呂少力，馬艷萍，禹新鵬

(中航飛機起落架有限責任公司，陜西漢中 723200)

0 前言

但凡液壓系統(tǒng)，均需要控制液壓油的溫度，其目的保證液壓油的黏溫特性在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，使液壓油在常溫下能持續(xù)工作，通常的油溫范圍是25～50 ℃[1]。也有特殊用途，需要將液壓系統(tǒng)的油溫控制在極高或極低的嚴酷條件下使用，這種用途遠超出油溫為常溫的范圍，在航空航天、液壓元件耐溫性試驗、國防工業(yè)中較常應(yīng)用。飛機起落架轉(zhuǎn)彎壽命試驗就是航空產(chǎn)品在高溫、低溫下進行工作循環(huán)壽命試驗的典型應(yīng)用，對飛機起降安全性有重要影響[2-7]。

在飛機前起落架轉(zhuǎn)彎壽命試驗臺研制中，國內(nèi)航空工業(yè)科研院所進行過相關(guān)研究，在工作介質(zhì)高、低溫工況下的轉(zhuǎn)彎耐久性方面取得了一定的成果[8]。其典型工況為：工作液選用15號航空液壓油，要求溫度范圍為-55～100 ℃[9]。如此苛刻的油溫要求，必須對液壓系統(tǒng)的油液溫度采取相應(yīng)的控制措施。常用的升溫措施是在油箱或管路中設(shè)置加熱器，提高油溫；常用的降溫措施是在油箱中設(shè)置壓縮機組，降低油溫。

高(低)溫液壓系統(tǒng)由高溫系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)兩部分組成。高溫系統(tǒng)采用了兩級加熱：第一級加熱器在高溫油箱外循環(huán)加熱，用于起始加熱，一般設(shè)定到T1，當高溫油箱油液溫度達到T1時，循環(huán)加熱停止；第二級加熱器在高壓區(qū)給油液加熱，使進入液壓系統(tǒng)的油溫由T1提升到T2。

低溫系統(tǒng)采用了兩項措施。其一是選用壓縮機作為低溫油源機組，旁路并聯(lián)在低溫油箱上，提供低溫油[10]。它由電子膨脹閥、冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機等組成。該機組有油泵組，把油箱的油抽入壓縮機，經(jīng)降溫后再回到低溫油箱。其二是在主油泵組(通常為高壓柱塞泵)的吸油口處增加輔助油泵組(通常為齒輪泵)，以解決低溫油液黏度大、主油泵組自吸能力差的不足。輔助油泵組的流量略大于主油泵組，多余的流量通過旁路的單向閥泄回低溫油箱。

上述兩套系統(tǒng)是相互獨立、分別運行的，用截止閥組互鎖，組成傳統(tǒng)的高(低)溫液壓系統(tǒng)，其弊端為：

(1)液壓原理構(gòu)成復(fù)雜，研制成本高

該系統(tǒng)由高溫子系統(tǒng)、低溫子系統(tǒng)兩部分組成，各自獨立、互不通用。液壓系統(tǒng)組成較復(fù)雜，體積大、效率低。且高(低)溫子系統(tǒng)的泵、閥價格昂貴，設(shè)備研制成本高。

(2)運行耗能高

傳統(tǒng)的高(低)溫液壓系統(tǒng)在運行中，需要對整套系統(tǒng)的液壓油進行加熱或制冷，運行功率大、成本高，且不能精準地控制油溫[11]。

以流量為20 L/min，壓力為28 MPa，高溫90 ℃、低溫-45 ℃的高(低)溫液壓系統(tǒng)為例：制冷功率21 kW，加熱器功率7.5 kW(省略計算過程)。

據(jù)了解，目前無論是理論或是實踐，國內(nèi)液壓行業(yè)在高(低)溫液壓系統(tǒng)油溫控制方面存在不足，業(yè)內(nèi)尚無普遍認同的解決方案。

本文作者以傳統(tǒng)典型的高(低)溫液壓系統(tǒng)的不足為研究對象，提供一種新型高(低)溫液壓系統(tǒng)，采用隔離缸技術(shù)，提高油溫控制效率。其優(yōu)點是：將傳統(tǒng)的高(低)溫液壓系統(tǒng)由兩部分組成改為一套液壓系統(tǒng)可兼顧高(低)溫功能，顯著縮減了需要控制溫度的油液容積，從而降低了溫控設(shè)備的功率和復(fù)雜性，適合于試驗室、工廠等應(yīng)用環(huán)境。

