杜芳莉，董明德，杜海

(1.西安航空學(xué)院 能源與建筑學(xué)院，西安 710077) (2.航空工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所 控制一體化技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065)

0 引 言

液壓元件和系統(tǒng)在低溫環(huán)境中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，對(duì)于飛機(jī)用液壓系統(tǒng)產(chǎn)品而言，隨著飛行包線內(nèi)高度的提升，其所處周圍的環(huán)境溫度隨之下降[1]。目前的民航客機(jī)一般飛行在10 000 m高空左右的空氣對(duì)流層到平流層底部，有些軍用飛機(jī)甚至飛行在20 000 m的高空，這時(shí)機(jī)外的外界環(huán)境溫度將降至-56.5 ℃左右。由于低溫環(huán)境會(huì)改變飛機(jī)用液壓系統(tǒng)原材料的某些物理特性，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間暴露在低溫環(huán)境下的液壓系統(tǒng)產(chǎn)品，可能會(huì)造成暫時(shí)或永久的損害，從而導(dǎo)致飛機(jī)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的故障[2]。目前,在低溫環(huán)境下(特別是-60 ℃以下)，國(guó)內(nèi)有關(guān)航空液壓元件與系統(tǒng)的試驗(yàn)研究正在逐步發(fā)展、完善階段[3]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的大部分液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)臺(tái)普遍存在著系統(tǒng)控制復(fù)雜，降溫速度慢，試驗(yàn)循環(huán)間隔時(shí)間長(zhǎng)，人力資源、能源及時(shí)間消耗大，效率低等缺點(diǎn)，不能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間、大流量的液壓系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn)要求。而國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)飛機(jī)液壓系統(tǒng)的研究起步早，積累了豐富的技術(shù)資料[4-5]，但在實(shí)際工程中，直接應(yīng)用這些技術(shù)仍然存在功耗大、時(shí)間不夠長(zhǎng)等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)比對(duì)現(xiàn)有的兩種試驗(yàn)方案，總結(jié)出兩種試驗(yàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，在現(xiàn)存試驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，提出一種新的試驗(yàn)方案。新的試驗(yàn)方案將液壓系統(tǒng)的油源及外界環(huán)境的熱源與試驗(yàn)環(huán)境隔離，完全阻止油源和熱源對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的影響，降低保持低溫環(huán)境所需的能耗；同時(shí)，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)流量整流橋結(jié)構(gòu)，將液壓缸連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)輸出不同方向的油液，轉(zhuǎn)換為同一方向、連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的流量輸出的方式，從而滿足長(zhǎng)時(shí)間、低功耗、大流量的液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)的目的。

1 液壓系統(tǒng)進(jìn)行低溫試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則

對(duì)于液壓系統(tǒng)進(jìn)行低溫測(cè)試試驗(yàn)而言，其總體設(shè)計(jì)原則為：盡可能將非被試驗(yàn)元件和裝置放置于低溫試驗(yàn)環(huán)境之外,從而達(dá)到最大可能降低試驗(yàn)環(huán)境熱量來(lái)源，進(jìn)一步減少低溫試驗(yàn)環(huán)境的能耗[6-7]；而對(duì)于必須放置在低溫箱中的非被試驗(yàn)液壓元件和裝置，則首先使其經(jīng)過(guò)低溫預(yù)篩選,避免對(duì)被測(cè)液壓系統(tǒng)產(chǎn)品的低溫試驗(yàn)環(huán)境產(chǎn)生干擾[8-10]。

2 液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案一

2.1 方案一簡(jiǎn)介

低溫試驗(yàn)方案一的低溫液壓試驗(yàn)臺(tái)原理圖如圖1所示，該試驗(yàn)臺(tái)由低溫泵組、低溫油箱及制冷機(jī)組三部分構(gòu)成[11]。

圖1 方案一低溫試驗(yàn)臺(tái)液壓原理圖Fig.1 Hydraulic pressure schematic of low temperature test platform of scheme 1

