建壓曲線判定電液伺服機構排氣充分程度的方法

趙 春，葉 朋，劉 新，鄭 波，胡逸洲

(北京精密機電控制設備研究所，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中，氣體會降低油液的彈性模量，影響系統的工作性能，甚至導致系統不穩定[3-4]。液壓系統應盡可能減少油液中氣體含量。

航天運載器中的電液伺服機構作為典型的閉式液壓系統，有多種措施使得內部油液氣體排出充分，維持油液較高的彈性模量，確保動態響應性能：加注前，油液真空除氣；調試中，油液循環運動排氣；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備[6-7]，而高度集成化設計的電液伺服機構在油液加注后如果再需要測量含氣量，則需要更加專業的設備，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構系統壓力建立過程進行測量，提出利用建壓曲線判定電液伺服機構排氣充分程度的方法，建立了系統壓力數學模型，并進行了試驗驗證，仿真分析與試驗數據基本吻合，本方法為特殊領域液壓系統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 電液伺服機構簡介

某型電液伺服機構液壓工作原理如圖1所示，實物如圖2所示，主要包含中頻電機、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計，組成適用于航天領域特定空間的閉式液壓控制執行機構，配置壓力傳感器監測系統壓力。

圖1 電液伺服機構液壓原理圖

圖2 電液伺服機構圖

1.2 原理及判定

電液伺服機構啟動時，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油口間的封閉油道腔室內不斷被壓縮，油液彈性模量較大，系統壓力升高較快[9]。當壓力達到蓄能器充氣壓力時，油液開始進入蓄能器，在蓄能器膠囊彈性變形及摩擦等綜合阻尼作用下，油液與蓄能器內氣體動態平衡[10]，系統壓力與蓄能器壓力同步上升，而后共同達到系統設定壓力，系統建壓曲線如圖3所示。

圖3 系統建壓曲線圖

階段1對應機構啟動至系統壓力達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作用；階段2對應蓄能器內油氣動態平衡段，此過程蓄能器內氣體狀態方程對壓力建立起主導作用，油液壓縮性影響被忽略[10-11]。

電液伺服機構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，系統壓力達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。

生產過程中，隨著油液中氣體被排出越來越充分，電液伺服機構建壓曲線將越來越穩定，系統壓力達到蓄能器充氣壓力的時間也將趨于穩定。對照穩定達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 數學模型

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 材料及設備 3shape Trios口內掃描儀(3shape，丹麥)，3shape 模型掃描儀 (3shape， 丹麥)，IPS E-max Press鑄瓷系統(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，油液進入封閉腔室內時，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——液壓泵轉速

ηv——液壓泵容積效率

中頻電機啟動至額定轉速的時間較短，根據工程經驗將電機啟動特性等效為理想斜坡直線。液壓泵啟動段轉速曲線：

n=kt

(4)

式中，k——液壓泵啟動段轉速曲線斜率

t——液壓泵轉動時間

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油液體積的比值作為變量，相關參數設置如表1所示。

表1 某型電液伺服機構建壓仿真參數設置表

選用圖2所示電液伺服機構為試驗對象，在油液不同含氣量狀態下進行建壓測試。油液含氣量在加注前由加注設備測定。其中，電液伺服機構油液真空加注并調試至穩定后，建壓曲線趨于穩定，油液中殘存的氣體排出已相當充分，可認為此時油液含氣量為0%。

狀態1～3即油液含氣量依次為0.3%,0.1%,0%時系統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，得出以下結論：

圖4 電液伺服機構仿真與試驗建壓曲線圖

(1) 系統仿真與試驗建壓曲線整體趨勢一致。電液伺服機構油液排氣越充分，油液中含氣越少，系統壓力達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，系統壓力達到蓄能器充氣壓力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，啟動后系統壓力達到蓄能器充氣壓力的時間控制在0.073 s以內可判定電液伺服機構排氣已充分。

總體來講，仿真分析與試驗數據趨勢一致，吻合良好，表明利用建壓曲線判定電液伺服機構排氣充分程度的方法是合理可行的。

4 結論

本研究提出了由建壓曲線判定電液伺服機構排氣充分程度的方法，并確定了機構啟動后系統壓力達到蓄能器充氣壓力的時間作為判據，建立了系統壓力數學模型，并進行了仿真分析和試驗驗證。該方法只需現有生產測試設備即可，針對性強，簡單實用，為閉式液壓系統油液含氣量測量提供了參考。