高速重載液壓系統(tǒng)氣體溶解理論分析

韓賀永，秦麗霞，柳 淵，馬立峰，李永祥

(1.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程，太原 030024；2.山西盈得液壓有限公司，太原 030024)

液壓系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、冶金機(jī)械、航天航空、高速列車(chē)、重工業(yè)及工程機(jī)械等領(lǐng)域[1-3]。因此液壓系統(tǒng)的性能決定著設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行[4-5]。以滾切剪為例，在首臺(tái)設(shè)備上采用伺服閥直接安裝在油缸上的方式，油缸高速運(yùn)動(dòng)時(shí)需要伺服閥提供大流量液體，此時(shí)液體經(jīng)伺服閥閥口會(huì)因空化產(chǎn)生大量的氣體直接進(jìn)入液壓缸中，如圖1所示，導(dǎo)致液壓缸內(nèi)部出現(xiàn)氣蝕及密封裝置出現(xiàn)斷裂等破損現(xiàn)象，以及引起液壓系統(tǒng)振動(dòng)[6-7]等問(wèn)題，如圖2所示；最終導(dǎo)致液壓系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生不穩(wěn)定的問(wèn)題，比如設(shè)備在剪切鋼板時(shí)，出現(xiàn)未剪斷、積瘤等斷面質(zhì)量差的問(wèn)題。

針對(duì)上述提出的問(wèn)題將對(duì)閥口空化后經(jīng)過(guò)閥塊孔道至液壓缸的氣體運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度進(jìn)行研究。本論文主要是通過(guò)液壓油體積彈性模量來(lái)研究閥口空化后氣泡在液壓閥塊孔道中的運(yùn)動(dòng)距離，從而確認(rèn)孔道的長(zhǎng)度，所以研究液壓油積彈性模量至關(guān)重要。王靜等[8]通過(guò)仿真分析含氣量、壓力和溫度對(duì)油液體積模量的影響，并分析了油液體積模量對(duì)液壓系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明：當(dāng)含氣量越大時(shí)，體積模量越小。當(dāng)含氣量越小時(shí)，體積模量越大。馮斌等[9-10]通過(guò)對(duì)油液進(jìn)行抽真空除氣，以提高油液的彈性模量。2017年唐東林等[11]，通過(guò)密度建立了含氣油液有效體積彈性模量理論模型，研究表明隨著初始含氣量的降低，在相同壓力下有效體積彈性模量值增大。2013年徐巨華[12]分析了油液含氣量對(duì)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，結(jié)果表明系統(tǒng)油液經(jīng)過(guò)抽真空后油液含氣量減少，油液的彈性模量提高，系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性得到了提高。氣泡在液壓回路中運(yùn)動(dòng)是本文的研究重點(diǎn)，了解氣泡特性有助于論文的深入研究。杜學(xué)文[13]分析了閥口空化對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，空化噪聲的影響因素和空化產(chǎn)生的原因等做了闡述。主要針對(duì)復(fù)雜閥口內(nèi)部的流道形狀、壓力梯度等和空化現(xiàn)象之間的關(guān)系進(jìn)行研究，以及空化狀態(tài)下氣穴的數(shù)量等對(duì)系統(tǒng)的流量和噪聲特性的影響。Bach等[14]，通過(guò)使用過(guò)濾器元件分離油中的氣泡來(lái)減少夾帶的空氣量。Zhou等[15]，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)仿真及實(shí)驗(yàn)，提出了一種預(yù)測(cè)液壓油中空氣釋放和吸收動(dòng)態(tài)特征的新方法，該方法適用于描述汽化和空氣釋放過(guò)程的動(dòng)態(tài)特征。基于簡(jiǎn)化的運(yùn)輸方程式，以評(píng)估相變速率、空氣釋放和溶解速率。

圖1 滾切剪Fig.1 Rolling shears

圖2 主油缸破壞圖Fig.2 Failure chart of main cylinder

本文主要是對(duì)孔道氣體溶解的距離進(jìn)行研究，提出了閥口空化后的初始含氣量和氣泡運(yùn)動(dòng)距離之間的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)不同閥口初始含氣量得到氣泡運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度。研究了根據(jù)閥口初始含氣量的不同，氣體在孔道中的溶解距離也會(huì)不同，根據(jù)溶解的距離判定所需孔道的長(zhǎng)度以保證更少的氣體進(jìn)入液壓缸，從而增加液壓缸的使用壽命。同時(shí)得到最佳孔道長(zhǎng)度使得液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，提高空間利用率。由于采用實(shí)驗(yàn)的方法難以實(shí)現(xiàn)故采用理論推導(dǎo)的方法以及通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行改良，結(jié)果證明理論的正確性。

1 建立數(shù)學(xué)模型

有效體積彈性模量表征了液壓油的抗壓縮能力，是電液控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)壓力的變化使用微分算子表示時(shí)，體積彈性模量則可以表示為

(1)

式中：V為初始油液體積；dp為油液受壓后的壓力增量；dV為油液受壓后的體積變化量;E為油液的有效體積彈性模量，加上負(fù)號(hào)“-”使E為正值。

油液有效體積彈性模量主要由溶解氣泡后油液體積彈性模量、未溶解氣泡的體積彈性模量和管路附件鋼的體積彈性模量組成。當(dāng)氣體溶解于油液中時(shí)，此時(shí)的油液相當(dāng)于純油。因此，油液的有效體積彈性模量公式為

(2)

