介質彈性對風洞液壓控制系統影響的分析與測試

王 帆 ,沈 紅 ,李樹成

(中國空氣動力研究與發展中心,四川綿陽 621000)

0 引 言

某高速風洞研制一套快速模型插入機構,采用氣液增速缸驅動,氣液缸行程1000mm,液壓回路工作壓力18MPa。插入機構運動行程800mm,插入時間0.3s以內。圖1為原理圖。

圖1 機構液壓系統示意圖Fig.1 The diagram of the executive hydraulic system

承制單位在設備調試時,發現蓄能操作過程中(油缸上腔增壓至18MPa),下活塞桿帶動模型、支架出現將近40mm的下降。仔細檢查油路、油缸、閥門,均未發現明顯泄漏,因此無法判斷原因。

在全面分析現象后,認為這種現象的發生,是由于氣液缸的下活塞腔中液體彈性壓縮所致,并對此進行了分析和試驗驗證。

1 液體傳動介質的彈性

一般情況下,人們認為氣體是可壓縮,而液體是不可壓縮的,往往把液體作為剛性體看待。實際上,液體在高壓狀態下,也是有彈性的。表征液體壓縮性可以采用液體體積彈性模量,其定義為

其中：ΔP為壓力變化量(相對于大氣壓);ΔV為液體容積變化量;V為容器的容積。

2 彈性模量的測量

2.1 容積法

要定量分析液體介質彈性對傳動系統的影響,首先要準確測量液體的彈性模量。從原理上,將封閉在一定容積內的液體施加壓力,測量不同壓力下容積的變化量,再應用公式(1)計算出K。

利用實驗室的一支油缸進行測試。實驗時,將油缸活塞桿全部縮回,往有桿腔灌滿液壓油后,用堵頭把油口堵死,將無桿腔連在油源上。隨著油源壓力升高,發現活塞桿向外伸出。記錄壓力ΔP與活塞桿的長度變化量Δ S。試驗用油缸的缸徑63mm,活塞桿直徑35mm,行程750mm,可以計算出活塞桿伸出長度變化引起的受壓油液的體積變化量。利用公式(1),可以計算出各個壓力下的K。

圖2為測試裝置的組成原理。利用這套系統,進行了體積彈性模量的測試,結果見表1。

圖2 容積法測量裝置示意圖Fig.2 The diagram of measurement of the volume change

表1 容積法測試彈性模量(單位：MPa)Table 1 Experimental results of fluid module(MPa)

這種測量方法簡單,但是由于活塞總是存在一定的泄漏,可能影響測試精度。

2.2 壓力沖擊法

壓力波在不同介質中的傳播速度是不同的。在不同壓力下,測量出壓力波的傳播速度,可以間接測量出體積彈性模量,測量裝置的組成原理見圖3。

在長度為L的厚壁管道兩端設置壓力測點,在管路一端利用多級電磁溢流閥瞬間變化壓力產生管道內的液壓沖擊。壓力波到達A、B兩個壓力傳感器的時間有一個差值 ：

C為壓力波在管道內傳播的速度。

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圖3 壓力沖擊法測試原理Fig.3 The principle diagram of pressure impulse method

式中：K為液體體積彈性模量;ρ為油液密度;E為管材的彈性模量;d為管道內徑;δ為管道壁厚;C1與管道材質、約束方式有關的系數,通常取1.0。

文中是厚壁不銹鋼管道,E為2.1×105MPa,K預估為1000MPa,d/δ為5,則C2=0.0238,作為近似可取C2=0。

m為封閉在容腔內液體的質量,在測試過程中基本不變。因此,壓力升高,ΔV增加,ρ會增大。利用公式(1)、(7)及表 1 的結果,可以計算出ρ/ρ0隨 ΔP的變化關系,見圖4。ρ0為大氣壓下油液的密度。從圖中可以看出,在風洞液壓系統常用壓力范圍,油液密度變化不超過4%。

圖4 密度隨壓力變化關系Fig.4 The relation between density and pressure

在確定ρ后,測量K的關鍵是τ的測量。

相關函數rxy最大值對應的t,即為信號從 A點至B點傳輸時的τ(圖5)。

測量不同壓力下A點、B點的壓力值,應用相關函數的分析方法,求出 A點至B點的壓力波傳輸時間τ,利用公式(6)和圖 5曲線,計算出 K。試驗時：T=20℃,L=2135mm,ρ0=875.17kg/m3,結果見表 2。

圖5 x(n)、y(n)相關函數Fig.5 Correlation function of x(n)and y(n)

表2 壓力沖擊法測試體積彈性模量(單位：MPa)Table 2 Results of pressure impulse(MPa)

2.3 小 結

從表1、2中可以得出：

(1)目前,風洞液壓系統的常用運行壓力多在25MPa以內,最高不超過31MPa。從試驗測試結果看,K可以達到1000MPa(須經過一段時間運行,排凈空氣后)。因此,設計中選用K=900～1000MPa是合理的;

(2)采用壓力沖擊法測出的彈性模量比用容積法測出的值高。由于油缸的活塞難以避免地存在一定的內泄漏,使 Δ V/V增大,會使K的值減小。

3 分 析

按照上述的測試結果,對快插機構調試中的現象進行分析。

機構使用的油缸,無桿腔的面積A1=0.00126m2,有桿腔的面積A2=0.00064m2,行程Lc=1000mm。蓄能操作時,無桿腔增壓到18MPa,按照面積比計算有桿腔的壓力為35.44MPa。在這個壓力下,按照K=1000MPa計算,容積變化率ΔV/V=0.03544。因此,引起的活塞桿向下的位移為35.44mm。再考慮到油缸活塞難以避免地存在微小的內泄漏,下腔外接管路有一定容積的液體等因素,向下位移還會更多一些。

4 結 論

(1)一般情況下,人們常常認為液壓油是不可壓縮的傳動介質。但是,風洞中液壓系統運行壓力和傳動控制精度較高的情況下,必須考慮油液的壓縮性;

(2)作者提供的液體體積彈性模量K的測試方法容易在工程上應用。通過分析和測試,風洞液壓系統常用工作壓力下的油液彈性模量一般可以按照900～1000MPa選擇、計算系統的相關性能。具體要看液壓系統的排氣程度等因素;

(3)利用測試結果,對研制的機構進行分析,認為發生機構下移的原因是由于油缸下腔油液受壓縮,引起向下位移。定量分析結果與調試中實際測試到的位移量符合。為機構進一步調試鋪平了道路。

[1]劉長年.液壓伺服系統優化設計理論[M].北京：冶金工業出版社,1989.

[2]成大先主編.機械設計手冊(第三版)[M].北京：化學工業出版社,1997,(19)：17.