趙 春，葉 朋，劉 新，鄭 波，胡逸洲

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

引言

液壓油液中含有過量氣體會加速液壓元件老化，縮短其使用壽命[1-2]。尤其在電液控制系統(tǒng)中，氣體會降低油液的彈性模量，影響系統(tǒng)的工作性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定[3-4]。液壓系統(tǒng)應(yīng)盡可能減少油液中氣體含量。

航天運載器中的電液伺服機(jī)構(gòu)作為典型的閉式液壓系統(tǒng)，有多種措施使得內(nèi)部油液氣體排出充分，維持油液較高的彈性模量，確保動態(tài)響應(yīng)性能：加注前，油液真空除氣；調(diào)試中，油液循環(huán)運動排氣；靜放時，油液背壓阻氣[5]。

通常，油液中氣體含量的測定多采用專門的檢測設(shè)備[6-7]，而高度集成化設(shè)計的電液伺服機(jī)構(gòu)在油液加注后如果再需要測量含氣量，則需要更加專業(yè)的設(shè)備，使用也不方便。

本研究利用自帶的壓力傳感器對某型電液伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)壓力建立過程進(jìn)行測量，提出利用建壓曲線判定電液伺服機(jī)構(gòu)排氣充分程度的方法，建立了系統(tǒng)壓力數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了試驗驗證，仿真分析與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，本方法為特殊領(lǐng)域液壓系統(tǒng)油液中氣體含量的評判提供了一種可行性參考。

1 方案

1.1 電液伺服機(jī)構(gòu)簡介

某型電液伺服機(jī)構(gòu)液壓工作原理如圖1所示，實物如圖2所示，主要包含中頻電機(jī)、恒壓變量液壓泵、單向閥、蓄能器、增壓油箱、伺服閥、作動筒等。各元部件集成一體化設(shè)計，組成適用于航天領(lǐng)域特定空間的閉式液壓控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，配置壓力傳感器監(jiān)測系統(tǒng)壓力。

圖1 電液伺服機(jī)構(gòu)液壓原理圖

圖2 電液伺服機(jī)構(gòu)圖

1.2 原理及判定

電液伺服機(jī)構(gòu)啟動時，伺服閥閥芯保持在正遮蓋位置[8]。油液在液壓泵出油口與伺服閥進(jìn)油口間的封閉油道腔室內(nèi)不斷被壓縮，油液彈性模量較大，系統(tǒng)壓力升高較快[9]。當(dāng)壓力達(dá)到蓄能器充氣壓力時，油液開始進(jìn)入蓄能器，在蓄能器膠囊彈性變形及摩擦等綜合阻尼作用下，油液與蓄能器內(nèi)氣體動態(tài)平衡[10]，系統(tǒng)壓力與蓄能器壓力同步上升，而后共同達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定壓力，系統(tǒng)建壓曲線如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)建壓曲線圖

階段1對應(yīng)機(jī)構(gòu)啟動至系統(tǒng)壓力達(dá)到蓄能器充氣壓力段，此過程油液彈性模量對壓力建立起主導(dǎo)作用；階段2對應(yīng)蓄能器內(nèi)油氣動態(tài)平衡段，此過程蓄能器內(nèi)氣體狀態(tài)方程對壓力建立起主導(dǎo)作用，油液壓縮性影響被忽略[10-11]。

電液伺服機(jī)構(gòu)油液中殘存的氣體越少，其有效彈性模量越高，可壓縮性越小，系統(tǒng)壓力達(dá)到蓄能器充氣壓力的過程將越快，對建壓曲線階段1過程影響越顯著。

生產(chǎn)過程中，隨著油液中氣體被排出越來越充分，電液伺服機(jī)構(gòu)建壓曲線將越來越穩(wěn)定，系統(tǒng)壓力達(dá)到蓄能器充氣壓力的時間也將趨于穩(wěn)定。對照穩(wěn)定達(dá)到蓄能器充氣壓力的時間，就可以判定油液中氣體是否被排出充分。

2 數(shù)學(xué)模型

油液彈性模量方程式[12]：

(1)

