航空发动机控制系统按照控制方式可以分为液压机械控制系统和数字电子控制系统。数字电子控制技术以其调节精度高、可维护性好与可变更性好、容易实现飞行/推进/火控一体化综合控制等诸多优点，已成为未来航空发动机控制系统的发展趋势。航空发动机数控系统是由控制软件、电子控制器、液压机械装置、传感器、电气部件组成的。其中液压机械装置较之前的纯液压机械式燃油调节器结构上要简单，但仍然具有结构复杂，设计、加工困难，加工周期长，对介质要求较高等特点，为了提高液压机械装置的性能和可靠性并缩短研制周期，必须在设计阶段对液压机械装置进行仿真分析。
设计参数是指在液压机械装置设计阶段，对系统的性能起决定性作用的参数，譬如各个活门的尺寸、型面、弹簧刚度等；而调整参数是指在液压机械装置调试阶段，通过对这些参数的调整，使系统性能获得有限的变化的参数，譬如弹簧初始预紧力、调整垫圈等。
对液压机械装置的研究，以往只是针对液压机械装置的调整参数对执行机构的影响，而关于设计参数对执行机构影响的研究则很少。
本文利用AMESim软件对燃油控制系统液压机械执行机构进行建模仿真，重点分析了压差控制器设计参数对执行机构的影响，通过对液压机械装置仿真分析可以及早发现并修正系统设计中的缺陷，确定最佳的设计方案,为液压机械装置的设计、改进改型和性能优化提供依据。
1 燃油控制系统液压机械装置简介
燃油控制系统液压机械装置主要由齿轮泵、燃油计量活门、压差控制器、LVDT等组成。
燃油控制系统液压机械装置的功能如下：（1）接受电子控制器信号计量供给燃烧室的燃油；（2）防喘切油；（3）停车切油。
燃油控制系统液压机械装置工作原理如图1所示。
图1 燃油控制系统液压机械装置工作原理
飞机油箱的燃油经过燃油增压泵初次增压后，输送到齿轮泵进一步增压。齿轮泵后的燃油经过计量活门计量后进入发动机燃烧室。由电子控制器按发动机调节计划和控制规律给出电信号控制电液伺服阀，改变随动活塞控制腔的油压来控制计量活门的位移，同时由安装在随动活塞上的LVDT传感器反馈信号给电子控制器，形成计量活门位置反馈控制，从而实现电子控制器对燃油流量的控制。压差活门用来保证计量活门前后恒定的压差，使供油量仅取决于计量活门流通面积。
2 燃油控制系统液压机械装置仿真模型
建模采用的软件是AMESim。AMESim提供了一个系统工程设计的完整平台，使得用户可以在一个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。使用户能够借助其友好的、面向实际应用的方案，研究元件或回路的稳态和动态性能。AMESim使得用户从繁琐的数学建模中解放出来从而专注于物理系统本身的设计，而不需要书写任何程序代码。此外，AMESim还具有与其他软件包丰富的接口，例如Simulink、Adams、Simpack、RTLab等。
3 性能分析
利用建立好的燃油计量系统的AMESim模型，通过分析燃油计量系统从一个稳态工作点到另一个稳态工作点输出流量的变化，对现有的设计方案进行评估。方案中压差控制器的设计参数为：压差活门型孔、压差活门出口节流嘴、回油活门阻尼孔均为圆形，直径分别为1mm、0.6mm、0.8mm；压差活门油压作用面直径为8mm；压差活门弹簧刚度为8.711N/mm。设定齿轮泵转速为7000r/min，2s时刻，给定信号控制计量活门位移由5mm变化到20mm（对应计量活门流通面积由19.5mm2变至78.5mm2）。计量系统输出流量的仿真结果如图2所示。
图2 计量系统输出流量
从仿真结果得到：
（1）当燃油计量系统由一个稳态工作点变到另一个稳态工作点时，计量系统输出流量在1.1s内达到稳定，小于系统设计要求的1.5s；
（2）计量系统稳态输出流量为157.75L/min，稳态误差不超过0.5%，并且没有出现燃油流量振荡现象。
可以得出，现有的设计方案满足对燃油计量系统的要求。