1 隔離式高(低)溫液壓系統(tǒng)簡介

1.1 液壓原理

提出一種新型高(低)溫液壓系統(tǒng)。具體說，以常溫的液壓缸在前級主動循環(huán)換向，推/拉隔離缸循環(huán)工作；兩件隔離缸置換的油液形成封閉系統(tǒng)，油液循環(huán)流動，經(jīng)過油溫控制裝置，對其進行加熱或制冷，使其達到額定的高(低)溫。在工程領(lǐng)域，高(低)溫液壓系統(tǒng)可以普遍參照執(zhí)行該原理。

該高(低)溫液壓系統(tǒng)的原理見圖1，由高(低)溫隔離器、高(低)溫回路組成。高(低)溫隔離器是工作前級，由電磁換向閥1-2、液壓缸3.1-3.2、隔離缸4.1-4.2組成。其中，液壓缸3.1-3.2的活塞桿分別與隔離缸4.1-4.2的活塞桿鉸連，液壓缸3.1-3.2活塞桿的位移可以驅(qū)動隔離缸4.1-4.2的活塞桿同向移動，將前者的機械能轉(zhuǎn)換成后者的液壓能，其特征同于油泵。電磁換向閥1的作用是：當高(低)溫液壓系統(tǒng)的壓力下降時(譬如泄漏降壓)，壓力傳感器9感知并發(fā)信號給電磁換向閥1，DT3通電，液壓油由P1口進入電磁換向閥1，經(jīng)單向閥12，直接向高(低)溫系統(tǒng)補油，維持額定壓力。該功能較少使用，是備用功能。

圖1 隔離式高(低)溫液壓原理簡圖

高(低)溫回路由單向閥組5.1-5.4、蓄能器11、溢流閥6、油溫控制裝置10、電磁換向閥7、溫度傳感器8、壓力傳感器9組成。單向閥組5.1-5.4組成液壓橋，使高壓油的方向始終不變。進油方向為：高壓油始終由油溫控制裝置10加熱(或制冷)，從P2口進入工作系統(tǒng)。該液壓橋同樣保證了回油方向始終不變，即回油始終從T2口進入，回到隔離缸4.1-4.2的回油腔。蓄能器11的作用是降低液壓沖擊，消減壓力波動。

在液壓缸3.1-3.2和隔離缸4.1-4.2活塞桿的循環(huán)運動過程中，形成高(低)溫液壓系統(tǒng)的進油和回油。高壓油始終由溢流閥6調(diào)壓，回油進入隔離缸4.1-4.2的無桿腔，并不會產(chǎn)生冗余的回油阻力。

在工作過程中，由于電磁換向閥2換向?qū)е赂綦x缸方向切換，為避免液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件(譬如作動器，圖1中未示出)產(chǎn)生壓力波動，在設(shè)計時，應(yīng)使隔離缸4.1-4.2無桿腔的容積大于執(zhí)行元件單方向工作所需油液的容積，這樣能避免執(zhí)行元件在單方向工作過程中因電磁換向閥2的換向而產(chǎn)生壓力波動。

在高(低)溫回路，所有元器件均要耐受高溫和低溫的油液，這對元器件的選型提出了嚴格要求，包括密封件、密封結(jié)構(gòu)、元器件均應(yīng)有良好的耐高(低)溫的特性。

1.2 工作過程

為了表述清楚該液壓系統(tǒng)的特點，對其工作過程簡介如下：

(1)預(yù)熱階段，用于將液壓系統(tǒng)的油溫由常溫預(yù)熱(預(yù)冷)至額定的高(低)溫，該階段不是正常的高(低)溫工作階段，而是準備階段。

在預(yù)熱(預(yù)冷)階段，如圖1所示，當電磁換向閥2左位工作(DT1通電)時，P1口的進油經(jīng)電磁換向閥2的左位出，分成兩路：一路進入液壓缸3.1的左腔，推動活塞桿向右移動，從而驅(qū)動隔離缸4.1的活塞桿右移，將無桿腔的油液推出，打開單向閥5.1，進入高(低)溫回路；另一路油液進入液壓缸3.2的右腔，推動活塞桿向左移動，從而驅(qū)動隔離缸4.2的活塞桿左移，其無桿腔的容積變大，吸油。這樣，隔離缸4.1無桿腔的油液經(jīng)油溫控制裝置10加熱(或制冷)后，經(jīng)電磁換向閥7(DT4通電)的M型中位機能的T口流出，打開單向閥5.4，回到隔離缸4.2的無桿腔，完成半個預(yù)熱工作循環(huán)。

