惯性力平衡式二维燃油泵的设计与研究

提出了一种新型的惯性力平衡式二维燃油泵，该泵将配流机构集成在柱塞与柱塞环上，去除了传统柱塞泵独立的配流机构，简化了燃油泵的结构，并且利用柱塞与柱塞环方向相反的轴向往复运动，在体积不变的前提下增加了泵的排油行程，进一步提高了燃油泵的功率密度。该燃油泵的导轨采用等加等减速曲面，利用平衡导轨组进行与驱动导轨组加速度大小相等、方向相反的往复运动，来平衡在高转速情况下缸体受到的驱动导轨组给予的惯性力，提供了一种燃油泵高速化的可能性。结合泵的原理，分析了内泄漏、外泄漏以及油液的可压缩性对泵容积损失的影响。利用AMESIM建立惯性力平衡式二维燃油泵的仿真模型进行分析，与实验结果进行比对验证。样机试验表明，在负载压力为1 MPa时，转速从1 000 r/min提升到7 000 r/min,容积效率从90.6%提升到97.8%,理论偏差在3%左右；当转速为2 000 r/min时，负载压力从1 MPa提高到6 MPa,容积效率从94.6%降低到87.5%,理论偏差在5%左右，说明了理论分析的正确性。     

某型飞机轴向柱塞泵性能分析

通过对轴向柱塞泵的基本性能分析,推导出了流量、脉动系数、流量脉动频率计算公式。通过对某型飞机柱塞泵的流量、脉动系数、流量脉动频率计算,定量得出柱塞泵的脉动系数值和流量、流量脉动频率变化范围,从而对轴向柱塞泵的基本性能作出理论上的量化分析。     

轴向柱塞泵多学科融合建模与集成优化

为了实现机液耦合条件下轴向柱塞泵的精确建模和优化设计,提出了轴向柱塞泵多学科融合建模与集成优化方法。以国产I3V2-10S型轴向柱塞泵为对象,分别建立了ADAMS机械系统模型和AMESIM液压系统模型,通过ADAMS和AMESIM之间的接口模块设计实现了柱塞泵机液耦合建模和联合仿真,并利用iSIGHT软件集成了该机液耦合模型,以该柱塞泵出口体积流量脉动率最小为目标,对配流副中吸排油节流口最大开口等效直径、吸排油闭死角、柱塞包角、吸排油预开口量等参数进行了优化设计。结果表明:在负载工况分别为10、14、18、22、26、30MPa时,优化后的泵出口流量脉动率比优化前分别降低了14.59%、18.57%、21.50%、23.44%、24.03%、25.49%,最后通过实验验证了仿真和集成优化数据的正确性。      

柱塞倾角对航空柱塞泵性能的影响分析

通过对柱塞泵中柱塞的运动方程和柱塞泵的瞬时供油量方程进行分析,利用AMEsim工程仿真软件,建立了某型航空发动机柱塞泵的仿真模型,通过仿真分析了柱塞倾角对柱塞行程、柱塞泵的流量脉动和压力脉动的影响,仿真结果表明柱塞倾角是影响泵流量脉动的重要因素,适当增大柱塞倾角,可以增大柱塞的行程,增加泵的供油量,还能够改善柱塞泵流量的脉动。     

航空液压泵脉动压力的解析表达与级数展开

为了深入研究航空液压泵输出油液的脉动压力特性,以航空液压柱塞泵为研究对象,分析了柱塞泵运动和体积流量脉动的成因,推导了柱塞泵排油口的体积流量脉动函数表达式,建立了油液压力与体积流量脉动函数之间的联系,并采用傅里叶级数模拟了与实验数据吻合的多级脉动压力曲线。结果表明：模拟脉动压力曲线与实验数据基频、2倍频的相对误差均在5%以内,基频及2倍频处的压力幅值的相对误差均在1%以内,使用包含基频与2倍频的级数近似可以描绘航空液压柱塞泵出口处周期脉动压力的主要特征。研究结果为进行飞机液压系统管路结构的流固耦合振动仿真提供了载荷输入依据。     