4 压差控制器设计参数对液压机械装置的影响
压差控制器包括压差活门、安全活门和回油活门，其作用是保持计量活门前后压力差恒定，使得通过计量活门的流量只与其流通面积有关。其设计参数主要包括压差活门型孔、压差活门油压作用面、弹簧刚度、压差活门出口节流嘴直径、回油活门阻尼孔直径等，下面分别对这些设计参数对燃油计量系统的影响进行分析。以下研究均是在齿轮泵转速为7000r/min，计量活门位移在2s时刻由5mm变化到20mm进行的。
4.1压差活门型孔对液压机械装置的影响
压差活门型孔的作用是当压差活门两端压差没有达到设定值时，通过调整型孔的大小来调节压差活门两端压差。压差活门的型面是两个对称的圆孔。当压差活门型孔直径在0.6~2mm之间变化时，通过仿真得到：当压差活门活门型孔直径从0.6mm逐渐增加到2mm时，压差活门两端压差变小，压差动态特性基本不变，计量活门稳态输出流量变小，输出流量调节时间基本不变。当压差活门型孔直径为1.5mm和2mm，计量活门流通面积较小时，压差活门两端压差出现波动，导致计量系统输出流量波动。因此，压差活门型孔直径应小于1.5mm。
4.2压差活门油压作用面对液压机械装置的影响
油压作用面的大小可以影响压差活门两端压差，此处的作用面是一个圆形，并且面积是固定的，不会随活门位移的变化而变化。当油压作用面直径从7mm增加到10mm时，通过仿真可以得出，油压作用面面积的变化对压差活门两端压差影响比较大，进而影响计量活门稳态输出流量。随着油压作用面面积的增加，压差活门两端压差减小，计量活门的稳态输出流量减小，而调节时间基本不变。这是因为当压差活门两端受力差值一定时，油压面积增大时，单位面积的压力减小，导致压差活门前后压差减小，计量系统输出流量减小。当油压作用面直径减小到7mm时，压差活门两端压差出现波动，导致计量系统输出流量波动，因此，选取油压作用面时，其直径应该大于7mm。
4.3压差活门弹簧刚度对液压机械装置的影响
调整压差活门弹簧刚度对压差活门两端压差有影响。在压差活门弹簧初始预紧力一定的条件下，弹簧刚度从5N/mm逐渐增加到15N/mm，通过仿真得到，随着压差活门弹簧刚度的增加，压差活门两端压差增加，计量活门稳态输出流量也随之增加，但动态特性不受影响。
4.4压差活门出口节流嘴对液压机械装置的影响
压差活门出口节流嘴可以影响压差活门两端压差的动态特性。当压差活门出口节流嘴直径在0.4~0.7mm变化时，通过仿真得出，压差活门出口节流嘴直径的大小对压差活门两端压差动态特性的影响比较明显，随着压差活门出口节流嘴直径的增大，压差活门两端压差的调节时间变短，进而计量活门输出流量调节时间变短，而计量活门稳态输出流量不变。
4.5回油活门通泵后燃油阻尼孔对液压机械装置的影响
调节回油活门通泵后燃油阻尼孔可以影响压差控制器的动态特性，进而影响计量系统的动态特性。当阻尼孔直径从0.4mm到1mm变化时，通过仿真得出，随着回油活门阻尼孔孔径的增大，压差活门两端压差调节时间变短，压差稳态值有微小的增加，进而计量系统输出流量调节时间变短，稳态输出流量增加。当阻尼孔直径由0.4mm增加到0.6mm时，对压差控制器调节时间影响比较明显，在0.6mm到1mm变化时，影响不太明显。
5 结论
本文利用AMESim软件对航空发动机燃油控制系统液压机械执行机构进行建模，通过仿真分析得出现有的液压机械装置的性能满足设计要求，并对压差控制器设计参数对液压机械装置的影响进行分析。在实际应用过程中，可以依据上述结论指导产品设计，为改进改型和性能优化提供了依据。
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本文标题：压差控制器设计参数对燃油计量系统影响研究
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