低溫泵組是由低溫齒輪泵29.1、29.2，低溫高壓柱塞泵32，溢流閥34.1組成。低溫試驗(yàn)臺(tái)的工作過(guò)程如下：當(dāng)液壓系統(tǒng)的油溫低于-40 ℃時(shí)，由于油液黏度較高，低溫高壓柱塞泵32自吸較為困難，所以需要采用低溫齒輪泵29.1為低溫高壓柱塞泵32供油，溢流閥34.1主要用于調(diào)節(jié)低溫泵源的安全壓力，而電磁換向球閥33則用來(lái)控制低溫泵源的加載與卸載，溢流閥34.2的作用是按試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)試驗(yàn)壓力的大小，低溫齒輪泵29.2則是對(duì)制冷機(jī)組38的蒸發(fā)器供油進(jìn)行循環(huán)制冷。在整個(gè)低溫試驗(yàn)過(guò)程中，低溫泵組和制冷循環(huán)泵置于密封保溫箱中，從而與大氣環(huán)境隔離。

2.2 方案一分析

液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案一(以下簡(jiǎn)稱設(shè)計(jì)方案一)分析如下：

(1) 低溫泵源屬于液壓系統(tǒng)中的高能耗單元，除試驗(yàn)必需的制冷能耗外，還有泵壓、輸送、溢流造成的溫升所需的制冷能耗。從設(shè)計(jì)方案一可以看出：除了低溫油箱外，其余所有液壓元器件和管路均沒(méi)有放入到低溫環(huán)境中，因此設(shè)計(jì)方案一所需的能耗較大。

(2) 通過(guò)合理調(diào)節(jié)高壓泵循環(huán)流量，來(lái)匹配被試產(chǎn)品的流量需求，從而降低制冷機(jī)組的能耗，當(dāng)工作油液的溫度滿足試驗(yàn)要求時(shí)，即可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)試驗(yàn)。

(3) 設(shè)計(jì)方案一適用于試驗(yàn)對(duì)象無(wú)法被獨(dú)立放置于低溫箱中的情況，比如飛機(jī)整機(jī)系統(tǒng)鐵鳥在低溫環(huán)境下的功能、性能試驗(yàn)。其優(yōu)點(diǎn)是溫度變化范圍可達(dá)-60～70 ℃ 、降溫速度比較快。但其投入資金大，維護(hù)保養(yǎng)需要浪費(fèi)大量的精力, 對(duì)于試驗(yàn)量不大、應(yīng)用率不高的應(yīng)用環(huán)境來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)效益較差。

3 液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案二

3.1 方案二簡(jiǎn)介

該低溫試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)主要由操作臺(tái)架和制冷箱兩部分組成，油缸、儲(chǔ)油缸和單向閥組等均放置在制冷箱內(nèi)[12]。方案二低溫試驗(yàn)臺(tái)液壓原理如圖2所示。

圖2 方案二低溫試驗(yàn)臺(tái)液壓原理圖Fig.2 Hydraulic pressure schematic of low temperature test platform of scheme 2

低溫試驗(yàn)臺(tái)工作過(guò)程如下：

(1) 儲(chǔ)油缸充油：先關(guān)閉回油截止閥19，再打開油缸充油截止閥18，等油缸22、33 完全充滿油以后，則關(guān)閉油缸充油截止閥18，再打開回油截止閥19。

(2) 工作油液降溫：切換換向閥21 至左位機(jī)能工作，油缸33 中的活塞運(yùn)行至另一端，關(guān)閉回油截止閥19；換向閥21 斷電，關(guān)閉液壓源，啟動(dòng)制冷箱降溫，工作油液溫度降低至-30 ℃。

(3) 常溫油推低溫油：打開液壓源，調(diào)節(jié)比例溢流閥17 至測(cè)試所需壓力，切換換向閥21 至右位機(jī)能工作，在高壓的作用下，液控單向閥26打開，油缸22中的低溫油液依次經(jīng)過(guò)液控單向閥26、單向閥28，推動(dòng)儲(chǔ)油缸30中的低溫油液，通過(guò)精密高壓過(guò)濾器31，為電液伺服閥低溫試驗(yàn)提供一定壓力的低溫工作油液[13]。

(4) 低溫供油試驗(yàn)：低溫試驗(yàn)油液經(jīng)過(guò)電液伺服閥后，再經(jīng)過(guò)單向閥34回到油缸33中。油缸22、33中工作油液只需滿足電液伺服閥低溫試驗(yàn)一個(gè)測(cè)試周期所需的工作油液量即可。

3.2 方案二分析

液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案二(以下簡(jiǎn)稱設(shè)計(jì)方案二)分析如下：

(1) 設(shè)計(jì)方案二中低溫工作油液不回油箱，僅限于低溫箱內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，避免工作油液的重復(fù)降溫，使得制冷能耗及成本降低；

