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日志

 
 

关于液压伺服系统热特性研究综述  

2017-09-13 21:51:03|  分类: 嫦娥飞天——中华 |  标签: |举报 |字号 订阅

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液压伺服系统通过对位移、速度、力等输出量的闭环控制,实现输出量自动、快速而准确地随输入量的变化而变化,同时可将输出功率大幅度放大。液压伺服系统响应速度快、负载刚度大、控制功率大、功率体积比大的特点使其在舵机控制系统及随动系统中得到广泛的应用。液压伺服系统对温度变化较为敏感,温度的升高会使泄漏量增大,导致液压伺服系统性能降低,也影响液压元件的使用寿命;此外,在如雷达、火炮和制导系统等具有红外侦测要求的应用中,温度的升高会对红外侦测的准确性和快速性造成干扰和不利影响。因此,液压伺服系统的发热机理、系统热平衡特性及温度控制的理论和实验研究,对于限制液压伺服系统的温升、提高系统的性能将起到重要的理论指导作用,对液压伺服系统的稳定运行、减小温升对其它元件和系统的影响和干扰具有重要的意义。

  通过现阶段国内外液压系统,尤其是液压伺服系统热特性的研究现状的综述,本文分析了液压伺服系统温度控制的意义,以及现阶段液压伺服系统发热机理、热特性建模与仿真方法、温度控制等方面的研究成果,论述了今后液压伺服系统热特性研究的方向和重点。

  1液压伺服系统温度控制的意义

  液压伺服系统的温度控制主要体现在液压油的温度控制和液压伺服系统元件的温度控制两个方面,两者在系统运行过程中相互影响和作用。液压油温度的升高通过对流换热将热量传递给液压伺服元件的金属表面造成液压伺服系统元件温度的升高,从而使液压元件处于低性能和低效率的工作状态。液压元件的低效率工作使其能量损失转化为液压油的内能,使液压油温度升高,由此形成恶性循环。

  在液压油的性能方面,液压油温度的升高造成其粘度降低,使液压伺服系统的泄漏增加、容积效率降低;此外,由温升造成的液压油油膜强度的降低使其润滑性能下降、系统的摩擦和磨损增加;高温还会使液压油加速氧化,降低油液性能和使用寿命。从密封效果来看,液压伺服系统温度升高加剧了系统中橡胶密封件、软管等的老化,影响系统的密封效果。在液压元件的性能和工作状态方面,温度的升高使液压元件发热变形,由此导致不同膨胀系数的运动副产生配合间隙的变化,可能造成机械卡死和破坏应有的精度,这种现象常表现为电液伺服阀的磨损、卡死、卡滞、压力损失增加或泄漏增加。

  液压伺服系统温度的升高会对系统的密封可靠性、工作效率和稳定性、系统性能带来了不利的影响,液压伺服系统温度控制的意义即在于通过控制液压伺服系统的温度来提高系统的性能。

  2 液压伺服系统的发热机理

  2.1液压油温度升高的原因

  液压系统能量损失大、效率低,原因在于液压系统存在两次能量转换,首先要通过动力装置将原动机的机械能转化为液体的压力能,其次再通过液压执行元件将液体的压力能转化为机械能,这样就不可避免地产生了两次能量损失。液压油温度升高的原因主要在于液压系统的能量损失转化为液压油的内能,这__些能量损失包括流经各种阀时存在如节流损失和局部压力损失、液压油在管道中流动时的沿程压力损失和局部压力损失、以及在阀控过程中的溢流损失和泄漏损失等,其中液压控制阀一般具有较大的节流损失,其发热量是影响系统温度变化的重要因素。此外,液压系统机械部件的相对运动所产生的摩擦热被液压油吸收也是油温升高的原因之一。

  一般地,阀控系统在油源采用定量泵供油下的效率理论上最大只有38%,油源采用变量泵供油下的效率理论上最大值也仅有67%

  由于液压系统各部件具有不同的工作特点和功能,各个部件的产热量也不相同。对装载机工作装置液压系统的热特性的研究表明各种阀的功率损失产热量占到总产热量的40%,液压泵和执行元件的产热量分别占总产热量的23%20%,而管路的产热量仅占总产热量的17%,各种阀的较大的产热量的原因在于液压系统的频繁换向导致溢流损失较大,同时多路阀阀口的流动阻力也较大,从而致使压力损失全部转化成热量导致系统产热量较多。对空客A320 的液压系统各部件的产热量进行的分析和计算表明液压系统中伺服子系统的产热量占到了整个液压系统总产热量的71.6%,液压泵的产热量占整个液压系统总产热量的22.9%,液压管路的产热量占整个系统产热量的4.8%,而单向阀的产热量仅占系统总产热量的0.8%

