一种隔离式高(低)温液压系统

吕少力，马艳萍，禹新鹏

(中航飞机起落架有限责任公司，陕西汉中 723200)

0 前言

但凡液压系统，均需要控制液压油的温度，其目的保证液压油的黏温特性在适当的范围内，使液压油在常温下能持续工作，通常的油温范围是25～50 ℃[1]。也有特殊用途，需要将液压系统的油温控制在极高或极低的严酷条件下使用，这种用途远超出油温为常温的范围，在航空航天、液压元件耐温性试验、国防工业中较常应用。飞机起落架转弯寿命试验就是航空产品在高温、低温下进行工作循环寿命试验的典型应用，对飞机起降安全性有重要影响[2-7]。

在飞机前起落架转弯寿命试验台研制中，国内航空工业科研院所进行过相关研究，在工作介质高、低温工况下的转弯耐久性方面取得了一定的成果[8]。其典型工况为：工作液选用15号航空液压油，要求温度范围为-55～100 ℃[9]。如此苛刻的油温要求，必须对液压系统的油液温度采取相应的控制措施。常用的升温措施是在油箱或管路中设置加热器，提高油温；常用的降温措施是在油箱中设置压缩机组，降低油温。

高(低)温液压系统由高温系统、低温系统两部分组成。高温系统采用了两级加热：第一级加热器在高温油箱外循环加热，用于起始加热，一般设定到T1，当高温油箱油液温度达到T1时，循环加热停止；第二级加热器在高压区给油液加热，使进入液压系统的油温由T1提升到T2。

低温系统采用了两项措施。其一是选用压缩机作为低温油源机组，旁路并联在低温油箱上，提供低温油[10]。它由电子膨胀阀、冷凝器、蒸发器、压缩机等组成。该机组有油泵组，把油箱的油抽入压缩机，经降温后再回到低温油箱。其二是在主油泵组(通常为高压柱塞泵)的吸油口处增加辅助油泵组(通常为齿轮泵)，以解决低温油液黏度大、主油泵组自吸能力差的不足。辅助油泵组的流量略大于主油泵组，多余的流量通过旁路的单向阀泄回低温油箱。

上述两套系统是相互独立、分别运行的，用截止阀组互锁，组成传统的高(低)温液压系统，其弊端为：

(1)液压原理构成复杂，研制成本高

该系统由高温子系统、低温子系统两部分组成，各自独立、互不通用。液压系统组成较复杂，体积大、效率低。且高(低)温子系统的泵、阀价格昂贵，设备研制成本高。

(2)运行耗能高

传统的高(低)温液压系统在运行中，需要对整套系统的液压油进行加热或制冷，运行功率大、成本高，且不能精准地控制油温[11]。

以流量为20 L/min，压力为28 MPa，高温90 ℃、低温-45 ℃的高(低)温液压系统为例：制冷功率21 kW，加热器功率7.5 kW(省略计算过程)。

据了解，目前无论是理论或是实践，国内液压行业在高(低)温液压系统油温控制方面存在不足，业内尚无普遍认同的解决方案。

本文作者以传统典型的高(低)温液压系统的不足为研究对象，提供一种新型高(低)温液压系统，采用隔离缸技术，提高油温控制效率。其优点是：将传统的高(低)温液压系统由两部分组成改为一套液压系统可兼顾高(低)温功能，显著缩减了需要控制温度的油液容积，从而降低了温控设备的功率和复杂性，适合于试验室、工厂等应用环境。

1 隔离式高(低)温液压系统简介

1.1 液压原理

提出一种新型高(低)温液压系统。具体说，以常温的液压缸在前级主动循环换向，推/拉隔离缸循环工作；两件隔离缸置换的油液形成封闭系统，油液循环流动，经过油温控制装置，对其进行加热或制冷，使其达到额定的高(低)温。在工程领域，高(低)温液压系统可以普遍参照执行该原理。

该高(低)温液压系统的原理见图1，由高(低)温隔离器、高(低)温回路组成。高(低)温隔离器是工作前级，由电磁换向阀1-2、液压缸3.1-3.2、隔离缸4.1-4.2组成。其中，液压缸3.1-3.2的活塞杆分别与隔离缸4.1-4.2的活塞杆铰连，液压缸3.1-3.2活塞杆的位移可以驱动隔离缸4.1-4.2的活塞杆同向移动，将前者的机械能转换成后者的液压能，其特征同于油泵。电磁换向阀1的作用是：当高(低)温液压系统的压力下降时(譬如泄漏降压)，压力传感器9感知并发信号给电磁换向阀1，DT3通电，液压油由P1口进入电磁换向阀1，经单向阀12，直接向高(低)温系统补油，维持额定压力。该功能较少使用，是备用功能。

图1 隔离式高(低)温液压原理简图

高(低)温回路由单向阀组5.1-5.4、蓄能器11、溢流阀6、油温控制装置10、电磁换向阀7、温度传感器8、压力传感器9组成。单向阀组5.1-5.4组成液压桥，使高压油的方向始终不变。进油方向为：高压油始终由油温控制装置10加热(或制冷)，从P2口进入工作系统。该液压桥同样保证了回油方向始终不变，即回油始终从T2口进入，回到隔离缸4.1-4.2的回油腔。蓄能器11的作用是降低液压冲击，消减压力波动。

