高升率液壓脈沖系統(tǒng)機制分析與設(shè)計

邵蘇城，俞經(jīng)虎，唐利科，黃樂，肖風(fēng)亮，趙勇

(1.江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇無錫 214028；2.無錫車聯(lián)天下信息技術(shù)有限公司，江蘇無錫 214028；3.廣州機械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510000)

0 前言

密封圈作為航空作動筒液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件，對液壓系統(tǒng)正常工作發(fā)揮巨大作用。液壓系統(tǒng)閥門在開啟與關(guān)閉的瞬間沖擊壓力遠高于額定壓力，嚴重影響密封件的密封性能及壽命[1-3]。按照飛機液壓作動筒脈沖實驗方法與要求[4]，密封件需要進行20萬次T形脈沖試驗檢驗密封性能。國內(nèi)浙江大學(xué)流體動力實驗室的王雙、張斌、HU等[5-7]為提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，采取大流量伺服閥建壓，波形跟蹤控制效果理想，試驗臺實際產(chǎn)生2Hz的42 MPa高頻脈沖，壓力上升速率約200 MPa/s。楊孟林、呂垠等人[8-9]通過仿真，分析了軟管內(nèi)徑、蓄能器容積對響應(yīng)曲線動態(tài)性能的影響，為液壓軟管脈沖實驗臺的設(shè)計提供了理論依據(jù)。燕山大學(xué)吳曉明等[10-11]將重復(fù)控制技術(shù)和改進型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID技術(shù)應(yīng)用于液壓軟管脈沖試驗機中，取得良好的仿真效果。之后，羅勇等人[12]根據(jù)制動軟管新標準開發(fā)了高溫脈沖試驗臺，試驗臺峰值壓力15 MPa，壓力上升速率僅有5.5 MPa/s。

目前國內(nèi)外的飛機液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是41 MPa(6 000 psi)高壓[13]。針對現(xiàn)有脈沖實驗臺精確度不高，壓升速率較低，無法滿足密封件脈沖高溫、高壓、高升率要求，本文作者選擇響應(yīng)頻率為300 Hz的高頻伺服閥與壓力傳感器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過控制伺服閥的閥口開度實時跟蹤控制脈沖波形，為密封件密封性能測試和壽命預(yù)測提供試驗硬件基礎(chǔ)。

1 液壓脈沖系統(tǒng)原理

液壓脈沖系統(tǒng)原理如圖1所示，主要元器件包括：動力源液壓泵、瞬時補充流量的蓄能器、控制液壓油流向及流量的伺服比例閥、增壓缸、安裝組合密封圈的工裝件以及保護系統(tǒng)的溢流閥。壓力傳感器實時監(jiān)測工裝件內(nèi)實際壓力，系統(tǒng)目標壓力與實際壓力差值轉(zhuǎn)換成電信號，輸入電液伺服閥控制閥口開度實時控制脈沖波形。

圖1 密封件脈沖試驗臺液壓系統(tǒng)液壓原理

試驗?zāi)繕薚形脈沖波形如圖2所示，一個脈沖周期包括壓力上升階段、穩(wěn)定階段及下降3個階段，波形主要特征包括壓力上升速率、峰值壓力及谷值壓力。試驗要求峰值壓力42 MPa，谷值壓力0.13 MPa，壓力上升速率為700～1 100 MPa/s，壓力上升速率k具體計算公式如公式(1)所示：

圖2 標準T形脈沖波形

(1)

