液壓元件高加速可靠性試驗之溫控系統設計

李煥軍，朱麗莎，李鶴，袁聰，杜尊令

(肇慶學院機械與汽車工程學院，廣東肇慶 526061)

0 前言

液壓元件是一種十分重要的設備元件，目前在鍛壓機械、機床、船舶、航空航天、冶金機械、塑料機械、工程機械和礦山機械等液壓設備中被廣泛應用，并且發揮著十分重要的作用。在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中明確提出要集中優勢資源攻關關鍵元器件零部件等領域的關鍵核心技術。

自建國以來，經過眾多的科研工作者的不懈努力，我國液壓元件已經取得了長足進步，也產生了不少知名液壓元件品牌，但和國外知名品牌相比，如國內的臺鳴、巨良、中川、華德、萬通、長江等國內品牌，相對于意大利CEME、美國Parker、德國力士樂、日本YUKEN等國外品牌，壽命和可靠性上還有一定差距。根據調研統計，我國相當一部分的關鍵設備和高精尖設備里的液壓元件還是依賴進口。因此，如何增加我國液壓元件的可靠性、壽命來提高我國液壓元件品牌競爭力的問題亟待解決。

高加速壽命試驗是一種找到液壓元件質量上的不足從而提高可靠性壽命的有效手段。早在1964年，森德創公司液壓傳動實驗室配備了液壓泵試驗系統，開始了液壓泵的全壽命評估試驗；英國國家實驗室開發了ISO立式液壓泵試驗臺，開始研究液壓泵的可靠性問題；韓國金屬機械研究所開發了液壓泵可靠性測試和數據處理系統；法國機械工業研究中心(ETIT)研制了液壓泵實驗平臺。在20世紀80年代，俄羅斯(前蘇聯)就針對液壓系統的關鍵部件柱塞泵實施了加速壽命試驗，對其進行可靠性試驗分析，并先后發布了實施加速壽命試驗的方法指南，包括：(1)OCT 1 00389-80(飛機(直升機)液壓柱塞泵確定加速壽命試驗狀態的方法)；(2)M35-84(飛機燃油系統柱塞泵的加速試驗方法)。在美國的標準體系中，軍用飛機液壓柱塞泵的試驗主要是參照MIL-P-19692E(Pumps，Hydraulic，Variable flow，General specification for)實施，它應用于軍用攻擊型戰斗機的變量液壓泵設計和試驗規范。我國則參照美國MIL-P-19692E編制了GJB 2188A—2002標準。由于我國液壓柱塞泵整體壽命水平較低，我國并未針對所有航空用液壓柱塞泵確定統一的試驗時間，目前，我國針對所有用途的飛機都采用GJB 2188A—2002開展可靠性壽命鑒定分析試驗，在液壓泵可靠性試驗方面做了很多努力，哈爾濱工業大學、上海交通大學、華中科技大學、浙江大學、燕山大學都建立了液壓泵可靠性試驗平臺，為我國的液壓泵可靠性分析、評估研究做出了突出貢獻。朱明等人根據加速壽命試驗和并行節能技術原理，針對 FAST 液壓促動器中故障致命度較大的元件，提出并設計一種能同時測試多個齒輪泵、溢流閥及單向閥樣本的加速壽命試驗臺。馬紀明等介紹了俄羅斯OCT1指南中關于航空液壓泵加速壽命試驗載荷譜制定的詳細方法和流程，分別闡述了考慮疲勞、磨損、老化相關部件的加速壽命試驗載荷譜的計算過程；闡述了液壓泵實施加速壽命試驗的一般方法，以及美國、俄羅斯和我國目前采用的加速壽命試驗規范及標準體系，并對它們之間的區別和聯系進行了對比分析，列出了俄羅斯泵高加速試驗的流量溫度載荷譜，并對我國航空領域開展的液壓泵加速壽命試驗情況、存在的技術難點進行了介紹，提出了開展液壓泵加速壽命試驗的一般方案。陳慶國等基于溫度及六自由度非高斯寬帶隨機振動應力，提出了一種高加速壽命試驗方法——應力五步法，并對試驗裝置的關鍵技術特性指標的測量進行了探討。殷毅超以發射裝置空氣渦輪機高速葉輪為研究對象，提出了高速葉輪在小樣本加速壽命試驗下的可靠性及壽命評估方法,設計并實施加速壽命試驗并進行可靠性建模及壽命評估。張鑫等人為保持導彈作戰效能及可靠性，設計一種貯存延壽的高加速壽命實驗方法。

綜上所述，研究者們只提及了液壓元件高加速可靠性試驗之恒溫載荷應力，以及給出了航空液壓泵的溫度加速應力剖面，但并未給出詳細溫控系統設計方法與方案。而溫度控制是液壓元件高加速試驗的基礎，因此本文作者進行了液壓元件的高加速壽命試驗中的溫控系統設計與研究。

1 系統組成及基本原理

1.1 系統組成

文中論述的液壓元件高加速可靠性試驗之溫控系統主要由三大部分組成：驅動系統、溫控系統及總控系統。驅動系統由油箱、驅動泵先導式卸荷閥、直動式比例溢流閥組成，是整個試驗系統油路的動力中心；溫控系統主要由制冷室、冷劑存儲箱、加熱室、加熱器組成，通過冷熱調節來精確控制液壓元件加速試驗所需的目標溫度；總控系統由數據采集卡、工控機組成，實現對驅動系統和溫度系統的協調控制。其設計原理如圖1所示。

