一种基于AMESim的离心变距调速系统仿真方法

技术领域

本发明涉及航空工业螺旋桨离心变距调速系统优化技术领域，尤其涉及一种基于AMESim的离心变距调速系统仿真方法。

背景技术

在航空工业中，螺旋桨飞机因其具有耗油少、安全可靠、巡航时间长等优点，广泛应用于军用运输机、支线客机、农林飞机等各类飞机。在飞机飞行过程中，螺旋桨离心变距调速装置(简称调速装置)维持了飞行稳定性以及发动机安全性。通过螺旋桨、发动机和调速装置这三者互相作用使得航空发动机与螺旋桨能够维持稳定的转速，因此调速装置的动态性能在发动机与螺旋桨的工作中发挥着重要作用。

调速装置是螺旋桨飞机的关键零部件之一，在螺旋桨调速装置生产制造与试验中，调速装置的动态特性不够稳定问题一直比较突出，这与调速装置的参数选择密切相关，采用实验方法来寻找合适参数既费时又费力，有必要通过液压动态仿真方法来进行优化。

在飞机飞行过程中，螺旋桨转速主要受到负载与发动机功率的影响，当发动机功率大于负载时，转速增大，此时配重的离心转速也随之增大，控制活门受到配重提供的离心推力增大，控制活门向上运动，导致高压油路与大距油路相通，从液压泵来的高压油进入大距油路流向执行机构左边的大距油腔，此时大距油腔的油压大于小距油腔的油压，变距活塞右移，同时小距油腔的液压油沿着小距油路通过低压溢流阀流回油池，螺旋桨变大距，随着桨叶角Φ的增大，螺旋桨的阻力力矩增大，转速减小，配重转速随之减小，控制活门受到的离心推力减小，控制活门又向下移动，直到转速回到设定数值，控制活门回到原先稳定位置，大距油路与高压油路不再相通，螺旋桨桨叶角Φ不再增大，螺旋桨转速保持稳定；反之，当发动机功率小于负载时，转速减小，控制活门向下移动，回油路与大距油路相通，由于小距油腔油压大于此时大距油腔油压，大距油腔中液压油回油路回到油池，变距活塞向左移动，螺旋桨桨叶角Φ变小距，同理转速增大，直到回到原先设定转速保持稳定。

目前针对螺旋桨离心变距调速系统的研究主要通过开展相关地面试验或者数学建模的方法进行验证，地面试验耗时、耗力、耗财，并且采用数学建模方法进行数学公式推导，这需要进行模型简化，进行理想化处理，这也存在一定的局限性。

发明内容

在航空工业领域中，目前针对调速装置的仿真研究，主要基于Labview对液压调速装置试验台进行参数测试，建立调速装置数学模型并通过Simulink对其进行仿真。这些研究对螺旋桨飞机调速装置的优化有一定的参考作用，但是都存在一定的局限性。

本发明的目的是为了提供一种基于AMESim的离心变距调速系统仿真方法，给出了螺旋桨离心变距调速系统仿真模型结构，为螺旋桨离心变距调速系统仿真、计算提供了一种通用、准确、便捷的方法，为模拟螺旋桨离心变距调速系统的进一步开发和优化奠定了基础。

基于该目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种基于AMESim的离心变距调速系统仿真方法，具体如下：

S1：根据待仿真的离心变距调速系统的实际工况，构建离心变距调速系统的液压原理图；

S2：根据所述液压原理图，在AMESim软件中建立离心变距调速系统的仿真模型；所述仿真模型包括调速装置模型、高压油路模型、大距油路模型、小距油路模型和负载模型；

S3：利用AMESim软件中的Submodel模式，使用Premier submodel功能赋予所述仿真模型的子模型；

S4：根据所述离心变距调速系统的实际参数，分别设置所述子模型中各个元件的参数值；

S5：利用AMESim软件中的Simulation模式进入仿真模式，完成所述离心变距调速系统的仿真计算，经参数优化后，得到调速装置的动态性能。

作为优选，所述离心变距调速系统包括调速装置、高压油路、大距油路、小距油路和负载装置；所述调速装置的A口通过大距油路与负载装置的大距油腔相连，T

进一步的，所述调速装置为螺旋桨离心变距调速装置，包括控制活门、调速装置阀体、配重块、弹簧、调速器端盖、活门端盖、滚轮和配重支架；所述调速装置阀体内安装有控制活门，顶部密封固定有调速器端盖，底部密封连接有配重支架，侧壁开设有用于为调速装置阀体内空隙润滑的T

