低溫環(huán)境中熱沖擊載荷對(duì)電液伺服比例閥動(dòng)態(tài)性能影響測(cè)試

劉鑫宇, 趙保準(zhǔn), 王志文, 熊 偉

(大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

引言

隨著全球氣候變暖加速冰川消融，極地科考、北極航道及極地自然資源開采的巨大潛在價(jià)值正受到全球關(guān)注。極地船舶、海洋平臺(tái)等關(guān)鍵基礎(chǔ)裝備上大量使用了液壓傳動(dòng)系統(tǒng)， 甲板及部分艙室的液壓系統(tǒng)處于低溫和超低溫環(huán)境中，液壓元件及設(shè)備對(duì)低溫環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性直接決定了系統(tǒng)及裝備整體的功能和性能，是當(dāng)前極地裝備亟待解決的核心關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一[1]。

低溫環(huán)境對(duì)液壓系統(tǒng)的不利影響是多方面的，且各因素之間存在耦合作用。低溫會(huì)直接影響到液壓介質(zhì)的黏度，高黏度會(huì)增加壓力損失、降低效率，使液壓元件與設(shè)備啟動(dòng)困難、性能下降，甚至?xí)a(chǎn)生氣蝕[2-6]。還有可能導(dǎo)致油液中的水分凝固，導(dǎo)致液壓元件與系統(tǒng)故障。低溫還會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)內(nèi)的橡膠密封材料彈性降低，使密封性能與壽命下降，甚至失效[6-8]。在低溫環(huán)境和高溫油液交替復(fù)合作用下，由于材料熱脹冷縮，極易導(dǎo)致零部件的配合間隙發(fā)生變化，尤其是對(duì)于液壓閥等元件內(nèi)的滑動(dòng)副間隙，導(dǎo)致摩擦阻力增大，影響元件性能，甚至產(chǎn)生卡滯、卡死現(xiàn)象，影響元件功能[9-11]。此外，電液伺服控制系統(tǒng)核心的伺服閥使用的磁性材料性能也會(huì)受低溫影響，可能會(huì)引起控制系統(tǒng)的失控[12]。

前人在低溫環(huán)境對(duì)液壓元件與系統(tǒng)的影響方面已經(jīng)開展了一些研究，但定量研究較少，且總體上還不夠系統(tǒng)深入。本研究對(duì)低溫環(huán)境下高溫液壓油的熱沖擊載荷對(duì)電液比例伺服閥動(dòng)態(tài)特性的影響開展試驗(yàn)研究，作為低溫環(huán)境對(duì)液壓元件與系統(tǒng)影響研究的補(bǔ)充，并為后續(xù)理論研究提供可靠的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

在參考前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套低溫液壓綜合試驗(yàn)系統(tǒng)[13-17]。試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)主要由液壓泵站、高低溫環(huán)境箱、工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、集成油路機(jī)柜以及油冷機(jī)五部分組成。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：液壓泵站通過電動(dòng)高壓柱塞泵提供高壓大流量液壓油，系統(tǒng)最大壓力25 MPa，額定流量240 L/min。為了滿足綜合試驗(yàn)要求，設(shè)置有獨(dú)立的控制泵源，為被試閥件提供獨(dú)立的控制壓力油。控制系統(tǒng)通過閉環(huán)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)壓力，采用比例溢流閥進(jìn)行壓力控制，以滿足試驗(yàn)過程中控制壓力的相對(duì)恒定和精確。集成油路機(jī)柜通過控制球閥的手動(dòng)切換，以構(gòu)成不同的測(cè)試回路。油箱設(shè)置有獨(dú)立的加熱系統(tǒng)及循環(huán)冷卻系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)油溫進(jìn)行控制，滿足設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行的需求。高低溫環(huán)境箱的工作溫度范圍為-60～100 ℃。測(cè)試系統(tǒng)原理如圖2所示，該測(cè)試系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)兩部分組成，采集卡使用研華PCI-1716高頻數(shù)據(jù)采集卡，可以高頻采集壓力、流量等參數(shù)，上位機(jī)軟件采用LabVIEW平臺(tái)開發(fā)。

1.吸油過濾器 2.蝶閥 3、6.電機(jī) 4.變量泵 5、14.球閥 7、18.單向閥 8.高壓過濾器 9、21.壓力表 10、24.壓力傳感器 11.溫度變送器 12.比例溢流閥 13.進(jìn)回油溝通換向閥 15、30.流量計(jì) 16.蓄能器 17.進(jìn)油截止閥 19.溢流閥 20.減壓閥 22、25.耐震壓力表 23.三位四通電磁換向閥 26.溫度傳感器 27.回油過濾器 28.加熱器 29.液位計(jì) S1～S7.球閥

