飞行模拟机运动液压系统作动筒位置传感器及伺服比例阀更换与调试

康峰 胡军 邱斌 刘红

摘 要：针对加拿大Mechtronix公司生产的波音737-800全动飞行模拟机的液压系统维修与调试，该模拟机运动系统采用的是力士乐（Rexroth）液压系统，着重分析了该液压系统中作动筒位置传感器及伺服比例阀的更换与调试，该研究具有一定的通用性和参考性。

关键词：作动筒;位置传感器;伺服比例阀;校准

0 引言

中国民航飞行学院模拟机训练中心的波音737-800全动飞行模拟机于2003年投入使用，现已运行近20年，所以在平时的工作中液压系统有许多部件需要更换。现重点对其作动筒位置传感器及伺服比例阀的更换与调试进行阐述。

1 位置传感器更换与校准

全动飞行模拟机借助六支作动筒的伸缩运动，完成平台在空间六个自由度（俯仰、滚转、偏航、升降、纵向平移、侧向平移）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态，如图1所示。由计算机通过控制液压伺服比例阀控制流入作动筒液压油的流入、流出来控制作动筒的伸缩。在模拟过程中，由主机计算飞机的加速度和速度，并通过以太网接口传输到控制计算机，再由控制计算机计算所需的平台运动。

运动作动筒是一个活塞杆以及活塞上带有静压轴承的不对称液缸，该作动筒的设计比较特别，它与系统压力油管相连，液压油由下腔流入与流出由比例伺服阀控制，在两种偏移极限时，作动筒均有76 mm（3 in）的缓冲行程。在阀的油路块上，包括带有故障功能的比例伺服阀、溢流阀、单向阀、节流阀和测量点。活塞的上下速度由硬件限制到0.688 m/s（27 in/s），以防止缓冲过程中过载。

作动筒内部顶端固定着一个磁位移传感器，传感器的电缆从作动筒活塞杆的上端连接传感器电子盒。

运动伺服作动筒上装有压力传感器以测量作动筒底部的压力，该压力信号作为安全信号以及控制系统的反馈信号。

作动筒还安装了一个微型开关来检测活塞杆的“完全缩进”位置。在作动筒边上装有连接器，用于伺服阀、压力传感器和位移传感器的电缆连接。

由于作动筒长时间运行，密封圈老化开始漏油或位置和压力传感器故障，都需要更换作动筒，每次更换作动筒或更换位置传感器后需要做以下调试：

每个作动筒包含一个具有模拟输出的位置传感器。当致动器完全缩回时，传感器的输出约为0.3 V，当致动器完全伸出时，传感器的输出约为9.7 V。软件将模拟值转换为工程单位：致动器完全缩回为-0.762 m，致动器完全伸出为+0.762 m。

位置传感器的调整包括改变模拟输入的增益和偏移，以工程单位提供所需的输出。以1号作动筒为例，具体步骤如下：

（1）以手动模式启动系统。

（2）将平台移至中立位。

（3）进入运动计算机，打开控制循环窗口（HydrCntrlLoops）并选择正确的选项。回路1=作动筒1。

（4）按图2（a）控制循环中ActPos框，将会弹出如图2（b）所示的检测窗口，显示当前位置信息，正值为作动筒伸出长度，负值为作动筒缩回长度，单位为米。如果超差将出现红色警告。

too high：应为0.79 m;

high：应为0.77 m;

low：应为-0.77 m;

too low：应为-0.79 m。

（5）按图3（a）控制循环中PosErr框，当检测窗有超差信息时出现图3（b），正值为作动筒完全伸出超差长度，负值为作动筒完全缩回超差长度，单位为米。直接输入以下数值：

too high：设置为2.0 m;

high：设置为2.0 m;

low：设置为-2.0 m;

