液壓油有效體積彈性模量檢測技術(shù)研究

李志豐，鄧新源

（湖南省產(chǎn)商品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，湖南長沙 410021）

0 引言

研究液壓油有效體積彈性模量的檢驗(yàn)技術(shù)，簡化其檢測過程，提高檢測精度，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用意義和學(xué)術(shù)研究價(jià)值。液壓系統(tǒng)中的液壓油是能量傳遞和控制的載體，對(duì)主機(jī)的各種性能、參數(shù)具有重要影響，液壓油特性的變化會(huì)引起系統(tǒng)工作特性的變化。同時(shí)，液壓系統(tǒng)還需要由液壓油來潤滑，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，液壓油對(duì)其進(jìn)行沖洗并帶走熱量，并對(duì)系統(tǒng)的防銹發(fā)揮積極作用[1]。體積彈性模量體現(xiàn)了液壓油承壓的能力，是電液控制液壓系統(tǒng)的重要物理量：

式中 β——體積彈性模量，Pa

ΔP——壓強(qiáng)增量，Pa

ΔV——油液體積變化，m3

V——油液體積，m3

1 常用的彈性模量檢測方法

1.1 定義法

根據(jù)體積彈性模量定義，此方法原理相對(duì)簡單，且具有不同的實(shí)施方式。長期以來根據(jù)這一原理，國內(nèi)外科技工作者設(shè)計(jì)了原理相同但實(shí)施方式不同的各種檢測裝置。

1.2 波速法

對(duì)于工況及管路物理特性一定的液壓系統(tǒng)，壓力波或超聲波在油液中的傳播速度：

式中 C——傳播速度，m/s

βe——有效體積彈性模量，Pa

ρ——油液密度，kg/m3

2 新型彈性模量檢測方法

2.1 測試裝置原理

本文提出了一種基于可控脈沖壓力波速度測定的液壓油有效體積彈性模量檢測方法。波速法在油液密度的檢測方法中較成熟，油液的密度較容易檢測，即檢測出壓力波在油液中的傳播速度，通過式（2）就可計(jì)算出油液的有效體積彈性模量，研究測試可控脈沖壓力波在油液中的傳播速度。設(shè)計(jì)一種新型檢測裝置，該裝置原理如圖1 所示。

圖1 新型檢測裝置原理

其測試裝置，包括脈沖壓力波油路、測試油路、冷卻單元和加熱單元；脈沖壓力波油路包括系統(tǒng)油箱、主泵、遠(yuǎn)控卸載閥、比例伺服閥、第1 熱交換器、蓄能器、電磁換向閥和液壓增壓器；主泵的出油口經(jīng)過遠(yuǎn)控卸載閥與比例伺服閥的進(jìn)油口連接；比例伺服閥的油口與電磁換向閥對(duì)應(yīng)的油口連接；電磁換向閥的油口與液壓增壓器上對(duì)應(yīng)的油口連接；蓄能器設(shè)置在遠(yuǎn)控卸載閥上；第1 熱交換器設(shè)置在比例伺服閥的回油管路上；第1 熱交換器與冷卻單元連接。

測試回路包括介質(zhì)油箱、補(bǔ)油泵、液壓鋼管、液控單向閥和第2 熱交換器；液壓鋼管兩端分別通過液壓軟管與補(bǔ)油泵和液壓增壓器連接，液壓增壓器通過液壓單向閥回油到介質(zhì)油箱中；第2 熱交換器設(shè)置在液控單向閥的回油管路上；第2 熱交換器與冷卻單元連接。加熱單元由加熱油泵、第1 電磁閥、安全閥組成，加熱液壓油時(shí)，啟動(dòng)液壓油泵，可使介質(zhì)油箱內(nèi)的液壓油在油箱循環(huán)流動(dòng)，通過安全閥的溢流將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。

冷卻單元包括系統(tǒng)冷卻單元和介質(zhì)冷卻單元，其中系統(tǒng)冷卻單元由冷卻水泵、第2 截止閥、單向閥、第3 電磁閥、第2 電磁閥、第1 熱交換器組成。介質(zhì)冷卻單元由第1 截止閥、第4 電磁閥、第5 電磁閥、單向閥、第2 熱交換器和冷卻水泵組成。系統(tǒng)冷卻單元和介質(zhì)冷卻單元的原理相同，結(jié)構(gòu)相似。其中系統(tǒng)冷卻單元的單向閥并聯(lián)設(shè)置在第1 熱交換器一側(cè)的冷卻水回路上，當(dāng)?shù)? 熱交換器堵塞時(shí)，流向第1 熱交換器的冷卻水可通過單向閥回流入冷卻水箱中，減小元件損壞的可能。冷卻水回路上共設(shè)置有2 處電磁閥，分別為第2 電磁閥、第3 電磁閥，可通過兩處電磁閥控制冷卻水是否流入第1 熱交換器，方便切換第1 熱交換器的工作狀態(tài)。第1 熱交換器為板式換熱器。

2.2 測試裝置特點(diǎn)