圖2 測(cè)試系統(tǒng)原理圖

2 低溫環(huán)境熱沖擊試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)過程中液壓油溫度設(shè)定為30 ℃，主泵的出口壓力設(shè)定為10 MPa。測(cè)試油液為長城牌L-HM46抗磨液壓油，運(yùn)動(dòng)黏度(40 ℃)是41.1～50.6 mm2/s，傾點(diǎn)為-15 ℃。被試閥為某公司生產(chǎn)的電液伺服比例閥，適用的環(huán)境溫度范圍為-20～60 ℃。最大工作壓力為31.5 MPa，最大流量為160 L/min，輸入控制信號(hào)為±10 V。高低溫環(huán)境箱內(nèi)模擬的環(huán)境溫度分別為-15 ℃、-5 ℃、5 ℃和25 ℃。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

依據(jù)國標(biāo)GB/T 15623.1—2018[18]進(jìn)行以下測(cè)試項(xiàng)目：被試閥在冷啟動(dòng)條件和熱沖擊條件下啟動(dòng)時(shí)的階躍響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性。具體內(nèi)容與方法如下：

1) 階躍響應(yīng)特性試驗(yàn)

a) 低溫環(huán)境下的冷啟動(dòng)

將伺服比例閥安裝固定于高低溫試驗(yàn)箱中，根據(jù)試驗(yàn)需要給定高低溫試驗(yàn)箱設(shè)定值(-15 ℃、-5 ℃)，達(dá)到設(shè)定值后保溫一定時(shí)間，一方面保證被試閥溫度與高低溫環(huán)境箱中的低溫環(huán)境保持一致，另一方面也保證高低溫試驗(yàn)箱中的管道油液溫度值與低溫環(huán)境箱的設(shè)定值保持一致，從而實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)工況。

b) 低溫環(huán)境下的熱沖擊

試驗(yàn)時(shí)，提前對(duì)油箱中的油液進(jìn)行加熱，為防止油箱內(nèi)油液加熱不均勻，在內(nèi)泄漏模式下，通過油箱自帶的加熱器進(jìn)行加熱。根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)定高低溫試驗(yàn)箱的溫度(-15 ℃、-5 ℃)，達(dá)到設(shè)定值后保溫。不同于低溫環(huán)境下的冷啟動(dòng)，熱沖擊試驗(yàn)需要的是熱沖擊載荷，為了滿足要求，在完成冷啟動(dòng)試驗(yàn)后，開啟流量增益試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑环矫姹ＷC油箱中的高溫油液流入被試閥，另一方面也可確保高低溫試驗(yàn)箱中的低溫油液完全排出，從而實(shí)現(xiàn)熱沖擊工況。

2) 熱沖擊下的頻率響應(yīng)特性試驗(yàn)

首先將油液進(jìn)行升溫，然后設(shè)定高低溫箱的溫度分別為25 ℃和-15 ℃，保溫一定時(shí)間。采用上述相同的方法實(shí)現(xiàn)熱沖擊工況，測(cè)試熱沖擊載荷下被試閥的頻率響應(yīng)特性。以一定幅值不同頻率的正弦信號(hào)為激勵(lì)信號(hào)，以閥芯位置反饋為響應(yīng)信號(hào)，考察響應(yīng)信號(hào)相對(duì)于激勵(lì)信號(hào)的幅值變化和相位變化。激勵(lì)信號(hào)幅值設(shè)定為額定控制信號(hào)的50%，即±5 V。激勵(lì)信號(hào)的頻率范圍為0.5～25 Hz。

3 結(jié)果與討論

伺服比例閥在不同環(huán)境溫度下冷啟動(dòng)的階躍響應(yīng)特性曲線如圖3所示。圖4為不同環(huán)境溫度下冷啟動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間t對(duì)比圖，環(huán)境溫度為25 ℃和5 ℃時(shí),該被試閥的響應(yīng)時(shí)間在信號(hào)值從2.5/5/7.5/10 V變化過程中，依次為(28 ms和31 ms)，(37 ms和36 ms)，(43 ms和45 ms)，(49 ms和51 ms)，可以看出二者的響應(yīng)時(shí)間變化較小。但是當(dāng)環(huán)境溫度為-5 ℃和-15 ℃時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間依次為(37 ms和43 ms)，(41 ms 和63 ms)，(53 ms和72 ms)，(65 ms和93 ms)。測(cè)試結(jié)果表明該伺服比例閥在不同的環(huán)境溫度中，給定相同激勵(lì)信號(hào)的情況下，在低溫環(huán)境下啟動(dòng)相較于在常溫環(huán)境下啟動(dòng)其響應(yīng)時(shí)間會(huì)明顯變得更長。主要是由于液壓油的黏度隨著溫度的降低而增大，本試驗(yàn)設(shè)備使用的液壓油傾點(diǎn)為-15 ℃，另該油的黏度指數(shù)為105，說明該油具有良好的黏溫特性。由于液壓油的黏度變大，流動(dòng)性變差，液壓油的潤滑效果也會(huì)變差，從而導(dǎo)致閥芯與閥套間的摩擦力加大，故當(dāng)該被試閥在低溫環(huán)境下啟動(dòng)的過程中，其響應(yīng)時(shí)間會(huì)變得更長。

