系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

飛機(jī)液壓系統(tǒng)脈沖試驗(yàn)技術(shù)研究2004年10月系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第1頁(yè)。目錄1.設(shè)計(jì)依據(jù)2.研究?jī)?nèi)容3.技術(shù)指標(biāo)4.液壓脈沖波形成的機(jī)理分析5.飛機(jī)液壓脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)組成

6.飛機(jī)液壓脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì)

7.飛機(jī)液壓脈沖系統(tǒng)測(cè)控設(shè)計(jì)8.液壓脈沖主動(dòng)控制技術(shù)研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第2頁(yè)。1.設(shè)計(jì)依據(jù)

本方案是依據(jù)國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目建議書(shū)提出的《先進(jìn)工業(yè)技術(shù)研究—飛機(jī)液壓系統(tǒng)脈沖試驗(yàn)技術(shù)研究》項(xiàng)目而制定的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第3頁(yè)。2.研究?jī)?nèi)容液壓脈沖波形形成機(jī)理分析、仿真和試驗(yàn)。脈沖波形主動(dòng)控制技術(shù)研究。測(cè)試和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。研制標(biāo)準(zhǔn)液壓脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第4頁(yè)。3.技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)額定壓力范圍 P=2MPa～28MPa連續(xù)可調(diào)最大脈沖峰值 125%P～150%P壓力升率 100MPa/s～2100MPa/s試驗(yàn)波形 水錘波、梯形波、正弦波被試件容腔 不小于3升(P=21MPa-28MPa)試驗(yàn)環(huán)境溫度 T=－60℃～＋150℃脈沖頻率 f=0.1Hz～2Hz測(cè)量誤差 小于1%脈沖峰值控制誤差 小于3％可靠性指標(biāo) 平均無(wú)故障工作時(shí)間600h系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第5頁(yè)。4.液壓脈沖波形成的機(jī)理分析4.1標(biāo)準(zhǔn)脈沖波形系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第6頁(yè)。4.2簡(jiǎn)易發(fā)生裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第7頁(yè)。4.3脈沖發(fā)生過(guò)程4.3.1初始狀態(tài)

容積為V0的試件已預(yù)先充滿工作介質(zhì)，試件經(jīng)換向閥與油箱溝通，此時(shí)試件內(nèi)壓力P0≈0，油泵按額定工作壓力P運(yùn)行，其排出流量為蓄壓器充壓，多余的油液經(jīng)溢流閥流回油箱。V0，P0

≈0通回油管系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第8頁(yè)。V0+ΔV；P0PmaxP4.3.2產(chǎn)生液壓脈沖

油泵按額定壓力P運(yùn)行，換向閥快速換向，來(lái)自系統(tǒng)的高壓油經(jīng)換向閥快速?zèng)_入試件，形成液壓壓力脈沖波形。

P、Q(V)4.3.3脈沖波形消失

換向閥反向切換，試件與油箱溝通，脈沖波形消失，V0

、P0恢復(fù)為脈沖發(fā)生前的狀態(tài)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第9頁(yè)。4.4機(jī)理分析電磁閥打開(kāi)瞬間狀態(tài)

ΔVP0

P

P、Q(V·t)Δt1t

這是一個(gè)典型的由液壓動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能的變化過(guò)程，主要為靜壓壓力傳遞。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第10頁(yè)。Δt1PtΔt2Pmax

由于油液的可壓縮性，試件壓力繼續(xù)上升至Pmax。其壓力曲線為：油液的動(dòng)能變?yōu)閴毫δ艿倪^(guò)程。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第11頁(yè)。

當(dāng)試件壓力上升至Pmax，由于系統(tǒng)壓力不平衡，Pmax將回落，試件內(nèi)部出現(xiàn)壓力振蕩，直到P=P0

。tΔt3PmaxP0電磁閥反向切換后，試件壓力回零。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第12頁(yè)。5.飛機(jī)液壓脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)由下列三個(gè)部分組成：液壓脈沖系統(tǒng)PXI總線計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)高、低溫環(huán)控箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第13頁(yè)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第14頁(yè)。5.1液壓脈沖系統(tǒng)組成及各部分功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第15頁(yè)。主液壓系統(tǒng)

