低溫環境下液壓元件及系統研究綜述

陳英龍，郝新娟，宋甫俊，張增猛，弓永軍

(大連海事大學船舶與海洋工程學院，遼寧大連 116026)

0 前言

習總書記在2017年聯合國演講中提出，要把深海、極地、外空、互聯網等領域打造成各方合作的新疆域。人類正處在大發展、大變革、大調整時期，世界多極化、經濟全球化深入發展，新一輪科技革命和產業革命正在孕育成長。隨著現代科技的不斷進步，很多機電液壓系統開始應用到低溫極寒地區。某些高緯度的高寒氣候國家和地區，其溫度一般在-30 ℃左右，在冬季則會更低。極地冰層覆蓋減少推進北極航運海上航線的開通等，這些極端溫度條件要求了傳動系統應該能在-40 ℃甚至以下的極寒環境下正常運作，其設備的保存溫度要求也降低到了-60 ℃，這就對整個系統提出了嚴峻的考驗。

現今最常用于傳動系統方法有電機傳動和液壓傳動，電機驅動精確度高，調速方便，但其推力較小，在一些重型機器中就不適用了。與電機驅動相比，液壓驅動雖然對環境要求高，但體積小，可以輸出大的推力或大轉矩，能夠大大加快工作效率。綜合比較來說，液壓驅動可以實現低速大噸位運動，這是其他傳動方式所不能及的突出優點，說明了低溫環境下液壓系統的研究是很有必要的。

在航空航天研究中，航空飛機完成任務時需要經常飛行在幾千米之上的高空中，其所處的環境溫度最低可達-55 ℃。然而，極低的溫度會造成飛機上液壓系統的故障發生，比如航空液壓系統原材料的某些物理特性發生改變，以及液壓油黏度的增大影響系統的正常運行等。為了解決故障以及優化飛機液壓系統裝置方案，杜芳莉等針對飛機用液壓系統產品在-50 ℃左右時的低溫特性進行研究；溫育明等則研究了低溫對飛機液壓系統性能的影響，并提出PTC加熱片給液壓油箱加熱的方案，解決了液壓系統低溫問題；陳經躍等根據液壓泵在低溫試驗中出現的滲油故障進行低溫分析研究。通過考慮在低溫環境下航空航天領域的液壓問題，為低溫航空航天液壓的研究提供幫助。

此外，隨著極地區域的資源逐漸被開發，極地溫度一般在-50 ℃左右，船舶在極地水域航行時危險系數將大大增加，在發生海難事故后，船員生存和獲救的概率會大大降低。因此，對航行于極地水域船舶設備的配備要求更加嚴格。極地船舶的航行和運作的研究面對著巨大挑戰的同時也成為新的發展研究趨勢。王德嶺和鄭劍根據《極地規則》提出對于極地中船舶露天液壓設備要求的應對措施。袁艷艷等主要針對低溫環境以及大溫差工況對液壓馬達密封性的影響，考慮了研究材料在極地環境下的壓縮變形問題。在大溫差的作用下，元件密封受到極大影響主要有4個方面：低溫材料選型及關鍵摩副匹配性設計、大溫差下關鍵摩擦副配合間隙設計、低溫密封件選型以及低溫液壓油選型。

綜上可知，諸多領域都有著對低溫液壓技術的需求，研究低溫液壓不僅能夠拓展液壓領域的研究范圍，也是液壓領域研究的一個新的方向。有關低溫液壓技術的需求日益增加，使極低溫度下液壓系統正常運作成為現在的熱門研究話題，是亟需攻克的一大難題。

目前關于低溫環境下液壓元件及系統的研究，主要可以分為以下3個方面：

(1)液壓介質及材料低溫特性。實驗驗證各種類型的油液特性并分析，從而探討其對整個液壓系統的影響。液壓元件材料的物理性質都具有熱脹冷縮的特性，其體積在極低溫度下會發生一定的收縮，影響配合精度甚至系統的正常運行，受到低溫以及熱沖擊的影響，熱膨脹率相似的材料作為有互相配合的元件，能夠在一定程度上減小收縮影響元件配合的問題。