圖3 不同環(huán)境溫度下冷啟動(dòng)的階躍響應(yīng)特性曲線

圖4 不同環(huán)境溫度下冷啟動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)比

伺服比例閥不同環(huán)境溫度下熱沖擊的階躍特性曲線如圖5所示。圖6為不同環(huán)境溫度下熱沖擊的響應(yīng)時(shí)間對(duì)比圖，在環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，被試閥的信號(hào)值從2.5/5/7.5/10V變化的過程中，其響應(yīng)時(shí)間分別是28，37，43，49 ms，但是當(dāng)環(huán)境溫度為-5 ℃和-15℃時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間分別為(34 ms和35 ms)、(38 ms和48 ms)、(48 ms和54 ms)、(53 ms和63 ms)。測(cè)試結(jié)果表明被試閥遭受熱沖擊時(shí)，環(huán)境溫度分別為-5 ℃和-15 ℃時(shí)， 該伺服比例閥的響應(yīng)時(shí)間要比在25 ℃時(shí)長一些。因?yàn)橄鄬?duì)于被試閥在低溫環(huán)境下冷啟動(dòng)時(shí)，此時(shí)油液的流動(dòng)性更好，閥芯與閥套間的潤滑效果會(huì)更好。熱沖擊不同于冷啟動(dòng)的是，被試閥會(huì)受到較大溫差的熱沖擊載荷的作用。圖7為-5 ℃時(shí)冷啟動(dòng)與熱沖擊對(duì)比圖，圖8為-15 ℃時(shí)冷啟動(dòng)與熱沖擊對(duì)比圖，可以得出：被試閥在低溫環(huán)境下，其熱沖擊的響應(yīng)時(shí)間相較于同條件下冷啟動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間會(huì)短一些。

圖5 不同環(huán)境溫度下熱沖擊的階躍響應(yīng)特性曲線

圖6 不同環(huán)境溫度下熱沖擊的響應(yīng)時(shí)間對(duì)比

圖7 -5 ℃時(shí)冷啟動(dòng)與熱沖擊響應(yīng)時(shí)間對(duì)比

圖8 -15 ℃時(shí)冷啟動(dòng)與熱沖擊響應(yīng)時(shí)間對(duì)比

幅頻寬和相頻寬是電液伺服比例閥響應(yīng)速度的度量。不同頻率f下幅值比A的變化趨勢(shì)如圖9所示，25 ℃時(shí)幅頻寬為10 Hz，-15 ℃時(shí)幅頻寬為8.5 Hz。不同頻率f下相位差φ的變化趨勢(shì)如圖10所示，25 ℃時(shí)相頻寬為17.6 Hz，-15 ℃時(shí)相頻寬為13.4 Hz。從曲線中可以看出，響應(yīng)信號(hào)的衰減與激勵(lì)信號(hào)頻率的變化有關(guān)，頻率越大，幅值衰減的越嚴(yán)重，相位滯后也越明顯。同時(shí)不同溫度下的試驗(yàn)結(jié)果還表明，在不同溫度，相同激勵(lì)信號(hào)的頻率下，幅頻寬值與相頻寬值均有所下降，低溫環(huán)境下被試閥的幅值衰減會(huì)更加嚴(yán)重，且相位滯后也更加嚴(yán)重，響應(yīng)速度也變得更慢。

圖9 不同溫度幅頻對(duì)比

圖10 不同溫度相頻對(duì)比

4 結(jié)論

本研究針對(duì)伺服比例閥分別進(jìn)行了低溫環(huán)境下的冷啟動(dòng)和熱沖擊兩種工況的動(dòng)態(tài)測(cè)試，結(jié)果表明：在低溫環(huán)境冷啟動(dòng)工況下，0 ℃以下，隨著環(huán)境溫度的逐漸降低，伺服比例閥的響應(yīng)時(shí)間會(huì)變得越來越長；0 ℃以上，其響應(yīng)時(shí)間的長短受溫度的變化影響不大。在低溫環(huán)境熱沖擊工況下，隨著溫度的逐漸降低，伺服比例閥的響應(yīng)時(shí)間也會(huì)逐漸增長，幅頻寬與相頻寬也會(huì)相應(yīng)的減小，說明伺服比例閥的響應(yīng)速度會(huì)更慢。通過對(duì)比分析可知，冷啟動(dòng)工況下伺服比例閥的響應(yīng)時(shí)間要長于熱沖擊工況，但兩種工況下響應(yīng)時(shí)間都要明顯長于常溫工況。初步分析是由于油液溫度的降低，其黏度增大，流動(dòng)性變差，閥芯運(yùn)動(dòng)阻力增大。但目前仍不能具體確定熱沖擊載荷對(duì)閥芯閥套配合間隙的影響以及配合間隙變化對(duì)閥動(dòng)態(tài)性能影響的程度，需要后續(xù)結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行進(jìn)一步分析驗(yàn)證。