圖1 液壓元件高加速可靠性試驗之溫控系統原理

1.2 基本原理

對于液壓元件的高加速壽命試驗，核心即是強化應力，最常用的強化應力有溫度加速應力和振動加速應力等。不管是研究單一加速應力還是多個加速應力耦合，溫度不可或缺，而且液壓元件屬于功能性元件，工作當中都會出現溫升問題，液壓元件高加速壽命試驗中如何控制系統溫度是一個難點，所以液壓元件的高加速壽命試驗中溫控系統設計與分析非常重要，也是研究液壓元件高加速可靠性試驗步升和步降溫度載荷應力的基礎。

如圖1所示：整個油路溫控系統采用了制冷系統和加熱系統聯合控制的辦法來實現系統溫度的控制。制冷系統主要包括制冷室10和冷劑循環機；加熱系統主要包括加熱室14和加熱器。其控制原理如下：

設被測試液壓元件入口目標溫度為(下標17表示圖1中溫度傳感器17，以此類推)，溫控系統的入口溫度為，根據試驗需要可能出現三種情況：

(1)=

油路潤滑油不通過制冷系統和加熱系統，電磁閥8左側油路打開，電磁閥13左側油路打開即可。

(2)>

油路潤滑油通過加熱系統，電磁閥8左側油路打開，電磁閥13右側油路打開。設加熱器的加熱功率為，則有：

(1)

式中：為加熱室中油管分支數；為某一根支路管展開長度；為熱有效利用率(由試驗得到)；為潤滑油比熱容；為潤滑油加熱時長；Δ為單位質量潤滑油溫升量；d為單位長度的潤滑油液質量。

加熱室中某一油管支路油液質量可做微分，如圖2所示，則有：

(2)

式中:為潤滑油密度;為油管支路直徑。設潤滑油路主管內徑為，則有：

(3)

設圖1中的元件6處的體積流量為，可以得到圖2中的油路支管潤滑油的流速：

(4)

從而得到式(1)中：

(5)

聯立方程(1)—(5)得到：

(6)

圖2 加熱室油管支路潤滑油質量微分

(3)<

油路潤滑油通過制冷系統，電磁閥8右側油路打開，電磁閥13左側側油路打開。設油溫從降到需要釋放的熱量為，冷卻劑帶走的熱量為，則有：

=

(7)

即得到：

(8)

得到：

(9)

式中：為冷卻劑的最小所需體積量，并且通過實際用量進行修正，修正過程如圖3所示；為制冷有效率(由試驗測得)；為冷卻劑比熱容；為冷卻劑密度；為冷卻段油管的展開長度;為冷卻段油管的截面直徑。

圖3 冷卻劑用量修正原理

1.3 誤差分析

根據圖1，從結構設計上，把測量入口溫度的傳感器17布置在靠近液壓元件測試裝置的入口處，管道架空。設傳感器17到裝置入口處的管道長為，流體潤滑油經過后的熱損失為Δ，歷經時間為，則有：

Δ=

(10)

(11)

式中:為單位長度熱損失，W/m，可以表示為

(12)

式中：為環境溫度，℃；為工作管管壁表面傳熱系數,W/(m·℃)；為第層材料熱導率，W/(m·℃)；為管壁直徑(m)，詳見圖4；為保護層外壁表面傳熱系數，W/(m·℃)。

圖4 管道傳熱模型

將式(10)(11)代入到式(12)得到：

(13)

根據能量守恒，又有：

(14)

式中：Δ為油液到油膜試驗裝置泵入口的溫度誤差，聯立(13)(14)得：

(15)

2 數值實例

根據試驗條件，分兩種情況根據極限工況進行取值：油液溫度=80 ℃，環境溫度=25 ℃，油液比容=1 880 J/(kg· ℃)，油液密度=871 kg/m，額定流量=160 L/min=0.002 667 m/s。

(1)鋼管外壁不做保溫處理時：

=0.055 m，=0.063 m，=23 W/(m·℃)，=17 W/(m·℃)。根據公式(15)計算得到油膜測試裝置泵入口的溫度誤差可表示為Δ=0.05(℃)。

(2)鋼管外壁做單層保溫時：保溫材料選擇5 mm厚度的石棉，=0.055 m，=0.064 m，=0.073 m，=23 W/(m·℃)，=17 W/(m·℃)，=0.58 W/(m·℃)，=0.05 W/(m·℃)。根據公式(15)計算得到油膜測試裝置泵入口的溫度誤差可表示為：Δ=0.001 6(℃)。

如上管路保溫處理和不保溫處理兩種情況下溫度損失對比情況如圖5所示。可以看出：油管路有保溫層時溫度損失明顯比無保溫層時小，但是無保溫層時根據試驗條件和溫度傳感器的形狀大小，取傳感器17到裝置入口處的管道長為=2 m時，溫度損失Δ=0.1 ℃，所以在管路無保溫處理情況下，溫度損失量仍然可以忽略不計，滿足試驗溫度要求。

圖5 有保溫和無保溫情況下溫度損失對比

聯立方程(4)(5)可得到該溫控系統的反應時間為

當單支路管長度=3 m時，則得到目標溫度的反應時間為=2.7 s。

3 結論

(1)以能量守恒定理、熱傳遞理論為基礎，以液壓元件高加速可靠性研究試驗臺為依托，采用冷熱雙控調節法來實現各個溫升、溫降加速應力及恒溫加速載荷剖面的隨機選取；

(2)通過計算并對比了油路管道保溫處理和非保溫處理的溫度損失，得出非保溫處理能滿足液壓元件高加速試驗溫度控制需要的結論，且達到的目標溫度誤差可控制在0.1 ℃內；

(3)設計的液壓元件高加速試驗溫控系統的溫升和溫降反應時間短，3 s內能達到目標溫度。