作为优选，所述调速装置模型的设置参数包括控制活门质量、控制活门直径、弹簧刚度、弹簧初始弹力、控制活门间隙、发动机转速、转速与推力的转化函数；所述转速与推力的转化函数是通过将配重块的径向离心力利用杠杆机构转化为轴向的推力而得到。

作为优选，所述高压油路模型的设置参数包括液压泵的流量、高压溢流阀的开启压力与流量压力梯度；单向阀与过滤器采用AMESim的默认值。

作为优选，所述大距油路模型和小距油路模型的管路上均设置有用于控制流量的节流口。

作为优选，所述小距油路模型的设置参数包括减压阀的设定压力与达到最大开度的最大压力，以及最大开度时的特征流量、低压溢流阀的开启压力与流量压力梯度。

作为优选，所述负载模型的设置参数包括液压缸的活塞直径、负载的质量、液压缸的起始位置与限位、液压缸位移与转速的转化函数。

进一步的，所述液压缸位移与转速的转化函数用一阶环节的传递函数来表示。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)本发明的方法能够准确可靠的表现调速装置的动态性能，为后续调速装置的结构参数优化打下基础；

(2)本发明的方法中建立的调速装置模型中增加了泄露部分，可以更好地探究调速装置的动态特性，增加模型的真实性与可靠性；

(3)本发明的方法，元件中的配重块是通过转速输入以及电信号转化实现对配重块模型的建立，通过函数关系转化表现了调速装置与发动机转速的关系，并且简化了配重块模型构建的复杂程度；

(4)本发明的方法，通过传递函数关系转化，用一阶环节来表示发动机转速与液压缸位移的关系，从而实现调速装置在发动机转速改变时的反馈环节，增加模型的真实性与可靠性。

附图说明

图1所示为离心变距调速系统的液压原理图；

图2所示为螺旋桨离心变距调速装置(简称调速装置)的基本结构；

图3所示为基于螺旋桨离心变距调速装置的基本结构构建的离心变距调速装置AMESim模型；

图4所示为基于离心变距调速系统原理图构建的离心变距调速装置液压系统AMESim模型；

图中标记：1-控制活门，2-调速装置阀体，3-配重块，4-弹簧，5-调速器端盖，6-活门端盖，7-滚轮，8-配重支架，9-液压泵，10-单向阀，11-过滤器，12-高压溢流阀，13-减压阀，14-低压溢流阀，15-负载装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明提供了一种基于AMESim的离心变距调速系统仿真方法，该仿真方法具体如下：

S1：根据待仿真的离心变距调速系统的实际工况，构建离心变距调速系统的液压原理图。

作为本发明的一个较优实施例，如图1所示，离心变距调速系统主要包括调速装置、高压油路、大距油路、小距油路和负载装置。调速装置的A口通过大距油路与负载装置的大距油腔相连，T

其中，调速装置为螺旋桨离心变距调速装置，包括控制活门1、调速装置阀体2、配重块3、弹簧4、调速器端盖5、活门端盖6、滚轮7和配重支架8，如图2所示。调速装置阀体2内安装有控制活门1，顶部密封固定有调速器端盖5，底部密封连接有配重支架8，侧壁开设有用于为调速装置阀体2内空隙润滑的T