式中，βe——油液有效彈性模量

βc——金屬管道彈性模量

βl——純油液彈性模量

βg——空氣彈性模量(絕熱過程為1.4p)

V——油液體積

1.2 材料及設(shè)備 3shape Trios口內(nèi)掃描儀(3shape，丹麥)，3shape 模型掃描儀 (3shape， 丹麥)，IPS E-max Press鑄瓷系統(tǒng)(Ivoclar，列支敦士登)，加聚型硅橡膠印模材(DMG，德國)，超硬石膏(賀利氏，美國)。

Vl——純油液體積

Vg——氣體體積

p——油液壓力

對液體彈性模量方程微分，油液進(jìn)入封閉腔室內(nèi)時，壓力：

(2)

式中，Q為液壓泵有效流量。

建壓前期段液壓泵流量方程：

Q=nqηv

(3)

式中，n——液壓泵轉(zhuǎn)速

ηv——液壓泵容積效率

中頻電機(jī)啟動至額定轉(zhuǎn)速的時間較短，根據(jù)工程經(jīng)驗將電機(jī)啟動特性等效為理想斜坡直線。液壓泵啟動段轉(zhuǎn)速曲線：

n=kt

(4)

式中，k——液壓泵啟動段轉(zhuǎn)速曲線斜率

t——液壓泵轉(zhuǎn)動時間

3 仿真與試驗驗證

油液彈性模量方程式(1)中純油液體積與氣體體積之和為油液體積[12]，仿真計算時將氣體體積占據(jù)油液體積的比值作為變量，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 某型電液伺服機(jī)構(gòu)建壓仿真參數(shù)設(shè)置表

選用圖2所示電液伺服機(jī)構(gòu)為試驗對象，在油液不同含氣量狀態(tài)下進(jìn)行建壓測試。油液含氣量在加注前由加注設(shè)備測定。其中，電液伺服機(jī)構(gòu)油液真空加注并調(diào)試至穩(wěn)定后，建壓曲線趨于穩(wěn)定，油液中殘存的氣體排出已相當(dāng)充分，可認(rèn)為此時油液含氣量為0%。

狀態(tài)1～3即油液含氣量依次為0.3%,0.1%,0%時系統(tǒng)仿真與試驗建壓曲線如圖4所示。分析、對比仿真和試驗油液壓力曲線，得出以下結(jié)論：

圖4 電液伺服機(jī)構(gòu)仿真與試驗建壓曲線圖

(1) 系統(tǒng)仿真與試驗建壓曲線整體趨勢一致。電液伺服機(jī)構(gòu)油液排氣越充分，油液中含氣越少，系統(tǒng)壓力達(dá)到蓄能器充氣壓力的時間越短，表明利用建壓曲線判定排氣充分程度的方法是可行的；

(2) 油液含氣量為0%時，系統(tǒng)壓力達(dá)到蓄能器充氣壓力8 MPa，仿真用時0.066 s，試驗用時0.073 s。仿真與試驗曲線用時的細(xì)微差別是由實際油液在伺服閥閥芯處的微小泄漏引起的，忽略誤差，兩者用時幾乎一致；

(3) 建壓曲線趨勢一致的前提下，啟動后系統(tǒng)壓力達(dá)到蓄能器充氣壓力的時間控制在0.073 s以內(nèi)可判定電液伺服機(jī)構(gòu)排氣已充分。

總體來講，仿真分析與試驗數(shù)據(jù)趨勢一致，吻合良好，表明利用建壓曲線判定電液伺服機(jī)構(gòu)排氣充分程度的方法是合理可行的。

4 結(jié)論

本研究提出了由建壓曲線判定電液伺服機(jī)構(gòu)排氣充分程度的方法，并確定了機(jī)構(gòu)啟動后系統(tǒng)壓力達(dá)到蓄能器充氣壓力的時間作為判據(jù)，建立了系統(tǒng)壓力數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真分析和試驗驗證。該方法只需現(xiàn)有生產(chǎn)測試設(shè)備即可，針對性強，簡單實用，為閉式液壓系統(tǒng)油液含氣量測量提供了參考。