右两端面受到的燃油压力相互抵消，转换活门右端面受到压缩弹簧弹性力的作用而向左运动。当转换活门处于左位时，电液伺服阀调制的两路油被切断，电液伺服阀失去对作动筒运动的控制权，变成纯液压机械控制模式——即由进油孔和回中孔面积决定回中速度，由回中孔位置决定回中精度。矢量喷管应急回中状态下的液压系统原理如图2所示。

图2　应急回中状态下矢量喷管液压机械控制装置工作原理Fig.2 Working principle of hydraulic mechanical control device in emergency return state

根据以上分析，建立如图3所示的A9单作动筒液压机械控制装置仿真模型，该仿真模型能实现正常状态下的矢量控制和应急回中状态下的非矢量控制功能。本文主要关注应急回中状态下的非矢量控制，下文介绍的A9作动筒回中孔结构设计方法需在该仿真平台上验证。

图3　矢量喷管液压机械控制装置仿真模型Fig.3 Simulation model of vector nozzle hydraulic mechanical control device

3　回中装置非线性数学模型

基于流体动力学平衡方程所建立的回中装置非线性数学模型中，左、右极限位置回中的数学模型方程均为5个，而待求未知量为7个。待设计的参数为作动筒进油孔直径和回中孔直径，7个变量中只需限定2个变量就可以求解所有变量，从而得到需要设计的参数。根据工程需要，可将进油孔直径和作动筒阀芯速度在合适的取值范围内划分成若干网格，代入到左、右极限位置回中的5个非线性方程组中求解未知变量，非线性数学模型［14］如下。

（1）右极限位置回中数学模型

无杆腔进油流量和出油流量相等：

有杆腔进油流量和出油流量相等：

经过冷却孔的流量：

活塞的运动速度：

作用在活塞左、右端面的压力相等：

（2）左极限位置回中数学模型

有杆腔进油流量和出油流量相等：

无杆腔进油流量和出油流量相等：

经过冷却孔的流量：

活塞的运动速度：

作用在活塞左、右端面的压力相等：

以上各式中：D为作动筒无杆腔的活塞直径，d为作动筒有杆腔的活塞杆径，pm为进口燃油压力，p0为出口燃油压力，Cd为流量系数，ρ为燃油密度，A1为活塞左端面面积，A2为活塞右端面去除杆径部分的面积，Ain为作动筒左腔和右腔进油孔面积，din为进油孔直径，Are为回中孔面积，dre为回中孔直径，v为作动筒活塞运动速度，Q1、Q2分别为随活塞运动时左右两腔的燃油流量，pA为作动筒左腔中燃油压力，pB为作动筒右腔中燃油压力。非线性方程组求解程序步骤［15］如图4所示。

图4　非线性方程组求解程序步骤Fig.4 Procedure for solving nonlinear equations

运行解非线性方程组的程序，矢量喷管极限位置回中数学模型求解结果如图5和图6所示，图中横坐标和纵坐标都做了归一化处理。分析可知，右极限数据模型求解得到的数据要求进油孔直径设计得较大，以使右腔的压力满足工程使用需要；相反，左极限数学模型求解得到的数据要求进油孔直径设计得较小，同样是为了保证右腔的压力满足工程使用需要。综合考虑，取din=0.833。然而，该din值对应的dre有较多的点，选择时需考虑以下两点：①优先选择左、右极限位置回中数学模型在相同din和v值下的共同解；②无共同解情况下，选择的dre可通过反插值得到左、右极限位置回中的v，并使其在［0.83 1.00］之间。最终取dre=14mm。

图5　矢量喷管右极限位置回中数学模型求解结果Fig.5 Solution results of vector nozzle mathematical model back from the right limit position

图6　矢量喷管左极限位置回中数学模型求解结果Fig.6 Solution results of vector nozzle mathematical model back from the left limit position