系統(tǒng)輸入功率55KW，選用壓力及流量可調(diào)的PV092排量變量柱塞泵，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)限壓作定量泵使用。配置4臺(tái)總有效容積為52升的蓄壓器，作為瞬間補(bǔ)充供油。設(shè)有比例壓力閥和比例流量閥，以實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的主動(dòng)控制。靠外控外泄的先導(dǎo)式電液換向閥快速切換，形成脈沖波。額定壓力28MPa，可調(diào)脈沖峰值42MPa，可控瞬間最大流量1500升/min，可調(diào) 該系統(tǒng)主要用于1～4升高壓大容腔試件脈沖試驗(yàn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第16頁(yè)。控制液壓系統(tǒng)

系統(tǒng)輸入功率22KW，選用PV046排量泵，配13升蓄壓器，采用比例壓力調(diào)節(jié)和比例伺服閥配合電液換向閥，可產(chǎn)生脈沖波、正弦波、梯形波等不同壓力波形。 當(dāng)主系統(tǒng)工作時(shí)，用作主系統(tǒng)的外控油源；主系統(tǒng)不工作時(shí)，可單獨(dú)承擔(dān)容腔小于1升試件的高壓脈沖試驗(yàn)。 額定壓力28MPa，可調(diào)脈沖峰值42MPa，可控瞬間最大流量350L/min，可調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第17頁(yè)。低壓補(bǔ)油系統(tǒng)

系統(tǒng)功率1.5KW，P=1.45MPa，Q=35L/min

在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，用于給試件加液排氣； 在試驗(yàn)階段用于給試件補(bǔ)油；該系統(tǒng)可以進(jìn)行循環(huán)高溫補(bǔ)油，以滿足試件的高溫試驗(yàn)要求，設(shè)定最高油溫為150℃。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第18頁(yè)。氣壓增壓補(bǔ)油系統(tǒng)

由氣壓減壓閥和增壓補(bǔ)油箱組成，主要用于0～0.1MPa之間的精確低壓補(bǔ)油；試驗(yàn)結(jié)束，可利用增壓氣體排出試驗(yàn)件中的油液。

高壓補(bǔ)油系統(tǒng)

由氣壓過(guò)濾器、減壓閥和氣驅(qū)液壓泵組成，標(biāo)準(zhǔn)液氣比率為60∶1，最大液壓壓力為42MPa，用于特殊波形試驗(yàn)的高壓補(bǔ)油。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第19頁(yè)。5.2PXI總線計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組成

PXI總線的特性

PXI是PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，它繼承了VXI總線規(guī)范的諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種開(kāi)放型、模塊化、易于集成、功能強(qiáng)、可靠性好、價(jià)格低、軟件與個(gè)人計(jì)算機(jī)兼容的測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)。PXI支持多擴(kuò)展槽，有很強(qiáng)的I/O能力、用于高速定時(shí)的系統(tǒng)參考時(shí)鐘，以及用于多板精確同步的星形觸發(fā)總線及相鄰儀器模板間高速通信的局部總線。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第20頁(yè)。液壓脈沖試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)框圖

AIAODO系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第21頁(yè)。5.3高、低溫環(huán)控箱

2M3高低溫環(huán)控箱 用于試驗(yàn)時(shí)的高、低溫環(huán)境控制 溫控范圍：－60℃～＋150℃

溫變率：4℃/min～5℃/min系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第22頁(yè)。6.飛機(jī)液壓脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計(jì)

為進(jìn)行液壓脈沖試驗(yàn)技術(shù)研究，必須研制標(biāo)準(zhǔn)液壓脈沖試驗(yàn)系統(tǒng)。這套系統(tǒng)本身就包含了本課題的關(guān)鍵技術(shù)，如系統(tǒng)功率；瞬間補(bǔ)充供油的蓄壓器參數(shù)；增壓缸參數(shù)等，只有這些參數(shù)的合理配置，才能保證脈沖波形各項(xiàng)特征參數(shù)符合規(guī)范要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第23頁(yè)。主要技術(shù)依據(jù)脈沖試驗(yàn)規(guī)范所要求的標(biāo)準(zhǔn)脈沖波形如圖所示，

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第24頁(yè)?；緟?shù)如下：

試件額定工作壓力 Ps

＝28MPa壓力脈沖峰值 Psmax

＝1.5Ps

＝42MPa脈沖頻率 f＝2Hz試件容積 V1

＝4L（要求≮3L）蛇行管容積 V2

＝1.256L

（管徑20mm，管長(zhǎng)4000mm）增壓缸高壓端容積 V3

＝0.527L高壓脈沖段總?cè)莘e V＝V1＋V2+V3=5.783L

取V＝6L計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第25頁(yè)。

根據(jù)下面這個(gè)公式計(jì)算出沖擊到最高壓力時(shí)的油液壓縮量。

ΔV＝β·V·ΔP

公式中β

為液壓油的壓縮參數(shù)；

V為液壓油的總體積；

ΔP為最高壓力和最低壓力的壓差。 經(jīng)計(jì)算ΔV=0.318L6.1高壓脈沖段油液壓縮量ΔV計(jì)算

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第26頁(yè)。6.2脈沖過(guò)程瞬時(shí)最大功率N

