基于流體邏輯理論的某活塞泵邏輯特性分析

　　針對某活塞泵研制過程中出現(xiàn)的自鎖故障模式，應(yīng)用流體邏輯理論建立活塞泵氣動控制回路工作時間表和工作狀態(tài)卡諾圖，通過邏輯推演分析了活塞泵控制回路的邏輯特性。分析結(jié)果表明，雙滑閥控制方式中出現(xiàn)兩個滑閥位置狀態(tài)相同時即會導(dǎo)致自鎖故障。從理論上明確了該雙滑閥控制方式出現(xiàn)自鎖故障的原因，并據(jù)此提出了單滑閥控制方式，可有效避免邏輯冒險問題。

　　隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器總體對推進(jìn)動力系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求也越來越高，如要求推進(jìn)系統(tǒng)具有重量輕、貯箱壓力低、推力室室壓高及易多次起動等；從系統(tǒng)重量、結(jié)構(gòu)尺寸、安全性及可靠性等角度考慮，采用常規(guī)的擠壓式或泵壓式推進(jìn)系統(tǒng)都難以滿足相應(yīng)的指標(biāo)要求�；钊�泵增壓推進(jìn)系統(tǒng)是介于常規(guī)擠壓式與泵壓式推進(jìn)系統(tǒng)之間的一種新型推進(jìn)系統(tǒng)。與渦輪泵增壓系統(tǒng)相比，其重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠及無起動次數(shù)限制；與擠壓式系統(tǒng)相比，在40 kN 推力以下，由于貯箱壓力低、推力室室壓高，且不需要高壓氣瓶等裝置，在系統(tǒng)質(zhì)量方面占有一定優(yōu)勢。活塞泵作為該新型推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件之一，其研制工作即成為該型系統(tǒng)研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，世界上僅有美國和烏克蘭成功研制了液體火箭發(fā)動機(jī)活塞泵，并達(dá)到了應(yīng)用階段。由于該系統(tǒng)具有高性能、輕質(zhì)化、小型化等潛在優(yōu)點(diǎn)，針對我國當(dāng)前航天技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用需求，急需開展液體火箭發(fā)動機(jī)活塞泵的探索研究工作。

　　活塞泵是采用全氣動機(jī)械閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)多缸連續(xù)交替動作的，其工作可靠性取決于全氣動機(jī)械閉環(huán)控制回路的可靠性。在前期探索研制中出現(xiàn)了自鎖的故障模式，即活塞泵多缸互鎖，為了分析原因、提出改進(jìn)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)發(fā)布此文將對活塞泵控制氣路進(jìn)行邏輯特性分析。

　　1、活塞泵工作原理

　　活塞泵主要由液缸、止回閥、氣缸、控制閥及導(dǎo)管連接件等組成，如圖1 所示。其工作原理如下：活塞泵工作前，在液路入口壓力的作用下，進(jìn)液止回閥打開，推進(jìn)劑填滿4 個液缸。氣路供以高壓氣體并打開下游排液控制閥后，活塞泵便逐步循環(huán)工作。由于換向閥A 和C 為常開結(jié)構(gòu)，故與其相連的氣缸A 和C 首先進(jìn)氣，高壓氣體推動活塞A 和C 進(jìn)入排液沖程，液缸A 和C排出高壓液體。同時，一部分氣體經(jīng)滑閥C 進(jìn)入換向閥B 和D 的控制腔室，使其進(jìn)氣閥口關(guān)閉。當(dāng)活塞A 和C 運(yùn)動至行程端部時，滑閥C 換向，換向閥B 和D 控制腔室內(nèi)的氣體從滑閥口排出，換向閥B 和D 換向，其進(jìn)氣閥口打開，高壓氣體進(jìn)入氣缸B 和D，即而推動活塞B 和D 進(jìn)入排液沖程。同時，一部分氣體經(jīng)滑閥D 進(jìn)入換向閥A 和C 的控制腔室，閥芯換向，進(jìn)氣閥口關(guān)閉、排氣閥口打開，氣缸A 和C 開始排氣，當(dāng)氣缸A和C 中的壓力降低至一定值時，在液體進(jìn)口壓力作用下進(jìn)入充液回程。當(dāng)活塞B 和D 運(yùn)動至行程端部時，又會進(jìn)入同樣的換向過程，如此交替工作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)排液。

