基于流体逻辑理论的某活塞泵逻辑特性分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安航天动力研究所 作者:朱建国

  针对某活塞泵研制过程中出现的自锁故障模式,应用流体逻辑理论建立活塞泵气动控制回路工作时间表和工作状态卡诺图,通过逻辑推演分析了活塞泵控制回路的逻辑特性。分析结果表明,双滑阀控制方式中出现两个滑阀位置状态相同时即会导致自锁故障。从理论上明确了该双滑阀控制方式出现自锁故障的原因,并据此提出了单滑阀控制方式,可有效避免逻辑冒险问题。

  随着航天技术的发展,航天器总体对推进动力系统的性能指标要求也越来越高,如要求推进系统具有重量轻、贮箱压力低、推力室室压高及易多次起动等;从系统重量、结构尺寸、安全性及可靠性等角度考虑,采用常规的挤压式或泵压式推进系统都难以满足相应的指标要求。活塞泵增压推进系统是介于常规挤压式与泵压式推进系统之间的一种新型推进系统。与涡轮泵增压系统相比,其重量轻、结构简单、工作可靠及无起动次数限制;与挤压式系统相比,在40 kN 推力以下,由于贮箱压力低、推力室室压高,且不需要高压气瓶等装置,在系统质量方面占有一定优势。活塞泵作为该新型推进系统的核心部件之一,其研制工作即成为该型系统研制的关键环节。目前,世界上仅有美国和乌克兰成功研制了液体火箭发动机活塞泵,并达到了应用阶段。由于该系统具有高性能、轻质化、小型化等潜在优点,针对我国当前航天技术发展与应用需求,急需开展液体火箭发动机活塞泵的探索研究工作。

  活塞泵是采用全气动机械闭环控制来实现多缸连续交替动作的,其工作可靠性取决于全气动机械闭环控制回路的可靠性。在前期探索研制中出现了自锁的故障模式,即活塞泵多缸互锁,为了分析原因、提出改进,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)发布此文将对活塞泵控制气路进行逻辑特性分析。

  1、活塞泵工作原理

  活塞泵主要由液缸、止回阀、气缸、控制阀及导管连接件等组成,如图1 所示。其工作原理如下:活塞泵工作前,在液路入口压力的作用下,进液止回阀打开,推进剂填满4 个液缸。气路供以高压气体并打开下游排液控制阀后,活塞泵便逐步循环工作。由于换向阀A 和C 为常开结构,故与其相连的气缸A 和C 首先进气,高压气体推动活塞A 和C 进入排液冲程,液缸A 和C排出高压液体。同时,一部分气体经滑阀C 进入换向阀B 和D 的控制腔室,使其进气阀口关闭。当活塞A 和C 运动至行程端部时,滑阀C 换向,换向阀B 和D 控制腔室内的气体从滑阀口排出,换向阀B 和D 换向,其进气阀口打开,高压气体进入气缸B 和D,即而推动活塞B 和D 进入排液冲程。同时,一部分气体经滑阀D 进入换向阀A 和C 的控制腔室,阀芯换向,进气阀口关闭、排气阀口打开,气缸A 和C 开始排气,当气缸A和C 中的压力降低至一定值时,在液体进口压力作用下进入充液回程。当活塞B 和D 运动至行程端部时,又会进入同样的换向过程,如此交替工作,实现连续排液。

活塞泵原理图

图1 活塞泵原理图

  2、流体逻辑理论简介

  流体逻辑理论是研究如何将流体控制元件相互连接起来以满足给定的逻辑要求,达到自动控制各种机械结构的目的,这就是所谓的流体逻辑设计;另外,也可以用于流体元件的功能识别和验证已设计出的流体控制系统方案的可行性。它的基础理论体系来源于逻辑数学,因此流体逻辑就是利用逻辑函数有规则地表示逻辑要求的一种方法,流体逻辑问题的解决主要依赖于布尔代数。

  2.1、流体逻辑描述

  逻辑设计和分析首先要提出预期的机器操作程序,清晰地描述在激发每个输出之前的条件。由于涉及回路的复杂性,用来描述逻辑系统要求的格式可能会有些变化。然而,在各种情况下,无论哪种描述方法都必须建立输出信号逻辑程序。对于组合逻辑回路来说,其描述格式可能要比时序型系统简单的多,目前主要描述方法有:真值表、时间表(线状图表)、综合工序表、原始流动表、状态矩阵、综合表及逻辑要求表等。

  2.2、流体逻辑设计

  为了形成满足预定要求的系统网络而选择和连接逻辑元件的过程称为逻辑设计。对于组合逻辑网络,一般采用真值表或卡诺图就足够了,因为它们可以提供相对于各种输入组合的输出唯一描述,得出网络的简化输出方程(范式),就可以选择相应的逻辑元件来搭建逻辑网络;而时序逻辑网络,因为网络中需要引入了“记忆元件”,这样网络就出现了“状态”,也就引入了状态流动、状态等价及状态替换等问题,故设计过程要复杂得多。目前,流体逻辑设计的主要方法有:一般解法、最小化方法(无关项的利用、求补简化法、公因子提取法及全能逻辑元件的利用)、经典综合法(状态等价、状态替换、运动流动表、激励表及激励图) 及非经典综合法(变信号法、全信号法、状态矩阵法、转换表法及状态图法) 等。

  2.3、流体逻辑分析

  在很多情况下,流体控制回路的设计采用直观推理的方法,依靠设计者的经验来完成。但这样做缺乏逻辑综合的基础,一旦流体控制回路设计出来,离开了设计者要想寻找故障、改良系统就可能很难下手。流体逻辑分析的目的就在于区分并研究回路的各个元件,确定元件的函数关系式和系统的整套关系式是否有能力满足所描述的逻辑要求,可以验证逻辑系统的正确性,也可以揭示故障的原因。

  结束语

  本文在介绍某活塞泵工作原理的基础上,基于流体逻辑理论建立了活塞泵气动控制回路工作时间表和工作状态卡诺图,通过逻辑推演分析获得了其逻辑特性。在工作时序上,该控制回路能够驱动活塞泵实现“对缸同步、邻缸异步”的工作方式;而在回路完备性方面,双滑阀控制方式中出现两个滑阀位置状态相同时即会导致自锁故障发生,控制回路不能有效地克服逻辑冒险问题,这也是该活塞泵控制方式出现自锁故障模式的原因,据此提出可采用单滑阀来保证控制回路两个输入信号的互异性,从而避免逻辑冒险问题。本文在分析、解决工程研制问题的同时,也探讨了流体逻辑理论在复杂流体控制回路特性分析中的应用。

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