（1）加熱單元和冷卻單元特點(diǎn)：①通過單向閥并聯(lián)設(shè)置在熱交換器一側(cè)的冷卻水回路上的設(shè)置，當(dāng)換熱器堵塞時(shí)，流向熱交換器的冷卻水可通過單向閥回流入冷卻水箱中，減小元件損壞的可能；②通過冷卻水回路上共設(shè)置有兩處電磁閥的設(shè)置，可通過兩處電磁閥控制冷卻水是否流入熱交換器，方便切換熱交換器的工作狀態(tài)；③該裝置結(jié)構(gòu)合理，使用可靠，方便切換換熱器的工作狀態(tài)，具有有效減小元件損壞的優(yōu)點(diǎn)。在測試過程中介質(zhì)油箱內(nèi)液壓油的溫度控制通過介質(zhì)油箱中的加熱單元和介質(zhì)冷卻單元來完成，液壓鋼管與介質(zhì)油箱中的液壓油通過補(bǔ)油泵和液控單向閥共同作用來進(jìn)行交互，達(dá)到控制液壓鋼管內(nèi)液壓油溫度的目的。

（2）壓力波為脈沖波，產(chǎn)生壓力波的原理：①啟動(dòng)主油泵，壓力調(diào)節(jié)至試驗(yàn)所需要的工作壓力，蓄能器持續(xù)蓄壓，通過工控機(jī)的信號(hào)控制，控制電磁換向閥和比例伺服閥的工作方位，使泵輸出的流量不進(jìn)入液壓鋼管和液壓增壓器內(nèi)，液壓鋼管也沒有產(chǎn)生壓力，流量為零；②由工控機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，按照要求設(shè)置實(shí)驗(yàn)頻率，使電磁換向閥調(diào)整至左位工作時(shí)，使油液迅速流進(jìn)增壓器的低壓腔，從而使低壓腔壓力升高，推動(dòng)活塞向壓力相對(duì)低的一側(cè)迅速運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)過程中壓力波在液壓鋼管內(nèi)傳播，在壓力測試點(diǎn)通過第1、第2 壓力傳感器測試液壓壓力的變化。在檢測過程中，重點(diǎn)關(guān)注2 個(gè)檢測點(diǎn)的壓力波動(dòng)，工控機(jī)通過控制比例伺服閥和電磁換向閥來調(diào)節(jié)壓力波的頻率。本實(shí)驗(yàn)選用的壓力波形是方波，方波的波形中有一段壓力相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

（3）壓力波在油液中傳播速度的測試過程：被試液壓鋼管內(nèi)的脈沖最大壓力值和頻率都可調(diào)，通過設(shè)定一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的壓力脈沖波，測量這兩點(diǎn)在產(chǎn)生脈沖波期間的壓力值，在裝置中通過第1 壓力傳感器、第2 壓力傳感器測得，繪制這兩點(diǎn)的時(shí)間壓力曲線圖（省去部分曲線）。如圖2 所示，A、B、C、D、E、F、G、H分別為同一壓力值時(shí)，兩個(gè)測試點(diǎn)在同一壓力時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，其時(shí)間值分別為TA、TB、TC、TD、TE、TF、TG、TH，那么T1=TB-TA，T2=TD-TC，T3=TF-TE，T4=TH-TG。最后取平均值T=（T1+T2+T3+T4）/4，可以根據(jù)需要取更多的值再計(jì)算，重復(fù)測量取均值使結(jié)果更加準(zhǔn)確，傳播距離2 m 可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，就可以得出壓力波的傳播速度C。

圖2 時(shí)間壓力曲線

（4）該檢驗(yàn)方法技術(shù)特征分析：①采用壓力波為脈沖波，對(duì)其頻率和波形以及實(shí)驗(yàn)時(shí)間可精確控制，對(duì)壓力波傳播速度可以進(jìn)行累計(jì)重復(fù)測量，再求平均值，從而提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度；②在被試液壓鋼管兩端用柔性的耐高壓液壓軟管連入檢測裝置，并將液壓鋼管固定在裝置架上，減少了壓力波反射后產(chǎn)生的回波現(xiàn)象，提高了檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性；③在被測液壓鋼管內(nèi)的壓力檢測點(diǎn)設(shè)有壓力傳感器，可以準(zhǔn)確測量測壓點(diǎn)的壓力變化，通過加熱單元和冷卻單元對(duì)介質(zhì)油箱內(nèi)的溫度精確控制，可實(shí)現(xiàn)被測液壓鋼管與介質(zhì)油箱內(nèi)的液壓油交互；④可以計(jì)算出不同溫度、壓力下壓力波在油液中的傳播速度。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于可控脈沖壓力波速度測定的液壓油有效體積彈性模量檢測方法。脈沖壓力波的頻率和波形可精確控制，對(duì)壓力波傳播速度可以進(jìn)行累計(jì)重復(fù)測量，再求平均值，從而提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。被試液壓鋼管兩端用柔性的耐高壓液壓軟管連入裝置，并將液壓鋼管固定在裝置架上，減少了壓力波反射后產(chǎn)生的回波現(xiàn)象，提高了檢測精度，對(duì)于提升液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和主機(jī)性能具有重要價(jià)值和意義。