一種隔離式高(低)溫液壓系統

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)

0 前言

但凡液壓系統，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的范圍內，使液壓油在常溫下能持續工作，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、國防工業中較常應用。飛機起落架轉彎壽命試驗就是航空產品在高溫、低溫下進行工作循環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，國內航空工業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)溫液壓系統由高溫系統、低溫系統兩部分組成。高溫系統采用了兩級加熱：第一級加熱器在高溫油箱外循環加熱，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，循環加熱停止；第二級加熱器在高壓區給油液加熱，使進入液壓系統的油溫由T1提升到T2。

低溫系統采用了兩項措施。其一是選用壓縮機作為低溫油源機組，旁路并聯在低溫油箱上，提供低溫油[10]。它由電子膨脹閥、冷凝器、蒸發器、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。

上述兩套系統是相互獨立、分別運行的，用截止閥組互鎖，組成傳統的高(低)溫液壓系統，其弊端為：

(1)液壓原理構成復雜，研制成本高

該系統由高溫子系統、低溫子系統兩部分組成，各自獨立、互不通用。液壓系統組成較復雜，體積大、效率低。且高(低)溫子系統的泵、閥價格昂貴，設備研制成本高。

(2)運行耗能高

傳統的高(低)溫液壓系統在運行中，需要對整套系統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)溫液壓系統為例：制冷功率21 kW，加熱器功率7.5 kW(省略計算過程)。

據了解，目前無論是理論或是實踐，國內液壓行業在高(低)溫液壓系統油溫控制方面存在不足，業內尚無普遍認同的解決方案。

本文作者以傳統典型的高(低)溫液壓系統的不足為研究對象，提供一種新型高(低)溫液壓系統，采用隔離缸技術，提高油溫控制效率。其優點是：將傳統的高(低)溫液壓系統由兩部分組成改為一套液壓系統可兼顧高(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、工廠等應用環境。

1 隔離式高(低)溫液壓系統簡介

1.1 液壓原理

提出一種新型高(低)溫液壓系統。具體說，以常溫的液壓缸在前級主動循環換向，推/拉隔離缸循環工作；兩件隔離缸置換的油液形成封閉系統，油液循環流動，經過油溫控制裝置，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)溫液壓系統可以普遍參照執行該原理。

該高(低)溫液壓系統的原理見圖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)溫液壓系統的壓力下降時(譬如泄漏降壓)，壓力傳感器9感知并發信號給電磁換向閥1，DT3通電，液壓油由P1口進入電磁換向閥1，經單向閥12，直接向高(低)溫系統補油，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。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活塞桿的循環運動過程中，形成高(低)溫液壓系統的進油和回油。高壓油始終由溢流閥6調壓，回油進入隔離缸4.1-4.2的無桿腔，并不會產生冗余的回油阻力。

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，為避免液壓系統的執行元件(譬如作動器，圖1中未示出)產生壓力波動，在設計時，應使隔離缸4.1-4.2無桿腔的容積大于執行元件單方向工作所需油液的容積，這樣能避免執行元件在單方向工作過程中因電磁換向閥2的換向而產生壓力波動。

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。

1.2 工作過程

為了表述清楚該液壓系統的特點，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無桿腔的油液經油溫控制裝置10加熱(或制冷)后，經電磁換向閥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。

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，經油溫控制裝置10加熱(或制冷)后，經電磁換向閥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。如此持續循環，直到油溫升至額定的高(低)溫數值，預熱階段結束。

(2)工作階段，液壓系統的油液在額定的高(低)溫狀態下持續運行，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的閥芯處于常態位(DT4斷電)，高(低)溫油液與執行元件接通，驅動高(低)溫液壓系統完成某項特定工作。

1.3 實踐效果

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點：

(1)簡化了液壓系統的構成，降低了研制成本

從圖1與原有技術的比較中不難看出，該系統將傳統的由高溫系統、低溫系統兩部分組成的液壓系統優化成一套系統，簡化了系統組成，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

改變了傳統高(低)溫液壓系統需要對整套系統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，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)。與傳統的方案對比可知，制冷功率降低了82%，加熱功率降低了68%。

2 結論

吸收傳統的高(低)溫液壓系統的優點，改進其不足，在液壓系統原理方面進行了技術創新，提出了一種隔離式的高(低)溫液壓系統。核心技術是：以常溫的液壓缸換向系統為前級主動，推/拉隔離缸循環工作；兩件隔離缸往返的油液形成封閉系統，油液循環流動，經過油溫控制裝置，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與高、低溫系統隔離的優點，油溫控制運行中，僅需要補充油液溫度消耗，有效解決了傳統液壓原理中對整套液壓系統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定性。該技術可在液壓元件研制、航空航天、國防工業等領域，尤其在各類試驗設備上應用，市場前景廣闊。