建压曲线判定电液伺服机构排气充分程度的方法

赵 春，叶 朋，刘 新，郑 波，胡逸洲

(北京精密机电控制设备研究所，北京 100076)

引言

液压油液中含有过量气体会加速液压元件老化，缩短其使用寿命[1-2]。尤其在电液控制系统中，气体会降低油液的弹性模量，影响系统的工作性能，甚至导致系统不稳定[3-4]。液压系统应尽可能减少油液中气体含量。

航天运载器中的电液伺服机构作为典型的闭式液压系统，有多种措施使得内部油液气体排出充分，维持油液较高的弹性模量，确保动态响应性能：加注前，油液真空除气；调试中，油液循环运动排气；静放时，油液背压阻气[5]。

通常，油液中气体含量的测定多采用专门的检测设备[6-7]，而高度集成化设计的电液伺服机构在油液加注后如果再需要测量含气量，则需要更加专业的设备，使用也不方便。

本研究利用自带的压力传感器对某型电液伺服机构系统压力建立过程进行测量，提出利用建压曲线判定电液伺服机构排气充分程度的方法，建立了系统压力数学模型，并进行了试验验证，仿真分析与试验数据基本吻合，本方法为特殊领域液压系统油液中气体含量的评判提供了一种可行性参考。

1 方案

1.1 电液伺服机构简介

某型电液伺服机构液压工作原理如图1所示，实物如图2所示，主要包含中频电机、恒压变量液压泵、单向阀、蓄能器、增压油箱、伺服阀、作动筒等。各元部件集成一体化设计，组成适用于航天领域特定空间的闭式液压控制执行机构，配置压力传感器监测系统压力。

图1 电液伺服机构液压原理图

图2 电液伺服机构图

1.2 原理及判定

电液伺服机构启动时，伺服阀阀芯保持在正遮盖位置[8]。油液在液压泵出油口与伺服阀进油口间的封闭油道腔室内不断被压缩，油液弹性模量较大，系统压力升高较快[9]。当压力达到蓄能器充气压力时，油液开始进入蓄能器，在蓄能器胶囊弹性变形及摩擦等综合阻尼作用下，油液与蓄能器内气体动态平衡[10]，系统压力与蓄能器压力同步上升，而后共同达到系统设定压力，系统建压曲线如图3所示。

图3 系统建压曲线图

阶段1对应机构启动至系统压力达到蓄能器充气压力段，此过程油液弹性模量对压力建立起主导作用；阶段2对应蓄能器内油气动态平衡段，此过程蓄能器内气体状态方程对压力建立起主导作用，油液压缩性影响被忽略[10-11]。

电液伺服机构油液中残存的气体越少，其有效弹性模量越高，可压缩性越小，系统压力达到蓄能器充气压力的过程将越快，对建压曲线阶段1过程影响越显著。

生产过程中，随着油液中气体被排出越来越充分，电液伺服机构建压曲线将越来越稳定，系统压力达到蓄能器充气压力的时间也将趋于稳定。对照稳定达到蓄能器充气压力的时间，就可以判定油液中气体是否被排出充分。

2 数学模型

油液弹性模量方程式[12]：

(1)

式中，βe——油液有效弹性模量

βc——金属管道弹性模量

βl——纯油液弹性模量

βg——空气弹性模量(绝热过程为1.4p)

V——油液体积

1.2 材料及设备 3shape Trios口内扫描仪(3shape，丹麦)，3shape 模型扫描仪 (3shape， 丹麦)，IPS E-max Press铸瓷系统(Ivoclar，列支敦士登)，加聚型硅橡胶印模材(DMG，德国)，超硬石膏(贺利氏，美国)。

Vl——纯油液体积

Vg——气体体积

p——油液压力

对液体弹性模量方程微分，油液进入封闭腔室内时，压力：

(2)

式中，Q为液压泵有效流量。

建压前期段液压泵流量方程：

Q=nqηv

(3)

式中，n——液压泵转速

ηv——液压泵容积效率

中频电机启动至额定转速的时间较短，根据工程经验将电机启动特性等效为理想斜坡直线。液压泵启动段转速曲线：

n=kt

(4)

式中，k——液压泵启动段转速曲线斜率

t——液压泵转动时间

3 仿真与试验验证

油液弹性模量方程式(1)中纯油液体积与气体体积之和为油液体积[12]，仿真计算时将气体体积占据油液体积的比值作为变量，相关参数设置如表1所示。

表1 某型电液伺服机构建压仿真参数设置表

选用图2所示电液伺服机构为试验对象，在油液不同含气量状态下进行建压测试。油液含气量在加注前由加注设备测定。其中，电液伺服机构油液真空加注并调试至稳定后，建压曲线趋于稳定，油液中残存的气体排出已相当充分，可认为此时油液含气量为0%。

状态1～3即油液含气量依次为0.3%,0.1%,0%时系统仿真与试验建压曲线如图4所示。分析、对比仿真和试验油液压力曲线，得出以下结论：

图4 电液伺服机构仿真与试验建压曲线图

(1) 系统仿真与试验建压曲线整体趋势一致。电液伺服机构油液排气越充分，油液中含气越少，系统压力达到蓄能器充气压力的时间越短，表明利用建压曲线判定排气充分程度的方法是可行的；

(2) 油液含气量为0%时，系统压力达到蓄能器充气压力8 MPa，仿真用时0.066 s，试验用时0.073 s。仿真与试验曲线用时的细微差别是由实际油液在伺服阀阀芯处的微小泄漏引起的，忽略误差，两者用时几乎一致；

(3) 建压曲线趋势一致的前提下，启动后系统压力达到蓄能器充气压力的时间控制在0.073 s以内可判定电液伺服机构排气已充分。

总体来讲，仿真分析与试验数据趋势一致，吻合良好，表明利用建压曲线判定电液伺服机构排气充分程度的方法是合理可行的。

4 结论

本研究提出了由建压曲线判定电液伺服机构排气充分程度的方法，并确定了机构启动后系统压力达到蓄能器充气压力的时间作为判据，建立了系统压力数学模型，并进行了仿真分析和试验验证。该方法只需现有生产测试设备即可，针对性强，简单实用，为闭式液压系统油液含气量测量提供了参考。