壓力傳感器壽命考核電液脈沖試驗(yàn)臺(tái)水錘波仿真分析

李鵬程，田嘉偉，李曉旭，張文博，時(shí)會(huì)強(qiáng)，李中宇

(1.海裝沈陽局，遼寧沈陽 110000；2.國家儀器儀表元器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，遼寧沈陽 110043)

0 引言

壓力傳感器作為信號(hào)反饋部件，廣泛應(yīng)用在液壓回路控制系統(tǒng)中。液壓回路控制系統(tǒng)在工作過程中不可避免地產(chǎn)生油液壓力急劇升降的波動(dòng)現(xiàn)象，這種波動(dòng)現(xiàn)象是由于油液本身及運(yùn)動(dòng)部件的慣性所導(dǎo)致的。油液在瞬間被壓縮，系統(tǒng)壓力瞬時(shí)上升，從而產(chǎn)生液壓脈沖。瞬時(shí)液壓脈沖的壓力峰值會(huì)對(duì)液壓回路控制系統(tǒng)的組成元件造成壓力過載破壞；交替作用的液壓脈沖施加在液壓回路控制系統(tǒng)的各組成元件上，形成循環(huán)脈沖疲勞作用。液壓脈沖現(xiàn)象中以水錘波的破壞性最大[1]。研制的電液脈沖試驗(yàn)臺(tái)依據(jù)GB/T 15478—2015《壓力傳感器性能試驗(yàn)方法》條款5.10.2.1循環(huán)壽命試驗(yàn)并選取產(chǎn)品規(guī)范要求的水錘波波形對(duì)壓力傳感器進(jìn)行壽命考核，電液脈沖試驗(yàn)臺(tái)通過模擬電液閥在液壓系統(tǒng)工作過程中的開閉和換向動(dòng)作而產(chǎn)生水錘波形，瞬時(shí)高于工作壓力的峰值和循環(huán)水錘壓力疲勞實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器耐受能力的考核。

電液脈沖的發(fā)生受多參數(shù)分布式影響，預(yù)期波形的實(shí)現(xiàn)需要系統(tǒng)內(nèi)各參量的匹配調(diào)節(jié)，利用軟件對(duì)電脈沖試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行仿真分析，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化并縮短設(shè)計(jì)周期，整體上達(dá)到提升系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性的目的。

1 電液脈沖試驗(yàn)臺(tái)原理

電液脈沖試驗(yàn)臺(tái)主要由液壓動(dòng)力源模塊、脈沖控制模塊、增壓驅(qū)動(dòng)模塊組成。液壓動(dòng)力源模塊作為整個(gè)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力來源，主要由油箱、電動(dòng)機(jī)、液壓泵、溢流閥組成，電動(dòng)機(jī)持續(xù)驅(qū)動(dòng)液壓泵工作從介質(zhì)箱抽取油液輸送至后續(xù)模塊，通過溢流閥向介質(zhì)箱排回多余介質(zhì)以維持系統(tǒng)恒定壓力和流量。脈沖控制模塊主要由蓄能器、比例電磁閥、電液換向閥組成，通過電液閥的比例、換向、泄壓等作用，使輸送來的液壓產(chǎn)生預(yù)期的波形曲線。增壓驅(qū)動(dòng)模塊主要由增壓缸(驅(qū)動(dòng)缸、活塞、高壓缸)、壓力傳感器組成，增壓缸的活塞兩端設(shè)計(jì)為成比例的受壓面積，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)缸側(cè)油液壓力到高壓缸側(cè)油液壓力的比例倍數(shù)變換，并將變換后的壓力輸送至試驗(yàn)件。電液換向閥開啟后，系統(tǒng)液壓油進(jìn)入驅(qū)動(dòng)缸內(nèi)迅速推動(dòng)活塞從驅(qū)動(dòng)缸側(cè)向高壓缸側(cè)運(yùn)動(dòng)，由于試驗(yàn)件處于末端封閉環(huán)節(jié)，且管路容腔油液具有一定的彈性，故產(chǎn)生液壓撞擊的水擊現(xiàn)象。再因液壓油本身的黏性，脈沖波立即衰減并穩(wěn)定至系統(tǒng)壓力，電液換向閥關(guān)閉時(shí)，驅(qū)動(dòng)缸側(cè)液壓油沿回油口泄壓，活塞受高壓缸側(cè)油液壓力作用相應(yīng)復(fù)位，至此完成1次壓力循環(huán)[1]。電液脈沖試驗(yàn)臺(tái)各模塊組成原理如圖1所示。

圖1 電液脈沖試驗(yàn)臺(tái)組成原理圖

電液脈沖實(shí)質(zhì)是液壓油的動(dòng)能瞬間向壓力能轉(zhuǎn)換的過程，根據(jù)能量守恒定律可推出壓力升高值Δp為：

Δp=ρcv

(1)

式中：ρ為液壓油密度，kg/m3；c為脈沖波在管道中的傳播速度，m/s；v為油液流速，m/s。

2 電液脈沖系統(tǒng)建模與仿真

通過直觀化的圖形軟件平臺(tái)對(duì)電液脈沖系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，整個(gè)過程無需編程，僅依據(jù)實(shí)體元件信息進(jìn)行參數(shù)輸入就可以完成模型建立，建模過程可充分利用軟件本身的標(biāo)準(zhǔn)庫及擴(kuò)展庫資源。新建項(xiàng)目后，首先在草圖模式下創(chuàng)建系統(tǒng)模型圖，然后對(duì)每個(gè)元件配置數(shù)學(xué)子模型，隨后在參數(shù)配置模式下對(duì)子模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最終在仿真模式條件下對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真[2]。