(2)液壓元件低溫特性。液壓元件之間的間隙也會受到極低溫度的影響而發生變化，對不同的液壓元件如液壓泵、液壓馬達、液壓閥等進行低溫狀況下的理論與試驗研究，根據摩擦副的配合間隙以及油液介質的黏溫特性進行分析。

(3)液壓系統低溫啟動特征。主要是研究液壓系統在啟動性方面的特性，即通過設計液壓系統低溫實驗方案，根據不同的低溫保護措施，將最能影響到液壓系統在啟動問題上的方案分別優化分析，進一步完善試驗方案。其中，啟動問題一般可分為液壓系統受低溫環境影響的冷啟動問題和在運行后產生的熱量對液壓系統的啟動造成的熱沖擊問題。

雖然低溫環境下液壓元件及系統的研究已經取有了一定的進展，但目前低溫液壓相關試驗臺和實驗方案仍需不斷完善，還存在控制復雜及效率低等問題。同時，目前尚缺少系統性介紹液壓介質、液壓元件、液壓系統低溫工作特性的綜述性文獻。本文作者首先總結了低溫環境對液壓油性質的改變以及油液黏度對整個液壓系統的影響情況，再從液壓元件出發，分別介紹了低溫下的摩擦副間隙和液壓元件的摩擦磨損，最后針對低溫液壓現存的問題，展望了未來的研究趨勢。

1 低溫環境下液壓油的研究

1.1 低溫液壓油的低溫特性

隨著低溫環境下液壓油液研究的逐漸增多，現階段低溫液壓油的種類有了更多的選擇。低溫液壓油的流動性是一個重要性質，判斷流動性能的指標為油液的凝點和傾點。液壓油的凝點越低，越不容易在低溫環境下凝固；其傾點越低，油液在低溫下的流動性越好。

航空液壓油一般適用于航空液壓系統中，傾點可達-60 ℃左右；低凝抗磨液壓油，如L-HV和L-HS，具有良好的黏溫特性和低溫特性；多級液壓油則有較高的黏度指數，低溫性能優良，一般通過加入黏度指數改進劑來提高黏度指數。通過對比不同液壓油的黏度隨溫度的變化，特別是在極低溫度下的黏度大小，來選擇合適的型號。

由表1和表2可知，不同型號的液壓油在低溫環境下的黏度也不同，一般會隨著溫度的降低而提高。當溫度低于-20 ℃時，油液的黏度急劇增大，隨著溫度繼續降低，在-40 ℃及-50 ℃左右，油液的黏度成倍增大。選用時，不能只通過油液的凝固點或傾點來判斷是否符合低溫用油標準，例如選出來的液壓油雖有較低溫度的凝固點，但其黏溫特性較差，仍會影響系統的正常運作。針對上述情況，在選擇低溫液壓油時，其低溫黏度一般不要超過1 000 mm/s，具體應結合泵的類型及液壓系統工作部件的運動來考慮。

表1 航空液壓油部分參數

表2 其他類型液壓油的部分參數

1.2 液壓油的低溫特性測試方法

液壓油的低溫特性主要表現在黏度上，即溫度升高，黏度降低，液壓油流動性好，但與此同時會減小其潤滑的作用；溫度降低時，黏度增大，液壓油流動性差，在管路或者液壓元件中流動時阻力增大，甚至導致整個液壓傳動系統滯停。例如在低溫條件下，液壓阻尼器中的油流動性也隨著變差，導致阻尼力在阻尼器運動開始時急劇增大，影響系統的正常運行。根據此特性，為了找出更適合在低溫環境中應用的液壓油型號，研究人員主要從黏度的角度著手實驗研究。

圖1 YH-15航空液壓油的黏溫變化趨勢[19]

黃河等人提出一種液壓油的黏溫特性測試方法，通過在常壓下測試YH-15航空液壓油在-55～135 ℃內某些溫度點的黏度，分段計算出YH-15航空液壓油的黏溫特性曲線公式，如圖1所示。孫玉清等則從液壓系統管路內層流流動、湍流流動出發，研究液壓系統管路內的速度分布。陳新峰提出一些改進措施和方法以減少低溫工作時出現的故障。劉淑真和付洪瑞通過測定在-10～-40 ℃內不同溫度時單種油樣以及混合油樣低溫運動黏度,研究了低溫對潤滑油性能的影響。LIU等在研究超低溫下高速軸承的液壓伺服加載系統時，使用了編號為10的航空液壓油作為系統的介質，它可以承受-70 ℃的低溫。