式中：El為純油的彈性體積模量，El=1 700 MPa；Eg為未溶解的氣泡的彈性體積模量，Eg=1.4p。

在液壓油中，氣體的存在形式為溶解和壓縮，因此對(duì)應(yīng)的含氣量方程為[16]

(3)

(4)

將式(2)、式(3)代入式(4)中，得到含氣量、系統(tǒng)壓力和壓力上升速率的的數(shù)學(xué)模型

(5)

由于氣體溶解度與壓力成線性關(guān)系，因此氣體溶解度與壓力的關(guān)系可以表示為

(6)

式中，δ為溶解度。當(dāng)液壓油在管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中，氣體的變化量與溶解度之間的關(guān)系為

(7)

式中，s為距離。將式(6)代入式(7)中可得

(8)

將式(5)代入式(8)中可得

(9)

2 仿真分析

本研究仿真模型采用ANSYS15.0建立，如圖3所示。為了增加計(jì)算的準(zhǔn)確性采用ICEM軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為541 638，其網(wǎng)格質(zhì)量良好，計(jì)算精度高，符合Fluent15.0的計(jì)算要求，如圖4所示。根據(jù)實(shí)際情況在Fluent計(jì)算中采用油氣混合模型，分別設(shè)置邊界條件，入口設(shè)置為Pressure-inlet(壓力入口)，入口壓力為26 MPa，出口設(shè)置為Pressure-outlet(出口壓力)，出口壓力為25.8 MPa。將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行計(jì)算。參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖3 模型Fig.3 Model

表1 Fluent參數(shù)設(shè)置

2.1 建立仿真模型

2.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

2.3 仿真分析

設(shè)置不同的初始含氣量，得到孔道中間截面的不同氣相云圖。如圖5為初始含氣量為0.5%，1%，1.5%和2%時(shí)對(duì)應(yīng)的氣相云圖(上)，以及局部放大圖(下)。

圖4 計(jì)算網(wǎng)格Fig.4 Computing grid

圖5 含氣量為0.5%，1%，1.5%和2%時(shí)對(duì)應(yīng)的云圖Fig.5 The corresponding cloud image when gas content is 0.5%, 1%, 1.5% and 2%

隨著油液在孔道內(nèi)不斷流動(dòng)，氣體的含量在明顯減少，氣體逐漸溶解。在4 s內(nèi)含氣量的變化曲線如圖6所示，隨著時(shí)間的增加，含氣量越來(lái)越少。隨著含氣量的變化，氣體在孔道內(nèi)的距離也在不斷變化，其理論距離和實(shí)際距離的變化以及兩者之間的誤差如圖7所示。對(duì)比仿真和數(shù)學(xué)模型可以得到，不同含氣量下距離的誤差在10%以下。當(dāng)閥口空化后初始含氣量為0.5%，溶解氣體的量至0.08%時(shí)，孔道長(zhǎng)度數(shù)學(xué)模型距離為0.40 m，仿真距離為0.47 m，誤差值為0.08；當(dāng)初始含氣量為1%，溶解氣體的量至0.2%時(shí)，孔道長(zhǎng)度數(shù)學(xué)模型距離為0.44m，仿真距離為0.5 m，誤差值為0.09；當(dāng)含氣量為1.5%，溶解氣體的量0.3%時(shí)，孔道長(zhǎng)度數(shù)學(xué)模型距離為0.58 m，仿真距離為0.54 m，誤差值為0.068；當(dāng)初始含氣量為2%，溶解氣體的量至0.3%時(shí)，孔道長(zhǎng)度數(shù)學(xué)模型距離為0.7 m，仿真距離為0.65 m，誤差值為0.072。

圖6 含氣量變化曲線Fig.6 Gas content curve

圖7 不同含氣量下距離的變化Fig.7 Changes in distance at different air contents

經(jīng)過(guò)對(duì)閥口至液壓缸的孔道進(jìn)行改良，設(shè)置最佳的氣體溶解距離，當(dāng)氣體含量為2%時(shí)，設(shè)置最佳孔道距離為0.75 m從而使更少的氣體進(jìn)入液壓缸，保證了液壓缸得使用壽命，減少液壓缸表面氣蝕，減少氣體的含量從而使液壓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。如圖8所示，在伺服閥和液壓缸之間增加液壓設(shè)定高度的閥塊解決液體空化問(wèn)題，增強(qiáng)了液壓缸的使用壽命。

圖8 液壓閥塊Fig.8 Hydraulic valve block

3 結(jié) 論

本文主要對(duì)滾切剪液壓系統(tǒng)閥口至液壓缸孔道內(nèi)氣體溶解的距離進(jìn)行研究，基于體積彈性模量、壓力和含氣量之間的關(guān)系，根據(jù)閥口空化后的氣體在孔道內(nèi)的溶解量，首次提出建立閥口空化后的初始含氣量與氣體運(yùn)動(dòng)距離的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)比仿真和數(shù)學(xué)模型發(fā)現(xiàn)兩者穩(wěn)定后誤差小于10%。同時(shí)，通過(guò)該數(shù)學(xué)模型得到了不同閥口初始含氣量與含氣量逐漸溶解的距離，通過(guò)此距離設(shè)計(jì)出閥口空化后到液壓缸的最佳孔道長(zhǎng)度，能夠更好的防止閥口空化后的氣泡更少的進(jìn)入液壓缸，以免對(duì)液壓缸造成氣蝕，從而增加液壓缸的使用壽命，增加液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。