圖1 活塞泵原理圖

　　2、流體邏輯理論簡介

　　流體邏輯理論是研究如何將流體控制元件相互連接起來以滿足給定的邏輯要求，達(dá)到自動控制各種機(jī)械結(jié)構(gòu)的目的，這就是所謂的流體邏輯設(shè)計；另外，也可以用于流體元件的功能識別和驗(yàn)證已設(shè)計出的流體控制系統(tǒng)方案的可行性。它的基礎(chǔ)理論體系來源于邏輯數(shù)學(xué)，因此流體邏輯就是利用邏輯函數(shù)有規(guī)則地表示邏輯要求的一種方法，流體邏輯問題的解決主要依賴于布爾代數(shù)。

　　2.1、流體邏輯描述

　　邏輯設(shè)計和分析首先要提出預(yù)期的機(jī)器操作程序，清晰地描述在激發(fā)每個輸出之前的條件。由于涉及回路的復(fù)雜性，用來描述邏輯系統(tǒng)要求的格式可能會有些變化。然而，在各種情況下，無論哪種描述方法都必須建立輸出信號邏輯程序。對于組合邏輯回路來說，其描述格式可能要比時序型系統(tǒng)簡單的多，目前主要描述方法有：真值表、時間表(線狀圖表)、綜合工序表、原始流動表、狀態(tài)矩陣、綜合表及邏輯要求表等。

　　2.2、流體邏輯設(shè)計

　　為了形成滿足預(yù)定要求的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)而選擇和連接邏輯元件的過程稱為邏輯設(shè)計。對于組合邏輯網(wǎng)絡(luò)，一般采用真值表或卡諾圖就足夠了，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁┫鄬τ诟鞣N輸入組合的輸出唯一描述，得出網(wǎng)絡(luò)的簡化輸出方程(范式)，就可以選擇相應(yīng)的邏輯元件來搭建邏輯網(wǎng)絡(luò)；而時序邏輯網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中需要引入了“記憶元件”，這樣網(wǎng)絡(luò)就出現(xiàn)了“狀態(tài)”，也就引入了狀態(tài)流動、狀態(tài)等價及狀態(tài)替換等問題，故設(shè)計過程要復(fù)雜得多。目前，流體邏輯設(shè)計的主要方法有：一般解法、最小化方法(無關(guān)項(xiàng)的利用、求補(bǔ)簡化法、公因子提取法及全能邏輯元件的利用)、經(jīng)典綜合法(狀態(tài)等價、狀態(tài)替換、運(yùn)動流動表、激勵表及激勵圖) 及非經(jīng)典綜合法(變信號法、全信號法、狀態(tài)矩陣法、轉(zhuǎn)換表法及狀態(tài)圖法) 等。

　　2.3、流體邏輯分析

　　在很多情況下，流體控制回路的設(shè)計采用直觀推理的方法，依靠設(shè)計者的經(jīng)驗(yàn)來完成。但這樣做缺乏邏輯綜合的基礎(chǔ)，一旦流體控制回路設(shè)計出來，離開了設(shè)計者要想尋找故障、改良系統(tǒng)就可能很難下手。流體邏輯分析的目的就在于區(qū)分并研究回路的各個元件，確定元件的函數(shù)關(guān)系式和系統(tǒng)的整套關(guān)系式是否有能力滿足所描述的邏輯要求，可以驗(yàn)證邏輯系統(tǒng)的正確性，也可以揭示故障的原因。

　　結(jié)束語

　　本文在介紹某活塞泵工作原理的基礎(chǔ)上，基于流體邏輯理論建立了活塞泵氣動控制回路工作時間表和工作狀態(tài)卡諾圖，通過邏輯推演分析獲得了其邏輯特性。在工作時序上，該控制回路能夠驅(qū)動活塞泵實(shí)現(xiàn)“對缸同步、鄰缸異步”的工作方式；而在回路完備性方面，雙滑閥控制方式中出現(xiàn)兩個滑閥位置狀態(tài)相同時即會導(dǎo)致自鎖故障發(fā)生，控制回路不能有效地克服邏輯冒險問題，這也是該活塞泵控制方式出現(xiàn)自鎖故障模式的原因，據(jù)此提出可采用單滑閥來保證控制回路兩個輸入信號的互異性，從而避免邏輯冒險問題。本文在分析、解決工程研制問題的同時，也探討了流體邏輯理論在復(fù)雜流體控制回路特性分析中的應(yīng)用。