研究結果表明:低溫環境下的液壓油，不論是作為介質還是潤滑，其黏度會隨著溫度的降低逐漸增大，流動性逐漸變差，這對于整個系統的運行都極為不利。這就表明：在選擇低溫液壓油時，應將其黏溫特性的優良作為第一準則。當然，如果考慮液壓系統的低溫啟動問題考慮，應結合液壓油的低溫黏度和凝固點的特性。

2 低溫環境下液壓元件工作特性的研究

液壓系統在低溫環境下工作時，其液壓元件也會受到溫度變化的影響。液壓元件材料具有熱脹冷縮的性質，即溫度升高，元件體積會相對增大，溫度降低體積則會相對縮小。根據這一物理特性，可以研究低溫環境液壓元件的配合間隙變化，還可以分析低溫實驗中幾何測量發生誤差的問題，并在元件材料選型上提前做好準備，進而避免或減少溫度因素帶來的干擾。

2.1 低溫環境下摩擦副的間隙特性

極低溫度時啟動液壓系統，由于整個液壓系統和油的溫度與環境溫度不同，液壓油在輸送到冷卻裝置前被加熱到比環境溫度高得多的溫度，會出現熱沖擊現象。這種熱膨脹現象會引起組件元件尺寸的動態變化，元件之間的間隙大小也會隨著熱油和冷液壓裝置之間的溫差發生變化，其中之一是在液壓缸體孔中移動的活塞之間的有效間隙()，如圖2所示。元件之間的間隙、還會受到元件所用材料種類和形狀的影響。

圖2 有效間隙變化的示意圖[14]

除此之外，液壓元件之間的間隙還受到元件材料的影響，主要表現為不同材料的熱膨脹系數不一樣，受溫度影響時，材料體積變化也不同，導致間隙發生變化。就相匹配的元件而言，在熱沖擊條件下啟動時，不同材料的液壓元件會影響它們之間有效間隙的大小，相對應的不同材料，線性膨脹可能也有很大差異。在低溫環境的研究中選擇線膨脹系數相近的、較小的材料，這對于減小因膨脹系數不同而產生軸系間隙變化量尤為重要。然而，如今材料的熱膨脹計算和應用方式已成體系，導致計算方法不適用低溫情況下變形及裝配問題。為了解決這個問題，嚴不渝提出了在低溫下材料熱膨脹計算的方法并應用驗證。

低溫環境下，元件材料也影響到系統的運行，因此選擇耐低溫的元件材料也是必要的。LIU等在研究超低溫下高速軸承的液壓伺服加載系統時提出，溫度是材料從韌性到脆性轉變的重要因素。目前所知的兩種低溫鋼為低溫奧氏體鋼和低溫鐵素體鋼。

2.2 低溫環境下液壓元件的摩擦磨損

低溫環境下，由于液壓元件的力學性能受到不同程度的影響，以致部分液壓元件的摩擦副之間的摩擦增大，從而影響其磨損特性。WAN等在不同溫度下施加不同大小的負載，對甲板機械液壓葉片電機中的片頭和定子進行了低溫磨損試驗，分析得出：低溫下摩擦副材料的硬度比常溫下要大，同時液壓油黏度增大，使摩擦因數和磨損質量損失減小，當溫度降至-40 ℃或更低時，它們趨于穩定。

袁柳櫻等通過對柱塞-缸體間的油膜厚度進行理論計算與分析，進一步分析柱塞-缸體間的傾角、供給壓力、柱塞自轉及偏心距等相關因素對油膜壓力分布的影響，得出一般轉速提高、摩擦熱加大，引起黏度變大、摩擦力和磨損也增加的結論。所以為提高摩擦副接觸面之間的潤滑性能，應合理控制滑動面間形成的液體潤滑膜厚度，防止摩擦副磨損或燒壞。