too low：设置为-2.0 m。

按“OK”完成设置，并关闭窗口。

（6）打开模拟输出窗口（Analog outputs），如图4所示。

检查手动阀设定点更改：相应作动筒模式（mode）选择为V，然后按下Enable OV，这时该按钮将会显示为Disable OV。

在OV Volt栏输入正值时，作动筒将伸出，负值则收回。注：输入值不能大于±1.0。

（7）在圖4中OV Volt栏输入0.2，这时作动筒将伸出。

（8）等作动筒伸出完成。

（9）打开模拟输入窗口（Analog inputs），如图5所示。

（10）从模拟输入窗口记下位置传感器的值（单位为米），标记为PosA。

（11）回到步骤（7），在OV Volt栏输入-0.2，这时作动筒将收回。

（12）等作动筒收回完成。

（13）从模拟输入窗口记下位置传感器的值（单位为米），标记为PosB。注意这时PosB为负值。

（14）用以下公式计算新的增益：

当作动筒完全伸出的长度=0.762 m，作动筒完全缩回的长度=0.762 m，则作动筒整个位移长度为0.762+0.762=

1.524 m，则实际测出的增益命名为新增益（NewGain），由以下公式算出在作动筒整个1.524 m的增益：

NewGain=

例如，PosA=0.770 m，PosB=-0.780 m，OldGain=0.15，则：

NewGain=0.15×1.524/[0.770-（-0.780）]=0.15×1.524/（0.770+0.780）≈0.147 5

（15）在图5增益栏里输入新的增益值。

（16）在图5中Offset栏输出页面输入-0.762，作动筒将收回。

（17）在图4中OV Volt栏输入0.2，这时作动筒将伸出。

（18）等作动筒伸出完成。

（19）確认位置传感器的输出为+0.762 m（±0.001 m）。如果不能达到该数值，就回到步骤（10）完成到本步骤。

（20）如果以上步骤完成，则在图4中OV Volt项输入0.2。当作动筒回到中间位置时，按下Disable OV，在OV Volt输入一个值0.0，并在mode列中删除V。

（21）打开控制循环窗口，如图3（a）所示。

（22）按下PosErr，在出现的检测窗中相应输入以下数值：

too high：设置为0.571 5 m;

high：设置为0.304 8 m;

low：设置为-0.304 8 m;

too low：设置为-0.571 5 m。

以上数值为作动筒中间位置传感器设计数值，单位为米。

按下“OK”键，关闭窗口。

（23）完成系统设置，选择Save Calibration Data保存已校准数据。

小结：以上所校准传感器是基于美国MTS公司生产的磁致伸缩线性位置传感器，采用双磁铁位置测量，在其传感元件中使用扭转波的超声速度来检测位置。积分信号处理将测量数据转换成标准的模拟或数字输出，精度最高，具有最高耐久性的非接触式传感，适合长期放置于液压油中。以上所有数据是基于在设计作动筒行程时，测出完全伸出（最大行程点）、中立位置和完全收回（最小行程点）时分别所测出传感器的相对电压值积分算出的。

2 伺服比例阀校准

伺服比例阀是安装在作动筒上的，每个作动筒都安装一个，伺服比例阀是控制作动筒伸缩的关键部件，通过计算机洗出算法来控制伺服阀开合，从而控制液压油注入作动筒的多少，将使运动平台产生六个方向的位移、加速度、颠簸等。每次更换或维护该阀时都需要校准。本台模拟机采用的是力士乐生产的STW-0177伺服比例阀，由于模拟机运动平台长时间运行，伺服阀会产生抖动，造成伺服阀产生滞后，影响其灵敏度，还会产生比较大的噪声（有时作动筒不移动也会有噪声），其产生的原因是叠加了高频正弦波信号在阀门设定点上。

以下步骤可以消除抖动和噪声，同时也适用于更换伺服阀。

（1）拆下包含集成电子设备的阀箱盖板，拆下4个螺钉，伺服比例阀如图6所示。这样就可以使用5个电位计（图7），中间电位计控制抖动。

（2）在运动控制柜上转换为手动模式，打开系统控制命令使运动平台升至中立位。

（3）顺时针缓慢转动电位计以减小抖动，直到不再听到抖动噪声（注：控制伺服比例阀的信号是振幅为0.686 m、频率为0.02 Hz的一正弦波）。

需要注意的是，不要完全顺时针转动电位计，应该留下一些抖动。

（4）完成调整，用密封漆锁定电位计位置。

3 结语

本文总结了飞行模拟机运动液压系统在实际的故障处理和日常维护保养工作中所遇到的一些问题，其实还有许多部件更换都需要校准，比如压力传感器校准等，有待今后进一步的深入分析。

[参考文献]

[1] 王辉，朱道扬，平凡.基于模糊逻辑的高逼真度运动体感算法研究[J].系统仿真学报，2017，29（3）：546-551.

[2] 林海，王晓芳.飞行力学数值仿真[M].北京：北京理工大学出版社，2018.

[3] 郭洪波.液压驱动六自由度平台的动力学建模与控制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

收稿日期：2021-01-21

作者简介：康峰（1963—），男，四川会理人，工程师，研究方向：全动飞行模拟机运动系统（包括液压系统和气电混合系统）。