式中：Δp為額定壓力；t1、t2分別為工裝件達到0.1Δp、0.9Δp的時間。

脈沖試驗前，閥10、12開啟，閥9、11關(guān)閉，液壓泵2經(jīng)管路A1向增壓缸14高壓腔及被試工裝件16充油，溢流閥開啟壓力設(shè)置為42 MPa，液壓泵2向蓄能器7補充液壓油蓄能。進行脈沖試驗時，閥9、10、12關(guān)閉，閥11打開，電液伺服閥13先導(dǎo)級左側(cè)通電，主閥移動至左位，液壓油沿管路A3進入增壓缸14左側(cè)低壓腔推動活塞向右移動，活塞桿左右兩側(cè)截面面積不同，右側(cè)高壓腔與被試工裝件相連，被試工裝件壓力升到42 MPa，伺服閥閥芯停留在中位，系統(tǒng)流量為零，壓力保持穩(wěn)定。壓力下降階段，伺服閥13右側(cè)通電，閥芯移動至右側(cè)，液壓油沿著管路A2流入增壓缸14中間腔，推動活塞桿向左側(cè)移動，高壓腔及被試工裝件16內(nèi)壓力迅速下降至1.3 MPa，之后伺服閥13不通電。閥芯停留在中位，直至一個周期完成，然后伺服閥13左側(cè)通電，進行下一個周期脈沖。

2 液壓脈沖實驗臺數(shù)學(xué)模型

2.1 蓄能器壓力流量特性

忽略蓄能器與管道連接處能量損耗，蓄能器的出口壓力、流量等于出口管道的壓力、流量。因為液壓油的體積變化遠小于氮氣體積變化，所以忽略液壓油的體積變化。基于以上假設(shè)條件，蓄能器的狀態(tài)方程[14]如下：

(2)

聯(lián)立求解，可得蓄能器的壓力流量方程為

(3)

式中：p0為蓄能器預(yù)充壓力；V0為蓄能器容積；Vx(t-Δt)、Vx(t)分別為蓄能器內(nèi)始、末氣體容積；Qx為蓄能器輸出流量；hx為蓄能器內(nèi)液柱高度；S為蓄能器橫截面面積；p1為蓄能器出口壓力；ρ為液壓油的密度；g為重力加速度。

2.2 電液換向閥動態(tài)特性

電液伺服閥閥芯位移和輸入電信號的動態(tài)特性可以用二階振蕩環(huán)節(jié)表示

(4)

式中：Δx為閥芯位移；Δu為輸入控制電信號；τ為延遲時間；K、w、ξ分別為伺服閥的比例系數(shù)、固有頻率和阻尼系數(shù)。

電液伺服閥在控制波形的上升和下降階段，脈沖曲線的斜率大，伺服閥的閥芯工作在最左端和最右端，其流量方程[15]為

(5)

式中：Q2l、Q2r分別為伺服閥左端、右端流量；p2為低壓腔壓力；τ為伺服閥閥口開度；Δp0為電液伺服閥進出口壓差，壓力上升階段Δp0=p1-p2，下降階段Δp0=p2；Q0為τ=1，壓差為Δp0時電液伺服閥的額定流量。

2.3 增壓缸-工裝件壓力流量特性

在壓力上升階段，電液伺服閥閥芯快速移動至左端，連接中間腔的管路處于關(guān)閉狀態(tài)。增壓缸高壓腔與被試工裝件連接，連接管路長度較短，忽略壓力的沿程損失，將增壓缸與被試工裝件看作整體，增壓缸動力學(xué)方程及流量連續(xù)性方程[15]分別為

(6)

被試工裝件狀態(tài)方程為

(7)

聯(lián)立求解，可得高壓腔壓力流量方程為

(8)

式中：m為活塞質(zhì)量；Q2(t)、Q2(t-Δt)分別為低壓腔始、末流量；p3(t)、p3(t-Δt)、Q3(t)、Q3(t-Δt)分別為高壓腔始、末的壓力與流量；Ke為容腔的等效體積模量；F為活塞的靜摩擦力；Bt為活塞阻尼系數(shù)。

3 基于AMESim液壓系統(tǒng)仿真與分析

根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖1，搭建AMESim仿真模型。增壓缸包括低壓腔、中間腔及高壓腔三部分，因為活塞桿與增壓缸壁之間存在一定的間隙，所以既要考慮增壓缸的外泄漏也要考慮相鄰腔體之間的內(nèi)泄漏。搭建增壓缸仿真模型需要用AMESim自帶的Hydraulic Component Design(HCD)庫和Mechanical庫中的元件組合搭建[16]，其余元件從Hydrulic庫中直接調(diào)用。基于AMESim搭建的液壓脈沖試驗臺仿真模型如圖3所示。

