介質(zhì)彈性對(duì)風(fēng)洞液壓控制系統(tǒng)影響的分析與測(cè)試

王 帆 ,沈 紅 ,李樹(shù)成

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

某高速風(fēng)洞研制一套快速模型插入機(jī)構(gòu),采用氣液增速缸驅(qū)動(dòng),氣液缸行程1000mm,液壓回路工作壓力18MPa。插入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行程800mm,插入時(shí)間0.3s以?xún)?nèi)。圖1為原理圖。

圖1 機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)示意圖Fig.1 The diagram of the executive hydraulic system

承制單位在設(shè)備調(diào)試時(shí),發(fā)現(xiàn)蓄能操作過(guò)程中(油缸上腔增壓至18MPa),下活塞桿帶動(dòng)模型、支架出現(xiàn)將近40mm的下降。仔細(xì)檢查油路、油缸、閥門(mén),均未發(fā)現(xiàn)明顯泄漏,因此無(wú)法判斷原因。

在全面分析現(xiàn)象后,認(rèn)為這種現(xiàn)象的發(fā)生,是由于氣液缸的下活塞腔中液體彈性壓縮所致,并對(duì)此進(jìn)行了分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 液體傳動(dòng)介質(zhì)的彈性

一般情況下,人們認(rèn)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(shí)際上,液體在高壓狀態(tài)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(duì)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(cè)量

2.1 容積法

要定量分析液體介質(zhì)彈性對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響,首先要準(zhǔn)確測(cè)量液體的彈性模量。從原理上,將封閉在一定容積內(nèi)的液體施加壓力,測(cè)量不同壓力下容積的變化量,再應(yīng)用公式(1)計(jì)算出K。

利用實(shí)驗(yàn)室的一支油缸進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)時(shí),將油缸活塞桿全部縮回,往有桿腔灌滿(mǎn)液壓油后,用堵頭把油口堵死,將無(wú)桿腔連在油源上。隨著油源壓力升高,發(fā)現(xiàn)活塞桿向外伸出。記錄壓力ΔP與活塞桿的長(zhǎng)度變化量Δ S。試驗(yàn)用油缸的缸徑63mm,活塞桿直徑35mm,行程750mm,可以計(jì)算出活塞桿伸出長(zhǎng)度變化引起的受壓油液的體積變化量。利用公式(1),可以計(jì)算出各個(gè)壓力下的K。

圖2為測(cè)試裝置的組成原理。利用這套系統(tǒng),進(jìn)行了體積彈性模量的測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表1。

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

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

這種測(cè)量方法簡(jiǎn)單,但是由于活塞總是存在一定的泄漏,可能影響測(cè)試精度。

2.2 壓力沖擊法

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

在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的厚壁管道兩端設(shè)置壓力測(cè)點(diǎn),在管路一端利用多級(jí)電磁溢流閥瞬間變化壓力產(chǎn)生管道內(nèi)的液壓沖擊。壓力波到達(dá)A、B兩個(gè)壓力傳感器的時(shí)間有一個(gè)差值 ：

C為壓力波在管道內(nèi)傳播的速度。

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圖3 壓力沖擊法測(cè)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(nèi)徑;δ為管道壁厚;C1與管道材質(zhì)、約束方式有關(guān)的系數(shù),通常取1.0。

文中是厚壁不銹鋼管道,E為2.1×105MPa,K預(yù)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(nèi)液體的質(zhì)量,在測(cè)試過(guò)程中基本不變。因此,壓力升高,ΔV增加,ρ會(huì)增大。利用公式(1)、(7)及表 1 的結(jié)果,可以計(jì)算出ρ/ρ0隨 ΔP的變化關(guān)系,見(jiàn)圖4。ρ0為大氣壓下油液的密度。從圖中可以看出,在風(fēng)洞液壓系統(tǒng)常用壓力范圍,油液密度變化不超過(guò)4%。

圖4 密度隨壓力變化關(guān)系Fig.4 The relation between density and pressure

在確定ρ后,測(cè)量K的關(guān)鍵是τ的測(cè)量。

相關(guān)函數(shù)rxy最大值對(duì)應(yīng)的t,即為信號(hào)從 A點(diǎn)至B點(diǎn)傳輸時(shí)的τ(圖5)。

測(cè)量不同壓力下A點(diǎn)、B點(diǎn)的壓力值,應(yīng)用相關(guān)函數(shù)的分析方法,求出 A點(diǎn)至B點(diǎn)的壓力波傳輸時(shí)間τ,利用公式(6)和圖 5曲線,計(jì)算出 K。試驗(yàn)時(shí)：T=20℃,L=2135mm,ρ0=875.17kg/m3,結(jié)果見(jiàn)表 2。

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

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

2.3 小 結(jié)

從表1、2中可以得出：

(1)目前,風(fēng)洞液壓系統(tǒng)的常用運(yùn)行壓力多在25MPa以?xún)?nèi),最高不超過(guò)31MPa。從試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果看,K可以達(dá)到1000MPa(須經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行,排凈空氣后)。因此,設(shè)計(jì)中選用K=900～1000MPa是合理的;

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

3 分 析

按照上述的測(cè)試結(jié)果,對(duì)快插機(jī)構(gòu)調(diào)試中的現(xiàn)象進(jìn)行分析。

機(jī)構(gòu)使用的油缸,無(wú)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(shí),無(wú)桿腔增壓到18MPa,按照面積比計(jì)算有桿腔的壓力為35.44MPa。在這個(gè)壓力下,按照K=1000MPa計(jì)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(nèi)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(huì)更多一些。

4 結(jié) 論

(1)一般情況下,人們常常認(rèn)為液壓油是不可壓縮的傳動(dòng)介質(zhì)。但是,風(fēng)洞中液壓系統(tǒng)運(yùn)行壓力和傳動(dòng)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(cè)試方法容易在工程上應(yīng)用。通過(guò)分析和測(cè)試,風(fēng)洞液壓系統(tǒng)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(jì)算系統(tǒng)的相關(guān)性能。具體要看液壓系統(tǒng)的排氣程度等因素;

(3)利用測(cè)試結(jié)果,對(duì)研制的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,認(rèn)為發(fā)生機(jī)構(gòu)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(jié)果與調(diào)試中實(shí)際測(cè)試到的位移量符合。為機(jī)構(gòu)進(jìn)一步調(diào)試鋪平了道路。

[1]劉長(zhǎng)年.液壓伺服系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1989.

[2]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1997,(19)：17.