为验证上述算法的正确性，将din值输入到AMESim仿真平台，同时将dre分为五组（2、5、8、11、14 mm）来测试矢量喷管作动筒应急状态下回中所需要的时间。dre取值对矢量喷管应急回中的影响如图7所示。当dre=2 mm时，矢量喷管作动筒在左极限位置应急回中时表现为无法停留在指定位置，而在右极限位置应急回中时表现为应急回中速度慢、回中时间长，可见dre较小时不能满足应急回中要求。当dre较大时，左极限位置应急回中所需时间变化较小，而右极限位置应急回中所需时间变化较大，且dre越大右极限位置回中所需的时间越少。但需注意，由于对矢量喷管作动筒的最大速度有限制，因此dre也不能取得太大。综上，当dre=14 mm时，矢量喷管作动筒从左、右极限位置回中的过程中都具有良好的作动性能，回中时间小于2.5 s，满足工程需要，同时也证明了求解算法的正确性。

回中孔直径确定后，即可计算出回中孔面积Are=153.48 mm2。工程中，通常将这样的大孔按面积总和相等的原则分解为若干个小孔。为此，本文将直径14 mm的大孔近似分为12个直径为4 mm的回中孔。

图7　回中孔直径对矢量喷管应急回中的影响Fig.7 The influence ofdrevalue on emergency return of vector nozzle

除满足回中速度要求外，还应满足回中位置精度要求，这就需要确定12个回中孔的具体位置。计算方法如下：当作动筒活塞应急回中速度停止时，活塞速度V=0，代入式（1）～式（10），求解非线性方程组可得到活塞左端面与回中孔间的相对开度面积Ares，作动筒负荷不变时，开度面积固定。假设矢量喷管经过应急回中运动可停留在指定位置，此时12个回中孔孔心所在平面和指定位置所在平面间的距离Δ，可通过求解式（11）得到。最终确定的矢量喷管作动筒回中孔结构方案如图8所示。

图8　矢量喷管作动筒回中孔结构Fig.8 Oil return hole structure of vector nozzle actuator

对12个回中孔结构方案的仿真模型进行仿真，矢量喷管作动筒从左、右极限位置回中，都能在规定时间内准确回到指定位置，如图9所示。

图9　从左、右极限位置回中时矢量喷嘴作动筒位移Fig.9 Vector nozzle actuator displacement returning from the left/right limit position

4　结论

（1）针对矢量喷管液压机械装置故障模式下回中功能的安全性设计要求，提出了一种新型实用的回中结构设计方法，并通过建立的矢量喷管作动伺服机构回中装置的AMESim仿真模型，验证了设计方法的有效性。

（2）提出的根据流体动力学建立的数学模型动态分析方法，清晰直观地反映了作动筒活塞随着进油孔和出油孔的直径及其位置变化而变化的运动规律，并结合回中装置的工作特点，提出了解决故障模式下矢量喷管应急回中问题的思路。

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Return structure design of vector nozzle actuating mechanism in fault mode

LU Hai-yang1，2，WANG Xi1，2，WANG Hua-wei1，2，WANG Dong1，2，WANG Da-di3
（1.School of Energy and Power Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.Collaborative Innovation Center for Advanced Aero-Engine，Beijing 100191，China；3.Xi'an Aero-engine PLC，Xi'an 710077，China）

Aimed at the problem of vector nozzle returning back in emergency,an oil return hole structure design scheme of vector nozzle actuator was proposed,and based on the fluid dynamics equilibrium equation,nonlinear mathematical model of return mechanism was established.To solve the problem that the number of design parameters is more than that of the equation,the method of solving nonlinear equations by segmentation of velocity of vector nozzle actuator and diameter of fuel feed hole and the method of simulation and debugging of the actuator simulation model together were combined,and then the actuator structure parameters meeting the performance requirements in the limit velocity section were obtained.The AMESim simulation results show that the design scheme and parameter of the return structure can meet the demand of returning back fast in any working condition,once the aero-engine vector nozzle control system failed.After entering the return state,high return position accuracy can assure the safe control state of non-vector in fault model.

aero-engine；actuator cylinder；vector nozzle；fluid dynamics；return speed；return displacement precision

V233.7+57

A

1672-2620（2016）03-0043-06

2015-06-29；

2015-12-12

芦海洋（1991-），男，河南新乡人，硕士研究生，研究方向为航空发动机液压控制系统建模与仿真、控制系统故障诊断及健康管理。