二维活塞航空燃油泵容积效率分析

提出了一种二维活塞燃油泵，该泵利用二维活塞的旋转运动将配流机构集成到活塞上，去除了传统柱塞泵独立的配流机构，简化了泵的结构、提升了泵的功率密度，而且由于主要运动机构采用了滚动轴承支撑，免除了滑动摩擦副及其产生的泄漏，提高了效率。对泵的容积效率进行理论分析和实验研究。结合泵的结构原理分析了造成容积损失的内泄、外泄及油液压缩性等3种主要原因；应用层流和紊流的缝隙流动基本理论推导出泄漏解析表达式，着重分析了不同配流开口形式产生的内泄漏；综合考虑油液压缩性和泄漏获得了容积效率数学模型。理论研究表明采用负开口配流形式可以有效减小内泄漏，定量分析了泄漏流量与负开口量的关系，同时利用Fluent进行配流过程中泵腔内的流场数值模拟，结果表明可以有效减小油液倒灌。为了验证理论分析的有效性，制作二维活塞燃油泵样机，以航空煤油为介质进行台架实验。样机实验结果表明在负载压力2 MPa，转速从1 000 r/min到5 000 r/min，容积效率从93.6%提升到98.1%；当转速为2 000 r/min，负载压力从1 MPa增大到5 MPa，容积效率从97.5%降低到92.3%。以现有的齿轮泵和柱塞泵相比容积效率显著提高，理论与实验的结果偏差在4%以内，表明理论分析的有效性和正确性。     

一种液压系统脉动消除器的设计与分析

面向航空液压系统消除压力脉动、提升系统可靠性和寿命的需求，设计了一种液压系统压力脉动消除器。基于流体网络理论建立了脉动消除器及实验系统的理论模型，并考虑安装方式和负载类型的不同，分析了脉动消除器在不同工况下的滤波效果。然后通过仿真方法验证了设计方案的可行性以及理论分析的准确性，仿真过程考虑了系统负载对脉动的影响。最后实验验证了脉动消除器的滤波效果。结果表明：设计的新型结构压力脉动消除器无运动部件、布局紧凑，与飞机液压系统中常用的液压柱塞泵使用匹配度高，是消除液压系统脉动的有效部件；在300~500 Hz的压力脉动频率范围内，研究设计的脉动消除器可以消除10 dB的压力脉动，能够满足飞机液压系统消除压力脉动的需求，在航空领域中具有广泛的应用前景。     

基于AMEsim的某型航空发动机轴向柱塞泵特性仿真

分析了柱塞泵的工作原理，建立了柱塞泵柱塞的运动方程。在此基础上，利用AMEsim工程仿真软件建立了单个柱塞的仿真模型。根据某型航空发动机上柱塞泵的结构参数设置了仿真参数，分析了分油盘结构对柱塞的影响；并在不同的斜盘角度下，分析了柱塞腔的压力、轴向油压作用力的变化情况；最后，对在不同泄漏间隙条件下的泄漏量进行了分析。本文仿真分析所得结果可为柱塞泵的优化设计提供相关理论依据。     

轴向倾斜缝对压气机转子叶尖泄漏涡的非定常控制数值研究

为研究轴向倾斜缝对转子叶尖泄漏涡的非定常控制作用,采用瞬时叶片排数值模拟方法对带不同数量轴向倾斜缝的Rotor 67转子进行非定常数值模拟。结果表明,轴向倾斜缝能有效扩宽转子的稳定工作范围;轴向倾斜缝缝数应使其通过频率与预测的转子叶尖泄漏涡非定常脉动频率相近为宜;当加入轴向倾斜缝这一结构激励源后,叶尖泄漏涡不再表现出自身的脉动频率,而只以轴向倾斜缝的激励频率为主频进行脉动;在小流量工作区间,越接近失速点,轴向倾斜缝对于叶尖泄漏涡的控制作用越强,叶尖泄漏涡的压力脉动也越剧烈。     

基于降维负载转矩观测器的调速系统控制技术研究

针对高精度电动燃油调速系统在负载突变工作时燃油增压与燃油流量调节的稳定性问题,研究了前馈补偿控制策略,提出了一种基于降维负载转矩观测器的抗负载扰动控制方法。该方法实时对电动调速系统的同步电机输出转速与负载转矩进行观测,并将观测到的负载转矩补偿到同步电机交轴电流,实现闭环调速控制,从而避免了负载扰动影响系统输出转速,减小电动燃油泵对燃油的压力与流量的影响。仿真和试验结果表明,在快速加载与卸载实验条件下所提出的方法的正确性与可行性。     

Two-dimensional piston pump: Principle,design, and testing for aviation fuel pumps

Aviation fuel pumps of the future are required to be highly efficient and lightweight. As such, this work presents the designs of various mechanisms and structures of advanced two-dimensional piston pumps for aero-engines, and their universal kinematic design methods are detailed herein. The efficiency of various piston pump prototypes was experimentally tested at various speeds in an open circuit. The experimental results indicate that two-dimensional piston pumps have a volumetric efficiency >91% and a higher power–mass ratio than conventional fuel pumps under all the conditions studied. Furthermore, the structural and material problems encountered during testing can provide a blueprint for further improvement of the design and processing of two-dimensional piston fuel pumps.     

