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)
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)中較常應用。飛機起落架轉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)壽命試驗的典型應用,對飛機起降安全性有重要影響[2-7]。
在飛機前起落架轉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研究,在工作介質高、低溫工況下的轉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的控制措施。常用的升溫措施是在油箱或管路中設置加熱器,提高油溫;常用的降溫措施是在油箱中設置壓縮機組,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)液壓原理構成復雜,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)組成較復雜,體積大、效率低。且高(低)溫子系統(tǒng)的泵、閥價格昂貴,設備研制成本高。
(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,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,從而降低了溫控設備的功率和復雜性,適合于試驗室、工廠等應用環(huán)境。
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動隔離缸4.1-4.2的活塞桿同向移動,將前者的機械能轉換成后者的液壓能,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換向導致隔離缸方向切換,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,在設計時,應使隔離缸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、密封結構、元器件均應有良好的耐高(低)溫的特性。
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)預熱階段,用于將液壓系統(tǒng)的油溫由常溫預熱(預冷)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。
在預熱(預冷)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,預熱階段結束。
(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熱(預冷)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,驅動高(低)溫液壓系統(tǒng)完成某項特定工作。
此技術由中航飛機起落架有限責任公司進行了工程化研制及應用,制備了隔離式高(低)溫液壓系統(tǒng)設備樣機(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,該技術具有以下兩方面的優(yōu)點:
(1)簡化了液壓系統(tǒng)的構成,降低了研制成本
從圖1與原有技術的比較中不難看出,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%。
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創(chuàng)新,提出了一種隔離式的高(低)溫液壓系統(tǒng)。核心技術是: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,該技術大幅提高了高(低)溫液壓設備油溫控制的可靠性和穩(wěn)定性。該技術可在液壓元件研制、航空航天、國防工業(yè)等領域,尤其在各類試驗設備上應用,市場前景廣闊。