Psmax＝42MPa QS＝954升/min

這樣大的試驗(yàn)動(dòng)力，實(shí)際實(shí)現(xiàn)起來(lái)是及其困難的，即使可以實(shí)現(xiàn)，對(duì)液壓脈沖這樣的特殊要求，在能源配置上也會(huì)造成極大的浪費(fèi)，動(dòng)力配置必須采取切實(shí)可行的對(duì)策。最佳解決辦法：采用小功率液壓動(dòng)力系統(tǒng)加上大容腔蓄壓器以滿足瞬間大流量的要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第27頁(yè)。V0＝48L －蓄壓器有效氣體容積；P0＝12MPa

－預(yù)充氣壓力；P1=18.2MPa －最低工作壓力；P=18.7MPa －最高工作壓力（即系統(tǒng)額定工作壓力）；ΔV0=0.477L －蓄壓器從P到P1時(shí)的有效輸出油液量。6.3蓄壓器技術(shù)參數(shù)6.4主系統(tǒng)油泵輸出功率

經(jīng)計(jì)算，主系統(tǒng)功率為55KW。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第28頁(yè)。D＝100mm 低壓腔直徑d＝82mm 高壓腔直徑 L＝100mm 增壓缸行程i＝1.4872 增壓比6.5增壓缸參數(shù)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第29頁(yè)。6.6結(jié)論V＝4L 被試件容積Ps＝28MPa 被試件額定工作壓力Psmax＝42MPa 壓力脈沖峰值f=2Hz 脈沖頻率ΔV=318cm3

試驗(yàn)段容積變化量D＝100mm 增壓缸輸入端直徑d＝82mm 增壓缸輸出端直徑i=1.5 增壓比L＝100mm 增壓缸最大行程蓄壓器有效容積 12L×4＝48LP0＝120bar 蓄壓器預(yù)充壓壓力P1＝18.7MPa 系統(tǒng)額定工作壓力P2＝18.2MPa 蓄壓器最低工作壓力Q≥120L/min 油泵流量N＝55KW 電機(jī)功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第30頁(yè)。7.飛機(jī)液壓脈沖系統(tǒng)測(cè)控設(shè)計(jì)7.1信號(hào)統(tǒng)計(jì)

壓力測(cè)量信號(hào) 11點(diǎn)流量測(cè)量信號(hào) 6點(diǎn)溫度測(cè)量信號(hào) 6點(diǎn)模擬量輸出控制信號(hào) 4點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出控制信號(hào) 9點(diǎn)詳細(xì)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)附表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第31頁(yè)。壓力測(cè)量信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第32頁(yè)。流量測(cè)量信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第33頁(yè)。溫度測(cè)量信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第34頁(yè)。模擬量輸出控制信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第35頁(yè)。開(kāi)關(guān)量輸出控制信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第36頁(yè)。7.2測(cè)控系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理輸入及輸出

壓力和溫度傳感器的輸出信號(hào)均為4～20mA，統(tǒng)一信號(hào)調(diào)理為1～5V電壓信號(hào)，接入采集卡。流量信號(hào)輸出為頻率信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后，通過(guò)串口傳遞。模擬量輸出控制信號(hào)可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)也可以計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，通過(guò)面板雙刀雙擲開(kāi)關(guān)選擇。開(kāi)關(guān)量輸出控制信號(hào)由操作臺(tái)的繼電器控制，該繼電器可以由面板手動(dòng)控制，也可以計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，通過(guò)面板開(kāi)關(guān)選擇。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前為第37頁(yè)。7.3測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)控系統(tǒng)由兩部份構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和波形控制系統(tǒng)。硬件組成：工控機(jī)

MXI-3連接器

NIPXI-PC8335PXI機(jī)箱NIPXI-1042，通用8槽機(jī)箱，300W電源

多功能數(shù)據(jù)采集模塊，2塊

NIPXI-6025E系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案全文共44頁(yè)，當(dāng)前