基于PumpLinx的调压差活门仿真分析

王勇，杨思佳，王铭章，谷俊，刘厚林

(1.江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江 210031；2.中国航发沈阳发动机研究所，辽宁沈阳 110015；3.中国航空发动机集团航空发动机动力传输重点实验室，辽宁沈阳 110015)

0 前言

调压差活门运用于航空发动机滑油系统中，通过两个压力差值来控制润滑油的流量和压力，保证润滑系统工作稳定。航空发动机润滑系统采用容积式齿轮泵输送润滑油，包括外啮合和内啮合两种。为尽可能降低容积泵压力波动对供油稳定的影响，调压差活门的选型以及结构优化是需要重点研究的方向。

目前关于调压差活门的研究较少，考虑其工作原理与溢流阀和减压阀相近，可借鉴两者的研究成果。20世纪60年代陆续有学者通过数学建模建立阀芯受力平衡方程，并经拉普拉斯变换成传递函数，以此分析阀芯受力，寻找阀芯稳定性判定准则以及研究结构参数对液压阀特性的影响。王建森分析影响直动型溢流阀静、动态特性的关键因素，找到既满足稳定性又有较好瞬态响应特性的阀门流量增益条件式。20世纪80年代后，陈明雄、DASGUPTA、BORGHI、刘桓龙等国内外学者借助各专业液压仿真软件分析阀的动态过程，包括采用CFD软件对液压阀的内部流场进行模拟，得到内部流场的压力分布图、速度分布图和阀芯表面的液动力分布；采用MATLAB、Simulink、AMESim等软件对液压阀数学模型进行联合数值计算，研究阀的结构参数、油温及泵转速对液压阀动态响应特性的影响。由于在国产航空动力润滑系统首次设计并使用调压差活门，在试验研究、验证等方面相对欠缺，故对调压差活门的特性进行研究非常有必要。

本文作者以调压差活门为研究对象，通过PumpLinx软件对活门进行仿真计算，模拟不同结构参数下其工作性能，掌握活门运用规律，避免出现供油压力波动不稳定等现象，从而影响航空发动机各部件的润滑。

1 调压差活门的结构和工作原理

1.1 调压差活门的结构

如图1所示，调压差活门主要由活门壳体、阀体、螺塞、调整螺钉、导杆、弹簧以及滑阀组成。活门进油口在阀体左端，供油孔、中腔供压孔和溢流孔数为4个，均布在圆周面上，滑阀内部留有包含阻尼孔的空腔。

图1 调压差活门结构

1.2 调压差活门的工作原理

调压差活门安装于航空发动机供油子系统机组，用于调节供油压力，同时控制润滑系统的供油量。图2所示为调压差活门在系统中的功能。

图2 调压差活门功能[15]

调压差活门未工作时，调整螺钉设定在某个位置控制弹簧压缩量，滑阀受到向左的弹簧预紧力，滑阀杆左端面处于活门进口位置。滑油系统开始工作后，滑油进入活门进口及供油腔，同时恒压气源向中腔提供恒压。调压差活门处于开启状态时，滑阀受力平衡公式为

+=++

(1)

式中:为滑油泵供油压力;为中腔恒压;为滑阀内腔油液向左作用的压力;为弹簧力;、、、分别为图3所示的各压力受力面积。其中：

图3 滑阀受力示意

=+

(2)

(3)

式中:为弹簧预紧力，N；为弹簧刚度，N/m；为弹簧压缩增量，m；为流量系数；为阻尼孔孔径，m。

最后，得到供油压力的表达式为

(4)

2 仿真模型的建立

根据调压差活门在航空润滑组中的连接位置、功能，同时考虑滑阀结构的复杂性，处理流体域时需要对调压差活门进行简化，简化后的水体模型如图4所示，包括过油管道、存储溢流出口油量的滑油箱以及调压差活门。在绘制水体时，为了后期能顺利划分阀门变形区域的网格，需要将阀芯移至1/3或2/3开度位置，故水体中阀芯的位置设计为0.005 m。最终的模型网格如图5所示，网格总数为224 462。

图4 调压活门仿真模型

图5 模型网格

3 数值模拟

此次研究对象的基本参数参考某型调压差活门，基于调压差活门在润滑系统中的进口压力由齿轮泵提供，进口1的边界条件模拟了泵出口压力特性，设置成规律的脉动压力：

=0.4sin140π+455

(5)

图6所示为活门进口压力的变化曲线，压力波动周期约为0.021 5 s，波动幅值达到20.27 kPa。此次研究将压力输出波动减缓值作为评价调压差活门调压效果的参考值：

图6 进口压力p1曲线

=(-)

(6)

式中:为泵出口压力波动幅值，kPa；为供油压力波动幅值，kPa。越大，供油压力的波动相对于泵出口压力的波动减缓得越明显，调压差活门的调压效果越好。具体模型参数设置如表1所示。

表1 模型参数设置

4 活门性能分析

参考上述供油压力计算公式及前人经验，此次仿真选择活门溢流孔直径、阻尼孔直径、弹簧预紧力以及弹簧刚度作为研究调压差活门输出压力特性的关键结构因素，模拟分析活门不同结构因素对供油压力的动态特性、稳定性以及跟随性的影响。