如圖1所示，當電磁換向閥2右位工作(DT2通電)時，P1口的進油經(jīng)電磁換向閥2的右位出，分成兩路：一路油液進入液壓缸3.2的左腔，驅(qū)動活塞桿右移，從而推動隔離缸4.2的活塞桿右移，將其無桿腔的油液推出，打開單向閥5.3，進入高(低)溫回路；另一路進入液壓缸3.1的右腔，推動活塞桿向左移動，從而驅(qū)動隔離缸4.1的活塞桿左移，其無桿腔的容積變大，吸油。這樣，隔離缸4.2無桿腔的油液打開單向閥5.3，經(jīng)油溫控制裝置10加熱(或制冷)后，經(jīng)電磁換向閥7(DT4通電)的M型中位機能的T口流出，打開單向閥5.2，回到隔離缸4.1的無桿腔，完成一個完整的預(yù)熱工作循環(huán)。如此持續(xù)循環(huán)，直到油溫升至額定的高(低)溫數(shù)值，預(yù)熱階段結(jié)束。

(2)工作階段，液壓系統(tǒng)的油液在額定的高(低)溫狀態(tài)下持續(xù)運行，該階段是正常的高(低)溫工作階段。

該階段的工作過程與預(yù)熱(預(yù)冷)階段相似。不同之處在于：在該階段，電磁換向閥7的閥芯處于常態(tài)位(DT4斷電)，高(低)溫油液與執(zhí)行元件接通，驅(qū)動高(低)溫液壓系統(tǒng)完成某項特定工作。

1.3 實踐效果

此技術(shù)由中航飛機起落架有限責任公司進行了工程化研制及應(yīng)用，制備了隔離式高(低)溫液壓系統(tǒng)設(shè)備樣機(如圖2所示)，與液壓試驗臺及加載臺架連接，組成加載試驗臺。經(jīng)過兩年多的運行，完成了前起落架支柱轉(zhuǎn)彎耐久性試驗、作動筒收放耐久性試驗等，使用效果良好。

實踐證明，該技術(shù)具有以下兩方面的優(yōu)點：

(1)簡化了液壓系統(tǒng)的構(gòu)成，降低了研制成本

從圖1與原有技術(shù)的比較中不難看出，該系統(tǒng)將傳統(tǒng)的由高溫系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)兩部分組成的液壓系統(tǒng)優(yōu)化成一套系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)組成，體積小、效率高。將價格昂貴的高(低)溫泵換成了常溫泵，設(shè)備研制成本大幅降低。

(2)運行耗能低

改變了傳統(tǒng)高(低)溫液壓系統(tǒng)需要對整套系統(tǒng)的液壓油進行加熱或制冷，而是僅對隔離缸無桿腔的油液進行溫度控制，通常僅為3～5 L，較之對全系統(tǒng)幾十升、幾百升的油液進行溫度控制，使得控溫功率大幅下降。在正常運行中，溫控裝置只需要對經(jīng)預(yù)熱達到額定溫度的油液進行溫度補償，使其維持在額定溫度的公差范圍內(nèi)，所以能精準地控制油溫。

以流量為20 L/min，壓力為28 MPa，高溫90 ℃、低溫-45 ℃的高(低)溫液壓系統(tǒng)為例：制冷功率3.8 kW，加熱器功率2.4 kW(省略計算過程)。與傳統(tǒng)的方案對比可知，制冷功率降低了82%，加熱功率降低了68%。

2 結(jié)論

吸收傳統(tǒng)的高(低)溫液壓系統(tǒng)的優(yōu)點，改進其不足，在液壓系統(tǒng)原理方面進行了技術(shù)創(chuàng)新，提出了一種隔離式的高(低)溫液壓系統(tǒng)。核心技術(shù)是：以常溫的液壓缸換向系統(tǒng)為前級主動，推/拉隔離缸循環(huán)工作；兩件隔離缸往返的油液形成封閉系統(tǒng)，油液循環(huán)流動，經(jīng)過油溫控制裝置，對其進行加熱或制冷，使其達到額定的高(低)溫。

由于該技術(shù)具有將常溫系統(tǒng)與高、低溫系統(tǒng)隔離的優(yōu)點，油溫控制運行中，僅需要補充油液溫度消耗，有效解決了傳統(tǒng)液壓原理中對整套液壓系統(tǒng)進行溫度控制而帶來的功率大、可靠性差的問題。因此，該技術(shù)大幅提高了高(低)溫液壓設(shè)備油溫控制的可靠性和穩(wěn)定性。該技術(shù)可在液壓元件研制、航空航天、國防工業(yè)等領(lǐng)域，尤其在各類試驗設(shè)備上應(yīng)用，市場前景廣闊。