圖3 脈沖試驗臺仿真模型

T形波主要控制的波形特征是峰值壓力和壓力上升速率，提高壓力上升速率對于實現(xiàn)高頻脈沖具有重要意義。系統(tǒng)流量主要由蓄能器和液壓泵聯(lián)合提供，通過電液伺服閥控制流入增壓缸低壓腔流量以推動活塞桿壓縮被試工裝件內(nèi)液壓油實現(xiàn)建壓，被試工裝件容腔體積越大，建壓所需流量越大。此試驗用于安裝組合密封件的被試工裝件共6組，容腔體積在150～570 mL。基于AMESim搭建的仿真模型得到150～600 mL不同被試工裝件容積及700～1 100 MPa/s不同壓力上升速率仿真結(jié)果，分析了不同被試工裝件容積及壓力上升速率對系統(tǒng)通流能力的需求，為設(shè)計脈沖試驗臺提供指導(dǎo)。

試驗溫度范圍-55～150 ℃，溫度的變化影響介質(zhì)油的密度、彈性模量、黏度，從而影響脈沖波形。其中彈性模量對波形的影響最顯著，液壓油的體積彈性模量Ke為700～2 000 MPa，為保證系統(tǒng)余量要求取700 MPa。系統(tǒng)仿真模型初始參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)AMESim仿真模型初始參數(shù)

一組密封件進行20萬次周期性脈沖試驗，仿真取3個周期，運行時間3 s，步長0.001 s。仿真目標波形峰值壓力42 MPa，上升時間0.06 s，壓力上升速率700 MPa/s，谷值壓力0.13 MPa。仿真被試工裝件容腔體積為150、400、600 mL，得電液伺服閥流量仿真曲線如圖4所示。

圖4 不同被試工裝件容腔體積的伺服閥流量曲線

因為在第一個周期內(nèi)，系統(tǒng)元件處于初始狀態(tài)，所以伺服閥的流量較大，從第二個周期開始，系統(tǒng)流量達到穩(wěn)定。從圖4可知：伺服閥的瞬時流量在壓力上升階段最大，隨著容腔體積的減小，伺服閥瞬時流量變小，超調(diào)量變大。容腔體積為150 mL時，最大瞬時流量為243 L/min，超調(diào)量約50 L/min。容腔體積為600 mL時，最大瞬時流量為243 L/min，超調(diào)量27 L/min。實際在進行體積較小工裝試驗時可以通過調(diào)低溢流閥開啟壓力降低瞬時超調(diào)流量。為保證試驗需要，實際選擇在7 MPa壓差下最大流量為250 L/min的電液伺服閥型號。

試驗壓力升率最低要求為700 MPa/s。試驗時，為了檢驗密封件在更惡劣的脈沖環(huán)境下的密封性能，選擇升率高于700 MPa/s的脈沖波形進行試驗。高升率的脈沖波形對伺服閥的通流能力及蓄能器的蓄能能力提出了更高要求。密封件進行高升率試驗時，選擇容腔體積為150 mL的被試工裝件，仿真得到壓力上升速率為700、900、1 100 MPa/s的伺服閥流量曲線，截取仿真第二個周期1.0～1.1 s的流量曲線如圖5所示。由圖5可知：壓力升率為900 MPa/s時，伺服閥最大瞬時流量為221 L/min；壓升速率為1 100 MPa/s時，最大瞬時流量增大為260 L/min。在最大瞬時流量時刻，伺服閥進口P與出口A的壓差大于仿真設(shè)置的壓差參數(shù)7 MPa，所以伺服閥在最大瞬時流量的通流能力可小于260 L/min。因此，選擇250 L/min電液伺服閥型號可以滿足系統(tǒng)高升率試驗需求。

