同濟大學訚耀保教授談極端環境下的高端液壓元件


關于高端液壓元件的由來


首先講述了高端液壓元件的由來。液壓理論和應用技術的發源可追溯到17世紀的歐洲。科學包括液壓技術也是在不斷地與宗教沖突的過程中取得進步,并逐步被人們認識。法國人帕斯卡(Blaise Pascal)在1646年表演了著名的裂桶試驗。如圖1所示,他將10米長的空心細管垂直插入裝滿水的木桶中并做好密封,之后向細管加水。盡管只用了一杯水注入垂直的空心細管,但隨著管子中水位上升,木桶最終在內部壓力下被沖破開裂,桶里的水就從裂縫中流了出來。當時這個結果對許多人來說是不可思議的。帕斯卡在1654年發現了流體靜壓力可傳遞力和功率,封閉容腔內部的靜壓力可以等值地傳遞到各個部位,即帕斯卡原理。后來,國際單位制中壓強的基本單位就是采用帕斯卡(Pa)表示,簡稱帕(1Pa=1N/m2)。


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圖1 ?流體靜壓力的帕斯卡裂桶實驗(法國人帕斯卡Pascal,1646年)


隨著對電現象的認識和稀土、磁材料的發現,液壓元件從手動控制閥(1800,英國水壓機)發展為電動或電磁驅動的電動/電磁控制閥(1930,Vickers),相繼發明了電液伺服閥、比例閥(1950,1970,MOOG)。近年來,人們研制了內藏芯片甚至陀螺或GPS的數字控制閥(2005,TOKYO KEIKI),可以實現液壓元件參數的智能化設定、檢測與控制,以及工作狀態或整機地理位置的識別和信息傳遞。


高端裝備高新技術,處于價值鏈的高端和產業鏈的核心環節。高端液壓元件是指為重大裝備配套、在極端環境下工作的高性能、高可靠性的液壓元件。重大裝備的一些特殊要求,如:①質量限制;②空間尺寸限制;③從輸入指令至液壓系統正常輸出的快速可靠啟動過程;④極端溫度、振動、沖擊、加速度環境(液壓元件的外部環境)等,促進了高端液壓元件及其基礎理論的誕生,促進了新材料與新工藝的進步。重大裝備高端液壓元件往往需要承受各種極端環境的考驗,甚至要求長期在極端環境下正常工作,包括極限溫度,極端尺寸,振動、沖擊、加速度,輻射、高壓、高速重載等極端條件。地面液壓系統的油溫一般控制在80℃或105℃以下。但是,飛行器試驗或遙測油溫達到160℃,運載火箭的油溫甚至達到250℃。美國1958年電液伺服閥的高溫試驗溫度已經達到340℃。導彈的加速度85g,固體火箭發動機的加速度250g。飛行器的可靠性和安全性要求極高,例如伺服系統可靠性要求高達0.999左右,而電液伺服閥則高達0.9999;載人航天可靠度更高達0.99999。


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圖2 ?內藏芯片的數字控制閥(2005,日本TOKYO KEIKI)


核心基礎零部件(元器件)已列為《中國制造2025》工業強基工程的重點突破瓶頸之一。國外高端液壓元件,最初由國家組織聯合研究、開發并形成國家制造能力,已經裝備本國核心裝備。例如美國空軍在1950年前后組織四十余家機構聯合研制電液伺服閥,形成了系列產品并已裝備航空航天領域。我國對基礎件尤其是高端液壓元件重要地位的認識較晚,長期缺乏機理研究和基礎探索。從目前現狀看,我國高端產品的技術對外依存度高達50%以上,95%的高檔數控系統、80%的芯片、幾乎全部100%的高檔液壓件、密封件和發動機都依靠進口。高端液壓元件產品幾乎被美國、德國、日本等機械強國所壟斷。


考慮熱力學環境的大飛機液壓系統分析例


高端液壓元件分析需要考慮復雜工況,尤其是復雜零件、工作介質以及環境之間的熱交換過程。例如,飛機左中右三套獨立液壓系統采用共用液壓能源裝置,包括作為主液壓泵的發動機驅動泵,作為應急泵的電動泵和風動泵,以及作為備份泵提供輔助功率用的輔助動力裝置驅動泵。飛機液壓系統的多個用戶分布在飛機的各個部位,室內、室外環境各異,造成了液壓系統組成元件的工作環境和負載的復雜、時變性,需要獨立分析多用戶系統形成多溫度場耦合特性。在分析液壓系統任意容腔如液壓泵某一柱塞容腔、液壓舵機容腔特性時,建立其熱力學基本方程,即該容腔內流體熱力系能量的增量為該熱能系輸入能量與輸出能量的差值。熱力系與環境之間能量交換的途徑,包括:熱交換,即傳熱的形式傳遞熱量;功交換,即通過做功的形式傳遞能量;質量交換,即通過質量的轉移帶進或帶出一部分能量,這部分能量稱為物質遷移能。圖3所示為某飛機液壓系統考慮全飛行剖面熱交換過程的泵源處溫度變化規律,基于熱力學過程的仿真平臺可以很好地模擬實際復雜飛行工況下的特性。