在液壓元件的機構中存在著大量間隙配合，這些間隙主要是流體引起的，即配合間隙中為流體摩擦。鄧江洪等對于液壓元件結構中配合間隙展開研究，通過仿真研究了間隙內油液溫度變化對元件性能的影響，發現液壓元件配合間隙的流體動壓潤滑機制中潤滑與摩擦之間的關系(見圖3)，為液壓元件摩擦副設計提供參考。

圖3 潤滑與摩擦關系圖[30]

而為了可以測量發動機或其他類似的不同型號擺動摩擦副的摩擦磨損特性，趙俊生等則設計一種擺動摩擦副的摩擦磨損試驗臺，它由擺動機構、液壓加載系統、數據采集和 PC控制系統三大部分組成。該試驗臺為低溫環境下的摩擦副研究提供了理論基礎和經驗。

3 低溫環境下液壓系統的研究

3.1 液壓系統的低溫啟動特性

從低溫環境液壓系統工作特性的角度分析，常見的挑戰是冷啟動問題：處于極低溫度下的液壓油受到溫度影響，黏度大，直接影響泵的自吸能力，嚴重時可能會引起液壓泵不能啟動的問題，從而影響整個液壓系統的正常工作。

然而有些工況條件下，為了保證油液能夠順利流動，油箱或油箱中的油液會被加熱，而此時執行元件仍處于極低的環境溫度下(如極地船舶的甲板機械液壓系統)。當加熱后的液壓油液進入冷部元件中時，就會出現熱沖擊現象。在熱沖擊條件下，油液從液壓泵到執行元件的流動會形成熱傳遞，流動的液壓油液會逐漸改變液壓元件內零部件的溫度。由于液壓元件內外部件溫度的不均衡，會引起元件摩擦副配合間隙的變化。工作介質和低溫液壓元件之間的溫差越大，在啟動期間摩擦副間隙的變化就會越明顯，當溫差達到一定值時，摩擦副配合間隙可能完全消失，直接導致閥芯等運動部件卡死，進而導致液壓元件和系統的故障。

如圖4所示；是幾何間隙，是裝配間隙，是有效間隙。熱沖擊條件下，液壓裝置配合元件的實際尺寸決定了幾何間隙。在液壓單元的組裝過程中，由于組裝夾具時產生的彈性變形Δ，從而使變小。此時的幾何間隙變為裝配間隙。油壓作用引起的液壓元件的彈性變形Δ和子系統中協作元件的線性熱膨脹差值Δ也都影響著有效間隙。其中，當液壓單元在熱沖擊條件下供油時，單元腔內的壓力越高，液壓元件彈性變形產生的有效間隙增加越多。

圖4 熱沖擊條件下確定液壓裝置配合元件間有效間隙的尺寸分析[15]

低溫環境下冷啟動時，為了保證液壓泵的啟動安全，有研究人員在泵內集成了一種冷啟動閥進行調節，在液壓泵工作后用于檢測液壓泵吸油口的油壓，當吸油負壓達到了設定值，冷啟動閥就會開啟，補油泵驅動液壓油溢流，此時液壓泵不輸出，一直處于溢流加熱，保證油液溫度滿足設定條件后液壓泵開始工作；還可以在油箱內安裝加熱器或者通過氮氣加壓裝置以及專門設計自吸能力強的齒輪泵等方案來解決泵吸油困難的問題。

而對于油液的熱沖擊問題，通過試驗和計算，確定熱沖擊條件下液壓組件的允許啟動參數，可以解決熱沖擊下的啟動問題。而允許啟動參數的基本設計因素又是有效間隙，有效間隙定義了協作元件表面之間間隙的尺寸。在熱沖擊條件下影響液壓組件正確啟動的參數包括：工作介質(液壓油)的流速、油溫和對應環境溫度的部件的初始溫度。

在熱沖擊條件下，如果啟動液壓部件時計算的有效間隙值為適當的正值(即大于最小間隙)，那么該部件將無故障工作。為提升低溫環境下液壓系統無故障啟動性能，常用一些輔助手段進行分析。在低環境溫度下確定液壓組件無故障啟動的參數的3種方法為：試驗方法、分析方法和計算機模擬方法。這3種方法對于低溫環境下無故障啟動的研究具有重要參考意義。