航空燃油柱塞泵滑靴油膜的多目标优化设计

以锥形转子球面斜盘轴向燃油柱塞泵为研究对象,在分析滑靴油膜设计中的摩擦功率损失、泄漏功率损失、容积效率随滑靴的机械结构参数变化的基础上,基于遗传算法对上述多变量、多目标优化问题进行计算.权重系数法优化结果表明:优化后燃油柱塞泵设计点的摩擦功率损失和泄漏功率损失减少了7%左右,容积效率略微提升,并且优化得到的机械结构参数在不同转子转角和柱塞倾角的情况下也显示出性能上的优势,从而证明了多目标遗传算法对设计航空燃油柱塞泵油膜静压润滑是一种有效的方法.     

燃料泵的性能监测与故障诊断

提出了利用微型计算机和工作区域图对燃料泵进行性能监测与故障诊断的基本原理和方法,并以航空发动机某型柱塞泵为例进行了试验研究,获得了令人满意的结果。对提高燃料泵运行的可靠性和安全性具有一定的工程参考价值。     

Theoretical study of flow ripple for an aviation axial-piston pump with damping holes in the valve plate

Based on the structure of a certain type of aviation axial-piston pump＇s valve plate which adopts a pre-pressurization fluid path （consisting a damping hole, a buffer chamber, and an orifice） to reduce flow ripple, a single-piston model of the aviation axial-piston pump is presented. This sin- gle-piston model comprehensively considers fluid compressibility, orifice restriction effect, fluid resistance in the capillary tube, and the leakage flow. Besides, the instantaneous discharge areas used in the single-piston model have been calculated in detail. Based on the single-piston model, a multi-piston pump model has been established according to the simple hydraulic circuit. The sin- gle- and multi-piston pump models have been realized by the S-function in Matlab/Simulink. The developed multi-piston pump model has been validated by being compared with the numerical result by computational fluid dynamic （CFD）. The effects of the pre-pressurization fluid path on the flow ripple and the instantaneous pressure in the piston chamber have been studied and opti- mized design recommendations for the aviation axial-piston pump have been given out.     

基于CFD内流耦合仿真的燃油柱塞泵滑靴副动态润滑特性研究

针对航空燃油柱塞泵滑靴副自适应油膜的动态润滑问题,基于牛顿拉夫逊方法,建立了考虑滑靴副油膜支承作用与其动力学状态动态耦合关系的滑靴副润滑计算模型。在此基础上,计入前级部件内流作用对油膜特性的影响,通过CFD内流分析和Reynolds润滑模型相结合的仿真方法,对航空柱塞泵滑靴副及其前级部件进行了一体式联合仿真研究。研究结果表明:仿真与试验结果的误差保持在4.3%以内,CFD仿真方法可以实现对滑靴副前级部件内流场的准确模拟;转速从4kr/min增至5kr/min时,膜厚的最大倾覆值减小至原数值的27.15%,并且低压区滑靴厚度变化率的增大率最大可达62.02%;而出口压力增大率为66.7%时,引起全周期内膜厚变化率波动幅度不同程度的增大;在转动周期内,滑靴的自适应润滑效果通过油膜厚度场和压力场的耦合变化形成自适应动压支承效应来实现。     

航空燃油柱塞泵运动学参数计算的坐标法

采用坐标法推导并给出了球面斜盘型柱塞泵位移、速度、加速度等运动学参数计算的一种新方法,并以某型号泵为应用对象,分别采用现有方法和所推出的坐标法进行仿真,结果表明:现有方法由于采用线性化处理,计算的位移和速度误差在0.4%以下、加速度最大误差为3.34%;与现有计算方法相比,坐标法从理论上保证了是一种精确的计算方法,且计算过程简单,可为该类柱塞泵运动学参数计算提供理论依据.      

Remaining useful life prediction based on the Wiener process for an aviation axial piston pump

An aviation hydraulic axial piston pump’s degradation from comprehensive wear is a typical gradual failure model. Accurate wear prediction is difficult as random and uncertain char-acteristics must be factored into the estimation. The internal wear status of the axial piston pump is characterized by the return oil flow based on fault mechanism analysis of the main frictional pairs in the pump. The performance degradation model is described by the Wiener process to predict the remaining useful life (RUL) of the pump. Maximum likelihood estimation (MLE) is performed by utilizing the expectation maximization (EM) algorithm to estimate the initial parameters of the Wiener process while recursive estimation is conducted utilizing the Kalman filter method to estimate the drift coefficient of the Wiener process. The RUL of the pump is then calculated accord-ing to the performance degradation model based on the Wiener process. Experimental results indi-cate that the return oil flow is a suitable characteristic for reflecting the internal wear status of the axial piston pump, and thus the Wiener process-based method may effectively predicate the RUL of the pump.