4.1 溢流孔直径对活门性能的影响

当供油压力较高时，活门需要通过溢流孔卸压达到滑阀受力动平衡。因此，溢流孔的设计是需要权衡的重要结构因素。

分别取溢流孔直径为4、5、6、7和7.5 mm，得到在该组参数下调压差活门供油压力前期和后期动态响应曲线，分别如图7和图8所示。

图7 不同溢流孔直径下供油压力前期波动

图8 不同溢流孔直径下供油压力后期波动

由图7、图8可知：溢流孔越大，调压差活门响应越快，过渡时间越短，但过大的溢流孔直径会导致压力超调量过大。供油压力稳定后，供油压力平均值和波动幅值随溢流孔径的增大而减小，溢流孔径为4 mm时，压力波动幅值为18.8 kPa，压力输出波动减缓值=7%，溢流孔径增大到7.5 mm时，压力波动幅值降低到17 kPa，压力输出波动减缓值=12%。可见，溢流孔径越大，调压差活门的调压效果越理想。

4.2 阻尼孔直径对活门性能的影响

在液压系统中，经常利用阻尼孔起节流、调压、防振等作用。调压差活门阻尼孔用于减缓对阀芯的压力冲击，如何确定阻尼孔的尺寸是研究的关键问题。

图9和图10分别为阻尼孔径分别取0.3、0.5、1.0、1.5、2.0 mm时供油压力的变化曲线。可知：阻尼孔直径对调压差活门调压效果有明显影响，阻尼孔设计不当容易造成供油压力波动剧烈，供油稳定所需的过渡时间过长。在所有仿真方案中，阻尼孔直径取1.5 mm时，过渡时间最短，且前期压力振荡较小。随着阻尼孔直径的增大，供油压力平稳变化时的波动幅值减小，当阻尼孔直径增大到2.0 mm时，波动幅值降低至13.7 kPa，压力波动减缓值为32%，调压效果非常理想。

图9 不同阻尼孔直径下供油压力前期波动

图10 不同阻尼孔直径下供油压力后期波动

4.3 弹簧对活门性能的影响

(1)弹簧刚度对活门性能的影响

弹簧刚度越小，对压缩量的反应越灵敏。为研究弹簧刚度对供油压力动态特性的影响，分别取1、3、4.8、7、9 N/mm 5个不同刚度值进行仿真分析，得到供油压力变化曲线如图11和图12所示。

由图11和图12可以看出：随着弹簧刚度的增加，调压差活门稳定供油压力平均值增大，当弹簧刚度=1 N/mm时，供油压力在初始阶段波动较剧烈，稳定时间超出此次仿真时间；偏大的弹簧刚度会导致活门最终稳定后的压力超过工程实际允许范围，当=4.8 N/mm时，供油压力波动平稳，过渡时间短，供油压力变化曲线比较理想。由图12可以看出：弹簧刚度为3、4.8 N/mm时，调压效果较好，相较于进口压力，供油压力波动减缓值约为12%，其余弹簧刚度对进口压力的调压效果并不明显。

图11 不同弹簧刚度下供油压力前期波动

图12 不同弹簧刚度下供油压力后期波动

(2)弹簧预紧力对活门性能的影响

弹簧预紧力影响活门开启压力的大小，为探究弹簧预紧力对供油压力的影响，分别选取预紧力为52.8、57.6、69.8、76.8和83.8 N 5种情况进行对比分析。

由图13可知：弹簧预紧力为57.6、69.8 N时，压力振荡剧烈，过渡时间较长，弹簧预紧力继续增大，过渡时间变短，预紧力为83.8 N时供油压力在0.015 s后达到动平衡，但若弹簧预紧力过大，压力超调量同时增大，反之，或造成阀芯抵在阀体最右端而达不到理想的调压效果。

图13 不同弹簧预紧力下供油压力前期波动

图14为不同弹簧预紧力下供油压力稳定波动曲线。可知：弹簧预紧力越大，供油压力均值和波动幅值越大,当弹簧预紧力取52.8 N时，供油压力在394.1～429.5 kPa范围内波动，幅值为17.7 kPa，压力波动减缓值=12.4%；当弹簧预紧力取83.8 N时，供油压力在436.3～476.0 kPa范围内波动，幅值为19.8 kPa，压力波动减缓值仅为2%。可见，若弹簧预紧力设置较大时，调压差活门达不到预想的调压效果。

图14 不同弹簧预紧力下供油压力后期波动

5 结论

在进口压力为，中腔供压为101 325 Pa的边界条件下，以某型调压差活门为原型，利用PumpLinx软件进行仿真计算，得到结论如下：

(1)溢流孔直径越大，活门的调压性能越好，溢流孔径增大到7.5 mm时，压力输出波动减缓值=12%，但过大的溢流孔径容易造成压力超调量过大，故溢流孔径的选取应该适中；

(2)阻尼孔直径取1.5 mm时，过渡时间最短，且前期压力振荡较小，同时压力稳定波动幅值适中；

(3)过大或者过小的弹簧刚度，对供油进口压力的调压效果并不明显，弹簧刚度取为3、4.8 N/mm时，调压效果理想，压力波动减缓值约为12%；

(4)弹簧预紧力增大，过渡时间变短，预紧力为83.8 N时供油压力在0.015 s后达到动平衡，弹簧预紧力过大，压力超调量随之增大，反之，或造成阀芯抵在阀体最右端而导致调压效果不理想。

结果表明：为达到较为理想的工程要求，在不改变调压差活门材料以及采取特殊结构下，可根据仿真结果，选取合适的参数，以此满足工程需要。