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圖3 ?飛機液壓系統及負載分布圖


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圖4 ?考慮全飛行剖面熱力學環境的液壓泵入口、出口、殼體溫度變化規律


極端環境下的高端電液伺服元件分析例


介紹了高端液壓元件在極端溫度、振動、沖擊、加速度等極端環境下特性的分析方法。以圖5所示的力反饋兩級電液伺服閥為例,只有30幾個零件、10幾種材料構成。但是環境溫度為-40℃——+60℃,液壓系統以及高端液壓元件局部油溫可能達到150℃,溫差高達190℃。材料的熱脹冷縮,將導致精密偶件的徑向尺寸鏈、軸向尺寸鏈的新平衡狀態。例如電液伺服閥圓柱滑閥閥芯的直徑3mm,閥芯與閥套的徑向配合間隙3μm。溫差100℃時,徑向尺寸鏈的配合間隙減小值接近3μm。當溫差超過100℃如油溫升高至150℃時,閥芯閥套的間隙配合將變成過盈配合,導致閥芯卡滯甚至卡死。如圖6所示,考慮油液與滑閥液固耦合溫度場時,流體熱傳導將導致金屬閥芯的局部溫度升高,該部位的制造工藝和熱處理等可采取特別措施。


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圖5 ?噴嘴擋板式電液伺服閥


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圖6 ?考慮油液與金屬零件液固耦合時的滑閥閥芯溫度場分布


介紹了高端液壓元件零偏零漂的預測模型。熱力學環境和油溫嚴重影響高端液壓元件工作點,通過電液伺服閥溫漂、壓漂等的建模與分析過程,展示了電液伺服閥徑向尺寸鏈與軸向尺寸鏈的計算模型以及對零偏零漂的影響因素與規律。閥體鋁材7075-T7351的熱膨脹系數約為23.6×10-6/℃,閥芯閥套鋼材90Cr18MoV的熱膨脹系數約為10×10-6/℃,前者約為后者的2.3倍。閥體、閥套、閥芯可簡化為金屬環套模型。當溫度升高10℃時,閥體閥套的徑向間隙增加2.08μm,軸向間隙減小7.48μm(鋁閥體比鋼閥套軸向膨脹量大)。溫度升高100℃時,閥體閥套的徑向間隙增加20.8μm,導致閥套周向失去定位;閥體閥套的軸向壓緊量減小74.8μm,從而導致閥套軸向失去定位。故此如圖7所示性能測試中,出現了多種不規則、不可重復的現象,零偏漂移不穩定現象。


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圖7 ?某電液伺服閥高溫實驗中流量特性的不規則、不可重復現象


振動、沖擊、離心環境下電液伺服閥的分析需要考慮閥體振動(圖8),尤其是力矩馬達與液壓閥開度控制零件的相對位移量。考慮平動式牽連運動、轉動式牽連運動,引入加速度慣性力、離心力、切向加速度力,建立各部件的動力學方程。某電液伺服閥實驗時,離心加速度為9g左右時,離心零漂達到1%。從機理上看,高端電液伺服閥各零件、部件,以及裝配過程、實驗過程、使用環境等,均可能導致射流管伺服閥產生零偏或零漂。如圖9所示為某射流管伺服閥零偏與零漂產生機理的魚刺圖,完整服役期內的零位漂移包含七大要素、約30種因素,且都可以定量評估和預測。射流伺服閥的零偏漂移,包括力矩馬達、射流前置級、滑閥級引發的零偏漂移,制造、裝配、調試工藝引起的漂移,以及設計方案引起的零偏漂移。此外,還包括供油壓力零漂、回油壓力零漂、溫度零漂、加速度零漂、零值電流零漂、以及流體介質變化引起的零漂。


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圖8 ?振動、沖擊、離心環境下的電液伺服閥


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圖9 ?某射流管伺服閥零偏與零漂產生機理與預測模型的魚刺圖


介紹了偏轉板伺服閥存在的卡門渦街現象(圖10),即高速流體在偏轉板射流口及偏轉板后部會出現不穩定的邊界層分離,偏轉板下游的兩側產生兩道非對稱排列的尾流漩渦現象。


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圖10 ?偏轉板伺服閥及卡門渦街現象


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