变量泵斜盘电液伺服控制系统的伺服元件
由于伺服油源压力是变化的，在为液压系统选择元件时，不仅要考虑变量泵的各项技术要求，还要按供油压力的变化范围对元件能力进行验算。使用电液伺服控制斜盘位置的液压伺服系统需满足变量柱塞泵的流量变化范围要求：①当n=(4155±20)r/min时，Qmax=(8000+200)L/h；②当n=（3600±20）r/min时，Qmin=(3600±20)L/h。而X型航空发动机对油泵的供油变化速度要求为：当变量泵转速为(4155±20) r/min，油门位于最大位置时，控制机操纵电液伺服阀，使斜盘角度从最大到最小（范围一般为25°）的时间为1.5～2.5s。以满足上述要求为基础，选择液压伺服元件。
(1)伺服液压缸。双作用液压缸及其活塞是液压伺服系统的作动机构，推动变量泵斜盘的过程中，需要活塞运动稳定且尽量减小负载对位置控制的影响。变量柱塞泵共有柱塞12个，柱塞直径为l5mm，泵出口压力最高为843MPa。斜盘控制机构改变斜盘角度时的负载可按以往机械设计经验进行初步估算。变量泵工作过程中，以两个高压柱塞对斜盘的作用力计算负载。柱塞作用力臂(柱塞与斜盘作用点到转子回转核心距离40.3mm)与控制斜盘活塞作用力臂(控制斜盘活塞核心到转子回转核心距离60.7mm)之比约为2/3，等效作用负载柱塞面积为253.0mm2。依据液压系统设计经验，在压力相等条件下，作动液压缸活塞有效作用面积大于3倍负载有效作用面积时，能够满足液压缸活塞运动过程中的控制稳定性。选取伺服液压缸内径为45mm，双伸出、双作用形式，承压10MPa，有效行程50mm，活塞杆直径15mm。因此，油缸活塞有效作用面积为
S=(π/4)(d2in-d2pis)
以液压缸内径din。和活塞杆直径dpis。分别为45mm和15mm代人，油缸有效面积为1413.7mm2，与柱塞有效面积253.0mm2之比为4.59/1，液压缸有效面积符合要求。同时，变量泵斜盘最大角度到最小角度对应的斜盘控制机构位移为13mm，伺服液压缸有效行程达50mm，满足将斜盘角度从最大推至最小的位移量要求。
伺服液压缸及推杆、传感器的结构如图9所示。
(2)电液伺服阀。额定转速状态下，X形航空发动机的泵后压力范围大致为3～8MPa，而高空状态或低转速工况时，泵后压力可低至0.476MPa，压力变化近17倍。与电液伺服阀应用在普通工业领域时的供油压力相比，航空发动机变量泵的泵后压力明显较低且变化范围大。现有产品中少有低油源压力电液伺服阀，只找到一款适合低黏度航空煤油介质的FF102（航空609所产品）型电液伺服阀，其额定工作压力为21MPa。由于阀的工作压力《10MPa)远低于该型阀的额定设计压力(21MPa)，经协调后，厂方对产品在较低压力下进行了性能测试，并供應了5MPa和21MPa工作压力下的设计和测试数据(见下表)。
伺服阀设计及测试数据
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项 目 |
设计值 |
测试值 |
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供油压力/MPa |
21 |
5 |
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输入电流/mA |
10 |
40 |
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线圈线阻/Ω |
Red and green |
50±5 |
51 |
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Blue and yellow |
52 |
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频率特性 |
幅频宽（-3DB）/Hz |
≥100 |
65 |
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相频宽（-90°）/Hz |
≥100 |
70 |
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超调/dB |
≤2 |
0 |
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输出流量QL/（L·min-1） |
10±1 |
... |
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油源 |
No.10，No.15液压油 |
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系统中对应斜盘位置最大到最小角度的伺服液压缸有效最大行程L=13mm，在动态过程中，油缸内有效容积变化量为
VΔmax=(π/4)(d2in-d2pis)L=18.398mL
FFl02电液伺服阀在额定供油压力下输出流量为（10±1）L/min，即(166.7±16) mL/s，此时活塞全程有效位移所需时间约0.11s。按泵后压力最小值0.476MPa估算出伺服阀输出流量约25.1mL/s，活塞运动13mm需要约1.27s，高于系统供油速度要求。
(3)位移传感器。选取KTC50+R010型位移传感器作为位置反馈测量元件，其技术特征为；量程75mm，精度0.07%、输出信号4～20mA。其有效作用行程的位置控制精度为0.004mm。
(4)其他伺服元件。斜盘位置液压伺服控制系统最终使用在航空发动机特性半物理仿真试验系统中。为配合电液伺服阀燃油过滤精度(0.008～0.012mm)，选用YPM420E5-187燃油过滤器。同时，为满足试验系统安全需求，泵后油路使用DB-DH30G10B/NG30/2型溢流阀，通过调节溢流阀确保油路压力低于变量泵额定工作压力。其他管路、接口元件为自行研制。