在液压缸3.1-3.2和隔离缸4.1-4.2活塞杆的循环运动过程中，形成高(低)温液压系统的进油和回油。高压油始终由溢流阀6调压，回油进入隔离缸4.1-4.2的无杆腔，并不会产生冗余的回油阻力。

在工作过程中，由于电磁换向阀2换向导致隔离缸方向切换，为避免液压系统的执行元件(譬如作动器，图1中未示出)产生压力波动，在设计时，应使隔离缸4.1-4.2无杆腔的容积大于执行元件单方向工作所需油液的容积，这样能避免执行元件在单方向工作过程中因电磁换向阀2的换向而产生压力波动。

在高(低)温回路，所有元器件均要耐受高温和低温的油液，这对元器件的选型提出了严格要求，包括密封件、密封结构、元器件均应有良好的耐高(低)温的特性。

1.2 工作过程

为了表述清楚该液压系统的特点，对其工作过程简介如下：

(1)预热阶段，用于将液压系统的油温由常温预热(预冷)至额定的高(低)温，该阶段不是正常的高(低)温工作阶段，而是准备阶段。

在预热(预冷)阶段，如图1所示，当电磁换向阀2左位工作(DT1通电)时，P1口的进油经电磁换向阀2的左位出，分成两路：一路进入液压缸3.1的左腔，推动活塞杆向右移动，从而驱动隔离缸4.1的活塞杆右移，将无杆腔的油液推出，打开单向阀5.1，进入高(低)温回路；另一路油液进入液压缸3.2的右腔，推动活塞杆向左移动，从而驱动隔离缸4.2的活塞杆左移，其无杆腔的容积变大，吸油。这样，隔离缸4.1无杆腔的油液经油温控制装置10加热(或制冷)后，经电磁换向阀7(DT4通电)的M型中位机能的T口流出，打开单向阀5.4，回到隔离缸4.2的无杆腔，完成半个预热工作循环。

如图1所示，当电磁换向阀2右位工作(DT2通电)时，P1口的进油经电磁换向阀2的右位出，分成两路：一路油液进入液压缸3.2的左腔，驱动活塞杆右移，从而推动隔离缸4.2的活塞杆右移，将其无杆腔的油液推出，打开单向阀5.3，进入高(低)温回路；另一路进入液压缸3.1的右腔，推动活塞杆向左移动，从而驱动隔离缸4.1的活塞杆左移，其无杆腔的容积变大，吸油。这样，隔离缸4.2无杆腔的油液打开单向阀5.3，经油温控制装置10加热(或制冷)后，经电磁换向阀7(DT4通电)的M型中位机能的T口流出，打开单向阀5.2，回到隔离缸4.1的无杆腔，完成一个完整的预热工作循环。如此持续循环，直到油温升至额定的高(低)温数值，预热阶段结束。

(2)工作阶段，液压系统的油液在额定的高(低)温状态下持续运行，该阶段是正常的高(低)温工作阶段。

该阶段的工作过程与预热(预冷)阶段相似。不同之处在于：在该阶段，电磁换向阀7的阀芯处于常态位(DT4断电)，高(低)温油液与执行元件接通，驱动高(低)温液压系统完成某项特定工作。

1.3 实践效果

此技术由中航飞机起落架有限责任公司进行了工程化研制及应用，制备了隔离式高(低)温液压系统设备样机(如图2所示)，与液压试验台及加载台架连接，组成加载试验台。经过两年多的运行，完成了前起落架支柱转弯耐久性试验、作动筒收放耐久性试验等，使用效果良好。

实践证明，该技术具有以下两方面的优点：

(1)简化了液压系统的构成，降低了研制成本

从图1与原有技术的比较中不难看出，该系统将传统的由高温系统、低温系统两部分组成的液压系统优化成一套系统，简化了系统组成，体积小、效率高。将价格昂贵的高(低)温泵换成了常温泵，设备研制成本大幅降低。

(2)运行耗能低

改变了传统高(低)温液压系统需要对整套系统的液压油进行加热或制冷，而是仅对隔离缸无杆腔的油液进行温度控制，通常仅为3～5 L，较之对全系统几十升、几百升的油液进行温度控制，使得控温功率大幅下降。在正常运行中，温控装置只需要对经预热达到额定温度的油液进行温度补偿，使其维持在额定温度的公差范围内，所以能精准地控制油温。

以流量为20 L/min，压力为28 MPa，高温90 ℃、低温-45 ℃的高(低)温液压系统为例：制冷功率3.8 kW，加热器功率2.4 kW(省略计算过程)。与传统的方案对比可知，制冷功率降低了82%，加热功率降低了68%。

2 结论

吸收传统的高(低)温液压系统的优点，改进其不足，在液压系统原理方面进行了技术创新，提出了一种隔离式的高(低)温液压系统。核心技术是：以常温的液压缸换向系统为前级主动，推/拉隔离缸循环工作；两件隔离缸往返的油液形成封闭系统，油液循环流动，经过油温控制装置，对其进行加热或制冷，使其达到额定的高(低)温。

由于该技术具有将常温系统与高、低温系统隔离的优点，油温控制运行中，仅需要补充油液温度消耗，有效解决了传统液压原理中对整套液压系统进行温度控制而带来的功率大、可靠性差的问题。因此，该技术大幅提高了高(低)温液压设备油温控制的可靠性和稳定性。该技术可在液压元件研制、航空航天、国防工业等领域，尤其在各类试验设备上应用，市场前景广阔。