2.1 創(chuàng)建系統(tǒng)模型

系統(tǒng)組成元件中除增壓缸以外均為標(biāo)準(zhǔn)元件，這些標(biāo)準(zhǔn)元件可從軟件本身豐富的庫資源中選取，建模的過程就是調(diào)用庫資源中合適的元件進(jìn)行組合匹配。調(diào)用的庫資源主要為液壓庫和液壓元件設(shè)計(jì)庫，另外還需要調(diào)用機(jī)械庫和信號(hào)控制庫對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行完善。其中脈沖發(fā)生的核心元件——增壓缸，可對(duì)實(shí)體元件進(jìn)行模型抽象，調(diào)用液壓元件設(shè)計(jì)庫中的活塞元件和機(jī)械庫中的質(zhì)量模塊組合搭建。電液脈沖系統(tǒng)模型如圖2所示。

1—主油箱；2—主泵電機(jī)；3—主泵；4—單向閥；5—溢流閥；6—蓄能器；7—比例電磁閥；8—電液換向閥；9—脈沖增壓缸；9-1—驅(qū)動(dòng)缸；9-2—高壓缸；10—試驗(yàn)件；11、12、13—電信號(hào)

2.2 子模型模式

圖2模型中的各元件在確保正確連線后進(jìn)入子模型模式，在子模型模式下為各元件分配子模型?？紤]流體慣性作為脈沖產(chǎn)生的主要因素，連接高壓缸出口至試驗(yàn)件的管路元件在分配模型時(shí)需要考慮到慣性、容性、阻性因素。剩余元件在分配時(shí)選擇首選子模型。

2.3 參數(shù)模式

子模型模式下確定子模型后，進(jìn)入?yún)?shù)模式對(duì)各元件的具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。主要參數(shù)見表1，剩余未表參數(shù)選擇缺省值。

表1 模型元件參數(shù)設(shè)置

2.4 仿真分析

參數(shù)模式下合理設(shè)置參數(shù)后進(jìn)入仿真模式。首先針對(duì)仿真運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，開始時(shí)間設(shè)置為0 s，終止時(shí)間設(shè)置為3 s，打印間隔設(shè)置為0.001 s。初始設(shè)置參數(shù)的仿真結(jié)果見圖3，由曲線可知水錘波峰值達(dá)到了1.5倍的試驗(yàn)壓力，符合相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范要求，表明電液脈沖系統(tǒng)仿真模擬參數(shù)的選擇在合理范圍內(nèi)。為分析對(duì)脈沖波形影響的因素，分別對(duì)液壓油體積模量、試驗(yàn)件容積、比例流量閥輸入電流(影響開口度大小)、高壓缸至試驗(yàn)件管路管徑進(jìn)行修改，設(shè)置參數(shù)如表2所示，得到相應(yīng)的仿真曲線并保存。

圖3 仿真波形

表2 模型元件修改設(shè)置參數(shù)對(duì)比表

圖4為變參數(shù)仿真波形結(jié)果，圖4(a)分別為液壓油體積彈性模量在1 700 MPa和700 MPa時(shí)的脈沖仿真曲線，從圖中可明確當(dāng)體積彈性模量增大時(shí)，壓力升率及峰值增大，由于體積彈性模量越小則油液的可壓縮性越大，單位時(shí)間需要更多的流量，又因系統(tǒng)流量恒定，所以導(dǎo)致壓力升率及峰值下降。圖4(b)分別為試件端容積為0.5 L和1 L的脈沖仿真曲線，試驗(yàn)件容積越大所需求的流量就越高，壓力升率及峰值就越低。圖4(c)為比例電磁閥在不同輸入電流時(shí)的脈沖仿真曲線，電流越大，比例電磁閥的開口度越大，閥的通流能力越強(qiáng)，流速也增大，引起相應(yīng)升率和壓力峰值的增加，但由于比例電磁閥的壓力-流量特性為非線性關(guān)系，所以相應(yīng)壓力升率和壓力峰值與比例電磁閥的輸入電流為非線性關(guān)系。圖4(d)為高壓缸至試驗(yàn)件這段管路的管徑分別選擇6、 8、10、14 mm的脈沖仿真曲線，該段管徑越大，脈沖波傳播速度越低，但管徑過小會(huì)造成沿程壓力損失過大，從仿真曲線觀察可知，管徑選擇8 mm比較合理，相應(yīng)升率及壓力峰值符合相應(yīng)規(guī)范要求。

(a)液壓油體積彈性模量

3 結(jié)論

通過對(duì)電液脈沖試驗(yàn)臺(tái)的仿真表明：電液脈沖的產(chǎn)生與多因素相關(guān)聯(lián)，包括油液體積彈性模量、試驗(yàn)件容積、管路配置、比例電磁閥輸入電流等。其中，需控制油液含氣量以保證系統(tǒng)具備較大的綜合體積彈性模量；調(diào)節(jié)比例流量閥的輸入電流可以滿足不同容積的試驗(yàn)件；合理選擇管徑可以避免沿程壓力損失對(duì)波形造成的影響。