  在液压系统的设计过程中,低效率的动力、执行元件,不恰当规格的控制调节元件和液压辅件的选择,也造成了整个系统能源效率偏低,大量的能量都转移到液压油的内能中去,势必会造成液压油的温度升高。例如,油箱容积过小,油面过低,将使液压系统没有足够的流量带走其产生的热量,使液压系统中的油液没有足够的循环和冷却条件,会使油温升高。

  液压油黏度选择不当是油温升高的另一影响因素。液压油的黏度太高,造成流体摩擦增加,沿程压力损失增大,特别是在周围环境温度比较低的场所,使系统油温升高的情况更严重,此外还会造成气穴现象,油液里的气泡被压缩时温度升高,热的空气气泡依次加热周围的油液,也会产生过热现象。黏度过低,润滑性能下降,摩擦损失增加,泄漏量加大,效率降低,也会引起油温升高;管式连接的液压系统为了实现对液流流量及流动方向的控制,经常安装弯头、三通、缩接、阀门等,这些部件都会使功率损失太大,造成系统油温升高。

  2.2液压伺服元件温度升高的原因

  液压伺服元件温度升高的主要原因在于液压油温度升高引起的对流换热将液压油的高温传导给液压元件,以及液压元件内部相对运动元件的摩擦和磨损。液压伺服元件内部的机械摩擦是不可避免的,这部分摩擦产生的热量相对于由对流换热和热变形引起的摩擦热相比比较小。热变形会导致相对运动的元件之间的间隙发生变化,间距变小引起摩擦的加剧使液压元件磨损和发热,间距变大则导致液压元件的泄漏量变大,压力损失增加,液压伺服元件内部相对运动部件的间隙变化会导致油温进一步升高,传导至液压元件后也会导致液压元件发热。

  3液压伺服系统热特性建模仿真理论与方法

  3.1集总参数法

  英国巴斯大学的J A SiddersD G TilleyP JChapple 等提出用于研究液压系统热-液性能的建模方法,该方法基于液压系统的质量和能量守恒建立了一系列集总参数数学模型,并将该建模策略用于一种包含液压泵、可调节流阀、换热器和油箱的开环液压回路中,利用典型元件的模型来预测瞬态过程和稳态过程的热响应,液压系统温度和油液的黏度对系统的影响通过泵的流量损失模型和节流阀的液压性能模型来进行模拟。仿真和实验结果表明,系统的热响应主要取决于油箱的储热能力,液压系统的动态交叉耦合效应对于系统总体的热瞬态响应具有不可忽视的影响。该研究所提出的建模方法逐渐成为液压系统热特性建模的主流。

  李成功、焦宗夏在基于液压系统质量和能量守恒所建立的一系列集总参数数学模型的基础上,提出了基本热-液元件的关联规则和自动生成整个热——液系统模型的方法,并在一个位置控制热——液系统中讨论了求解交叉耦合热——液方程的积分法。该研究的特点在于通过热——液一阶微分方程的简化表达来简化仿真过程、减少仿真所需的时间。

  3.2功率损失法

  功率损失法注重对液压伺服系统稳态热平衡的研究,该方法认为液压油流经液压元件而产生的功率损失全部转化为热量被液压油吸收。郭洪江针对XGL50 装载机液压系统热平衡问题进行了研究,通过计算装载机液压系统的发热功率和散热功率得出了相应的热平衡条件,提出了解决装载机液压系统发热问题的具体方法。翟华、王玉山等针对薄板冲压液压机的液压系统中液压油温度上升的现象,计算了液压系统的发热量和散热量,从而建立该系统的热平衡方程,得出冷却器散热所需的面积。在上述热平衡计算的基础上,开发了该液压系统热平衡计算及优化程序,提出了系统优化的措施。

  3.3 结点法

  结点法的核心思想是将每一个液压元件视为一个与外部存在对流、传导和辐射的具有一定质量的结点。吕凤实、张晓莎等在运载火箭的液压伺服系统中提出了节点热模型的分析方法,从电液伺服系统生热、传热机理出发,建立节点热物理模型,推导出节点热数学模型。通过MATLAB 仿真和试验验证,验证了该分析方法,并为液压伺服系统温控方案提供了一定的思路。