圖5 不同系統(tǒng)壓力升率的伺服閥流量曲線

圖6是在試驗設(shè)計指標，即壓力上升速率為1 100 MPa/s、容腔體積為600 mL的情況下仿真壓力結(jié)果，被試工裝件仿真壓力曲線與目標曲線接近重合，系統(tǒng)實現(xiàn)理想動態(tài)跟蹤效果。在壓力下降階段，蓄能器壓力快速下降至38 MPa，系統(tǒng)壓力升到42 MPa后，液壓泵為蓄能器充能，壓力恢復(fù)。蓄能器及系統(tǒng)流量的仿真曲線如圖7所示，在壓力上升階段，系統(tǒng)輸入流量320 L/min，蓄能器輸入流量260 L/min，表明系統(tǒng)壓力上升主要依靠蓄能器提供流量。釋放能量之后，液壓泵為蓄能器充能。由圖7可知，每個周期內(nèi)蓄能器充能兩次，充能總時間約0.25 s。液壓泵輸出流量為60 L/min，共補充流量0.25 L。系統(tǒng)在一個周期內(nèi)，可供充能時間約0.7 s ，為實現(xiàn)更高頻率脈沖波形，設(shè)計系統(tǒng)最大充能時間為0.5 s，伺服電機轉(zhuǎn)速可以由1 500 r/min降低至750 r/min。最終選擇市場上額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的伺服電機。

圖6 低壓腔、高壓腔和蓄能器壓力曲線

圖7 蓄能器和系統(tǒng)流量曲線

4 試驗分析

試驗工裝件如圖8所示，安裝在高低溫箱內(nèi)，通過軟管與液壓脈沖試驗臺連接。根據(jù)液壓原理圖1搭建的脈沖試驗臺如圖9所示。根據(jù)前文仿真分析，脈沖試驗臺系統(tǒng)關(guān)鍵元件參數(shù)為：蓄能器容積V=10 L，預(yù)充壓力p1=8 MPa，伺服電機額定轉(zhuǎn)速r=1 000 r/min，溢流閥開啟壓力p2=42 MPa，電液伺服閥頻率f=300 Hz，額定流量250 L/min，試驗液壓油選擇15號航空液壓油。系統(tǒng)伺服閥的密封件在持久高壓的環(huán)境下易損壞，選擇密封所自產(chǎn)的高壓O形密封件，每組20萬次脈沖試驗結(jié)束后更換連接軟管，避免實驗中軟管破裂。

圖8 工裝件實物

圖9 液壓系統(tǒng)實物

試驗時，啟動液壓泵向系統(tǒng)輸送液壓油，當(dāng)系統(tǒng)初始壓力達到溢流閥開啟壓力后，開始進行脈沖試驗并采集數(shù)據(jù)。液壓系統(tǒng)脈沖試驗控制界面如圖10(a)所示，峰值壓力、谷值壓力分別設(shè)為42、1.3 MPa，在一個周期中，壓力上升時間0.04 s，達到峰值壓力后穩(wěn)定保持0.36 s，之后在0.3 s內(nèi)下降至1.3 MPa，維持0.3 s后進入下一個周期，往復(fù)進行到試驗結(jié)束。系統(tǒng)實際試驗波形如圖10(b)所示，波形動態(tài)跟蹤理想，由于實際液壓油的彈性模量大于700 MPa，導(dǎo)致波形超調(diào)量約為0.5 MPa，實際脈沖波形在試驗要求范圍內(nèi)，而且在20萬次脈沖內(nèi)波形穩(wěn)定。

圖10 基于LabVIEW脈沖控制界面(a)及實際 脈沖波形(b)

5 結(jié)論

從被試工裝件容腔體積和脈沖波形升壓速率入手，建立了蓄能器、電液伺服閥和增壓缸-被試工裝件的數(shù)學(xué)模型，基于AMESim搭建了仿真模型。仿真結(jié)果表明：當(dāng)被試工裝件容腔體積為600 mL、脈沖波形升率為1 100 MPa/s的情況下，伺服閥的最小流通能力為260 L/min，液壓泵需在一個周期內(nèi)為蓄能器補充0.25 L液壓油以保證系統(tǒng)正常運行。實際搭建了液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)中關(guān)鍵元器件參考仿真結(jié)果選擇額定參數(shù)，并基于LabVIEW設(shè)計了可視化控制系統(tǒng)實時監(jiān)測脈沖波形。實際脈沖波形落在了試驗要求的范圍內(nèi)，得到理想波形曲線，在進行20萬次脈沖后，波形依舊保持穩(wěn)定，為航空密封件的密封性能試驗提供了可靠的試驗條件。