在实际使用时，当发动机功率大于负载时，此时发动机转速升高，此时配重块3产生的推力大于弹簧4的压缩力，控制活门1向上位移，此时调速装置的P口与A口相通，高压油通过高压油路-P口-A口-大距油路进入液压缸左边的大距油腔，此时左边的大距油腔的油压大于右边的小距油腔的油压，液压缸右移，同时小距油腔的液压油沿着小距油路通过低压溢流阀流14回油箱，螺旋桨变大距，随着桨叶角Φ的增大，螺旋桨的阻力力矩增大，转速减小，配重块3转速随之减小，控制活门1受到的推力减小，控制活门又向下移动，直到转速回到设定数值，控制活门1回到原先稳定位置，调速装置的P口与A口不再相通，螺旋桨转速保持稳定；反之，当发动机功率小于负载时，转速减小，控制活门1向下移动，此时调速装置的A口与T1口相通，液压缸左边的大距油腔的液压油通过大距油路-A口-T1口-回油路进入油箱，液压缸向左移动，螺旋桨桨叶角Φ变小距，同理转速增大，直到回到原先设定转速保持稳定。

S2：根据所构建的液压原理图，在AMESim软件中建立离心变距调速系统的仿真模型。仿真模型包括调速装置模型、高压油路模型、大距油路模型、小距油路模型和负载模型。

作为本发明的一个较优实施例，调速装置模型主要包括如图3所示中控制活门1、调速装置阀体2、配重块3、弹簧4等元件。调速装置模型的设置参数包括控制活门质量、控制活门直径、弹簧刚度、弹簧初始弹力、控制活门间隙、发动机转速、转速与推力的转化函数。其中，转速与推力的转化函数是通过将配重块3的径向离心力利用杠杆机构转化为轴向的推力而得到，即转速与推力转化函数是将配重离心力通过杠杆机构转化为竖直方向的轴向力得到，其转速与推力的转化函数表达式为：

式中，m为单个配重块质量，R为飞块质心到飞块支架旋转轴的距离，n(t)为发动机转速，L为配重块与控制活门接触点到配重块自身旋转轴的距离，Y为配重块质心到配重块自身旋转轴的距离。

作为本发明的一个较优实施例，高压油路模型主要包含如图4所示中的液压泵9、单向阀10、过滤器11和高压溢流阀12四个元件，高压油路模型的设置参数包括液压泵9的流量、高压溢流阀12的开启压力与流量压力梯度。单向阀10与过滤器11采用AMESim的默认值。

作为本发明的一个较优实施例，大距油路模型的管路设置了节流口，来控制大距油路的流量。小距油路模型的管路设置了节流口，来控制小距油路的流量。

作为本发明的一个较优实施例，小距油路模型主要包含如图4所示中的减压阀13和低压溢流阀14两个元件，设置参数主要包括减压阀的设定压力与达到最大开度的最大压力，以及最大开度时的特征流量、低压溢流阀的开启压力与流量压力梯度。

作为本发明的一个较优实施例，负载模型的主要包含如图4所示中15负载装置15，设置参数包括液压缸的活塞直径、负载的质量、液压缸的起始位置与限位、液压缸位移与转速的转化函数。从理论分析可得，液压缸位移与转速的转化函数可以用一阶环节的传递函数来表示：

式中，K和T分别为放大倍数和时间常数，K为负值。具体数值可通过试验得到。

如需对所设置的参数值不断进行优化，则利用AMESim中Study parameters模块进行批处理运行，选择最后合适的参数。

S3：利用AMESim软件中的Submodel模式，使用Premier submodel功能赋予仿真模型的子模型。

S4：根据离心变距调速系统的实际参数，分别设置子模型中各个元件的参数值。

S5：利用AMESim软件中的Simulation模式进入仿真模式，完成离心变距调速系统的仿真计算，经参数优化后，得到调速装置的动态性能。动态性能是指调速装置在发动机转速改变时的振荡幅度与次数，以及重新达到平衡状态所需时间，通过控制活门的位移情况展现出来。

可以根据得到的离心变距调速系统的动态性能指标优化调速装置的关键结构参数。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。