王 帆 ,沈 紅 ,李樹成

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心,四川綿陽 621000)

0 引 言

某高速風(fēng)洞研制一套快速模型插入機構(gòu),采用氣液增速缸驅(qū)動,氣液缸行程1000mm,液壓回路工作壓力18MPa。插入機構(gòu)運動行程800mm,插入時間0.3s以內(nèi)。圖1為原理圖。

圖1 機構(gòu)液壓系統(tǒng)示意圖Fig.1 The diagram of the executive hydraulic system

承制單位在設(shè)備調(diào)試時,發(fā)現(xiàn)蓄能操作過程中(油缸上腔增壓至18MPa),下活塞桿帶動模型、支架出現(xiàn)將近40mm的下降。仔細檢查油路、油缸、閥門,均未發(fā)現(xiàn)明顯泄漏,因此無法判斷原因。

在全面分析現(xiàn)象后,認為這種現(xiàn)象的發(fā)生,是由于氣液缸的下活塞腔中液體彈性壓縮所致,并對此進行了分析和試驗驗證。

1 液體傳動介質(zhì)的彈性

一般情況下,人們認為氣體是可壓縮,而液體是不可壓縮的,往往把液體作為剛性體看待。實際上,液體在高壓狀態(tài)下,也是有彈性的。表征液體壓縮性可以采用液體體積彈性模量,其定義為

其中：ΔP為壓力變化量(相對于大氣壓);ΔV為液體容積變化量;V為容器的容積。

2 彈性模量的測量

2.1 容積法

要定量分析液體介質(zhì)彈性對傳動系統(tǒng)的影響,首先要準確測量液體的彈性模量。從原理上,將封閉在一定容積內(nèi)的液體施加壓力,測量不同壓力下容積的變化量,再應(yīng)用公式(1)計算出K。

利用實驗室的一支油缸進行測試。實驗時,將油缸活塞桿全部縮回,往有桿腔灌滿液壓油后,用堵頭把油口堵死,將無桿腔連在油源上。隨著油源壓力升高,發(fā)現(xiàn)活塞桿向外伸出。記錄壓力ΔP與活塞桿的長度變化量Δ S。試驗用油缸的缸徑63mm,活塞桿直徑35mm,行程750mm,可以計算出活塞桿伸出長度變化引起的受壓油液的體積變化量。利用公式(1),可以計算出各個壓力下的K。

圖2為測試裝置的組成原理。利用這套系統(tǒng),進行了體積彈性模量的測試,結(jié)果見表1。

圖2 容積法測量裝置示意圖Fig.2 The diagram of measurement of the volume change

表1 容積法測試彈性模量(單位：MPa)Table 1 Experimental results of fluid module(MPa)

這種測量方法簡單,但是由于活塞總是存在一定的泄漏,可能影響測試精度。

2.2 壓力沖擊法

壓力波在不同介質(zhì)中的傳播速度是不同的。在不同壓力下,測量出壓力波的傳播速度,可以間接測量出體積彈性模量,測量裝置的組成原理見圖3。

在長度為L的厚壁管道兩端設(shè)置壓力測點,在管路一端利用多級電磁溢流閥瞬間變化壓力產(chǎn)生管道內(nèi)的液壓沖擊。壓力波到達A、B兩個壓力傳感器的時間有一個差值 ：

C為壓力波在管道內(nèi)傳播的速度。

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圖3 壓力沖擊法測試原理Fig.3 The principle diagram of pressure impulse method

式中：K為液體體積彈性模量;ρ為油液密度;E為管材的彈性模量;d為管道內(nèi)徑;δ為管道壁厚;C1與管道材質(zhì)、約束方式有關(guān)的系數(shù),通常取1.0。

文中是厚壁不銹鋼管道,E為2.1×105MPa,K預(yù)估為1000MPa,d/δ為5,則C2=0.0238,作為近似可取C2=0。

m為封閉在容腔內(nèi)液體的質(zhì)量,在測試過程中基本不變。因此,壓力升高,ΔV增加,ρ會增大。利用公式(1)、(7)及表 1 的結(jié)果,可以計算出ρ/ρ0隨 ΔP的變化關(guān)系,見圖4。ρ0為大氣壓下油液的密度。從圖中可以看出,在風(fēng)洞液壓系統(tǒng)常用壓力范圍,油液密度變化不超過4%。

圖4 密度隨壓力變化關(guān)系Fig.4 The relation between density and pressure

在確定ρ后,測量K的關(guān)鍵是τ的測量。

相關(guān)函數(shù)rxy最大值對應(yīng)的t,即為信號從 A點至B點傳輸時的τ(圖5)。

測量不同壓力下A點、B點的壓力值,應(yīng)用相關(guān)函數(shù)的分析方法,求出 A點至B點的壓力波傳輸時間τ,利用公式(6)和圖 5曲線,計算出 K。試驗時：T=20℃,L=2135mm,ρ0=875.17kg/m3,結(jié)果見表 2。

圖5 x(n)、y(n)相關(guān)函數(shù)Fig.5 Correlation function of x(n)and y(n)

表2 壓力沖擊法測試體積彈性模量(單位：MPa)Table 2 Results of pressure impulse(MPa)

2.3 小 結(jié)

從表1、2中可以得出：

(1)目前,風(fēng)洞液壓系統(tǒng)的常用運行壓力多在25MPa以內(nèi),最高不超過31MPa。從試驗測試結(jié)果看,K可以達到1000MPa(須經(jīng)過一段時間運行,排凈空氣后)。因此,設(shè)計中選用K=900～1000MPa是合理的;

(2)采用壓力沖擊法測出的彈性模量比用容積法測出的值高。由于油缸的活塞難以避免地存在一定的內(nèi)泄漏,使 Δ V/V增大,會使K的值減小。

3 分 析

按照上述的測試結(jié)果,對快插機構(gòu)調(diào)試中的現(xiàn)象進行分析。

機構(gòu)使用的油缸,無桿腔的面積A1=0.00126m2,有桿腔的面積A2=0.00064m2,行程Lc=1000mm。蓄能操作時,無桿腔增壓到18MPa,按照面積比計算有桿腔的壓力為35.44MPa。在這個壓力下,按照K=1000MPa計算,容積變化率ΔV/V=0.03544。因此,引起的活塞桿向下的位移為35.44mm。再考慮到油缸活塞難以避免地存在微小的內(nèi)泄漏,下腔外接管路有一定容積的液體等因素,向下位移還會更多一些。

4 結(jié) 論

(1)一般情況下,人們常常認為液壓油是不可壓縮的傳動介質(zhì)。但是,風(fēng)洞中液壓系統(tǒng)運行壓力和傳動控制精度較高的情況下,必須考慮油液的壓縮性;

(2)作者提供的液體體積彈性模量K的測試方法容易在工程上應(yīng)用。通過分析和測試,風(fēng)洞液壓系統(tǒng)常用工作壓力下的油液彈性模量一般可以按照900～1000MPa選擇、計算系統(tǒng)的相關(guān)性能。具體要看液壓系統(tǒng)的排氣程度等因素;

(3)利用測試結(jié)果,對研制的機構(gòu)進行分析,認為發(fā)生機構(gòu)下移的原因是由于油缸下腔油液受壓縮,引起向下位移。定量分析結(jié)果與調(diào)試中實際測試到的位移量符合。為機構(gòu)進一步調(diào)試鋪平了道路。

[1]劉長年.液壓伺服系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計理論[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1989.

[2]成大先主編.機械設(shè)計手冊(第三版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1997,(19)：17.