  3.4 计算流体力学法

  计算机仿真软件技术的进步及其在液压伺服系统热特性建模中的运用使得利用计算流体力学(Computational Fluid DynamicsCFD)进行液压元件内部流场和温度场的分析成为可能。计算流体力学法主要针对液压伺服元件的仿真模型的结构进行有限元网格划分,通过设置所需的仿真参数与边界条件进行CFD 仿真,便可得到液压伺服元件内部流场的速度和温度分布。计算流体力学法进行液压伺服系统热特性建模能够获得相对准确的数学模型,具有较好的仿真结果可视性和可操作性。

  4液压伺服系统降温措施

  针对液压伺服系统的温度升高情况,现阶段降温措施主要涉及液压回路的合理选择和配置、液压油的黏度合理选择、液压系统的散热装置的优化设计等方面。此外,还提出了通过合理计算油箱的储油量使在既不大幅度增加油箱体积和重量的前提下保证油箱吸收热量,从而降低了液压系统热平衡建立时的平衡温度,使液压系统维持在合适的温度水平。

  4.1导体散热技术的运用

  作为一种超导热体的传热元件,热管具有传热系数高、温度分布均匀、热响应迅速、结构紧凑、工作可靠等优点。周恩涛、李宝刚等研究了热管的工作原理及结构,提出了热管在液压系统散热中的两种形式:一种是利用风扇在热管的冷凝段吹风来散热,即液——气热管散热器;一种是利用水在热管的冷凝段散热,即液——液热管散热器。由于热管有高效率的传热功能,能在短时间内传出大量热量并通过其它的媒介把热量快速地散出,这样不但能保证液压系统工作的连续性,还能保证液压油的有效利用。

  付永领等针对液压马达泵在封闭液压系统及其它特殊应用场合的散热问题,将热管技术应用于液压马达泵的设计中,随后在ANSYS中对该设计结构的温度场进行了模拟仿真,仿真结果表明热管散热器可有效地带走液压马达泵产生的热量,从而降低了液压马达泵中的油温并使其维持在较低的水平。GuoRuiZhang Zhen-miao 等利用半导体制冷技术代替传统的液压油冷却方法,通过设计一种新型的半导体制冷系统来控制油源温度。对该制冷系统的测试结果表明半导体制冷系统能在环境温度为12°C、初始油温为38°C的条件下将温度控制在37±1°C的水平。

  4.2常规散热系统的优化设计

  张钦国、秦四成等对装载机工作装置液压系统进行了研究,为了降低液压系统建立热平衡的温度,将由发动机机械式驱动的散热风扇改为液压马达驱动,由电控系统控制先导式溢流阀实现流量调节,使风扇转速不受发动机转速变化的影响,通过液压系统内液压油冷却后的温度高低调节风扇转速以达到最佳的散热效果。同时,与散热器并联的节流阀也改为有温度控制流量的变化,根据温度的高低调节通过散热器的流量,从而提高散热器的散热效果。试验研究进一步表明了增加电控系统控制液驱风扇的转速和回油路节流阀的流量后,液压系统的热平衡温度得到了有效的降低。

  张东辉、张啸男在分析液压系统工作中发热现象的产生机理的基础上提出了液压系统冷却器的设置原则。常用的冷却措施有多管式冷却器、空冷式油冷却器、特殊气体冷却器、自然放热式油箱和油箱内放置冷却水管的方法。该研究提出了在冷却器配置过程中根据发热量与散热量的大小关系来决定冷却器的配置与否以及油箱大小,给出了选择冷却器的原则和相应计算公式。

  5液压伺服系统热特性的研究方向

  现阶段针对液压伺服系统热特性的研究多是定性的研究,以及针对液压伺服系统某一类元件或特定类型的液压伺服系统热特性的研究,针对液压伺20165月 马乾坤,等:液压伺服系统热特性研究综述第3页服系统的热特性和热平衡的系统性的研究较少。对液压伺服系统中的各个液压元件及液压伺服系统的建模分析仍将是液压伺服系统热特性研究的重点方向,这样的研究不仅可以利用数学手段精确描述液压伺服系统的发热机理,还对于液压伺服系统的温控方案具有很强的指导意义。

  另一方面,液压伺服系统的温度控制措施和较低能量损失的新型液压伺服系统的研究将会是今后研究的方向之一。鉴于液压伺服系统温度控制的重要意义,解决液压系统(液压伺服系统)的温升便成为一个重要的研究课题。在上述发热机理、热特性和热平衡的理论研究的基础上,可从油源降温、伺服阀精度提高、液压伺服马达的结构改进等方面提出具体的降温措施。为减少电液伺服阀的能量损失造成的系统温度升高,国外研究人员也不断开发出新型的无阀的液压系统,为液压伺服系统的温度控制提供了新的研究方向。

 

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