3.2 低溫液壓系統實驗分析

在極地和高寒環境下液壓研究的趨勢下，為了滿足在極低溫度下液壓系統的應用需求，制定不同應用領域液壓系統的原理方案，增強系統的可靠性。相關科研人員已經針對低溫環境設計相應的液壓系統，并通過試驗進行分析驗證，補充了現有低溫液壓系統研究的盲區。

在低能耗飛機的低溫試驗方案設計中，杜芳莉等對液壓系統進行低溫測試試驗，其設計原則是把需要測試的部分放到低溫環境中，而把非測試元件放在測試環境之外，這樣可以減少試驗誤差，保證試驗的可靠性。對所提出的2種設計方案進行了優化設計進而提出通過物理隔離2個不同溫度的系統，同時通過設計流量整流橋提高效率。該試驗方案就其他液壓系統低溫試驗的可靠性驗證而言具有重大參考價值。

木蘭溪的流域面積約為1732km2，河道總長為105km，在當地享有“母親河”的美譽。木蘭溪的源頭位于仙游西苑鄉，出海口位于涵江三江口。此河流不僅孕育了莆仙的水利文化、農耕文化，還孕育了當地的民俗特色文化，該地區的兩岸風光較為秀美，具有多種類型的觀光景點，旅游資源較為豐富。與此同時，木蘭溪還是莆田市經濟、政治以及文化中心，并且是重要的交通樞紐，該地區經濟較為發達，且人口較為集中。

在超低溫環境下，LIU等為了測試空氣軸承的疲勞性能，設計并分析了超低溫下高速軸承的液壓伺服加載系統。根據加載環境的要求，首先設計了一種可以克服高頻干擾影響的液壓伺服加載系統；然后在計算出的液壓系統中選擇具有相關參數的組件；最后，通過AMESim軟件對液壓系統進行了仿真和分析，驗證了設計的可行性。為低溫試驗設計研究方法，指導了低溫試驗的研究方向。

4 低溫環境液壓加熱研究

改善低溫環境下的液壓系統工作狀況的重要方法是加熱方法。研究人員經常通過加熱液壓系統的部分裝置或部件，來達到保障系統正常運作的目的。

陳新峰提出對長時間暴露在低溫環境中的液壓管路和液壓缸采用電伴熱保溫，通過伴熱媒體發熱進行熱交換，液壓管路和油缸的油液能迅速提溫，達到系統的工作要求。高立全和王佳在關于極寒地區中甲板機械裝置的研究中，同樣對受低溫影響大的部件設計了電伴熱裝置，通過加熱保溫保證了系統的正常運行。

但對于低溫環境下的液壓系統而言，加熱并不能解決所有的問題(如處在極低溫度下工作的甲板機械裝備)，因此還需要做更深入的研究。

5 結論

隨著現實中對液壓的低溫下性能的要求越來越緊迫，如何將液壓技術應用到低溫環境是當前的關注熱點。眾所周知，了解低溫對液壓的影響及處理低溫液壓問題則是當前首要，然而，國內在這方面還未有完整的敘述。因此，通過歸納低溫度環境下液壓材料、元件以及整個系統的國內外研究現狀，詳細闡述了低溫對液壓油、液壓元件、液壓系統方案造成的影響和機制，并對當前所提出的解決方案做整理總結。解決方案主要包括處于低溫中的裝置的保溫設計、油液循環流動系統原理的設計、耐低溫的實驗材料的選用等。

文中雖然歸納了低溫的液壓特性和解決措施的研究現狀，實際上尚有較多的相關研究并未考慮，例如，低溫下振動對液壓的影響、低溫下泄漏對液壓的影響及低溫下溫差變化對液壓的影響等。總而言之，低溫液壓的研究終究要與現實接軌，尤其是隨著北極航道的研究價值與日俱增，如何實現低溫液壓的實際需求具有極大的研究意義。可見，低溫液壓的研究和發展將迎來一個黃金時代。