(2) 設(shè)計(jì)方案二采用常溫油推儲(chǔ)油缸中低溫油的方法，存在一定的弊端，主要表現(xiàn)為：受儲(chǔ)油缸體積的限制，每次進(jìn)行低溫試驗(yàn)所需時(shí)間以及油液流量均受一定限制，導(dǎo)致該方法無(wú)法開展長(zhǎng)時(shí)間的低溫試驗(yàn)。

4 液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案三

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的兩種試驗(yàn)方案的敘述和分析，試驗(yàn)方案一經(jīng)濟(jì)效益較差，其優(yōu)點(diǎn)是溫度變化范圍廣；試驗(yàn)方案二改善了經(jīng)濟(jì)效益，但是不能開展長(zhǎng)時(shí)間的低溫試驗(yàn)。據(jù)此，本文結(jié)合上述兩種系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出一種新的試驗(yàn)方案，達(dá)到節(jié)能、長(zhǎng)時(shí)間開展試驗(yàn)的目的。

4.1 方案三簡(jiǎn)介

本文對(duì)前兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，提出設(shè)計(jì)方案三。該方案由兩個(gè)部分構(gòu)成：常溫系統(tǒng)部分及低溫系統(tǒng)部分。低溫試驗(yàn)臺(tái)液壓原理如圖3所示。

常溫系統(tǒng)部分主要由高壓柱塞泵、蓄能器、伺服閥以及作動(dòng)缸組成。該部分構(gòu)成一個(gè)常規(guī)的閥控作動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)伺服控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)閥控作動(dòng)器的閉環(huán)控制。該系統(tǒng)通過(guò)改變控制指令輸入信號(hào)的頻率及幅值，達(dá)到伺服作動(dòng)系統(tǒng)速度和行程的調(diào)整。在整個(gè)低溫加載試驗(yàn)系統(tǒng)中，該部分的主要作用是為低溫系統(tǒng)提供所需的工作流量和壓力，如圖3所示。

圖3 方案三低溫試驗(yàn)臺(tái)液壓原理圖Fig.3 Hydraulic pressure schematic of low temperature test platform of scheme 3

該低溫試驗(yàn)臺(tái)工作過(guò)程如下：

(1) 常溫系統(tǒng)作動(dòng)缸1的活塞通過(guò)機(jī)械連接與低溫系統(tǒng)的作動(dòng)缸2的活塞進(jìn)行固聯(lián)，使得作動(dòng)缸2跟隨作動(dòng)缸1運(yùn)動(dòng)。根據(jù)輸入指令的幅值和頻率，來(lái)控制作動(dòng)缸1的速度和方向，同時(shí)使得作動(dòng)缸2產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，從而輸出所需的低溫流量；同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)產(chǎn)品的負(fù)載情況產(chǎn)生相應(yīng)的壓力，即作動(dòng)缸2相當(dāng)于低溫系統(tǒng)中的液壓油源。

(2) 低溫系統(tǒng)部分主要由作動(dòng)缸2、流量整流橋、低溫蓄能器、冷凍機(jī)組、冷凍泵及齒輪泵組成。其工作過(guò)程為，由隨動(dòng)的作動(dòng)缸2產(chǎn)生低溫流量的輸出，經(jīng)流量整流橋整流，使得最終的輸出為單向流量。該流量經(jīng)過(guò)低溫蓄能器后，為被測(cè)試的產(chǎn)品提供所需的工作流量。此外，通過(guò)補(bǔ)油、冷卻系統(tǒng)為作動(dòng)缸2提供所需的流量，并將試驗(yàn)產(chǎn)品的回油進(jìn)行冷卻，從而保證整個(gè)低溫系統(tǒng)持續(xù)工作。

4.2 方案三分析

由以上液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖3可以看出，由于常溫作動(dòng)缸1的活塞與低溫作動(dòng)缸2的活塞相固連，因此可通過(guò)常溫部分作動(dòng)缸1的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)作動(dòng)缸2速度的控制，即控制作動(dòng)缸2低溫流量的輸出。由于低溫作動(dòng)缸的行程受限，因此在整個(gè)系統(tǒng)中需要進(jìn)行換向，該方案巧妙的在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了流量整流橋，并在液壓油路中增加低溫蓄能器，從而確保低溫油液壓力及流量的平穩(wěn)輸出。

該試驗(yàn)方案的最大特點(diǎn)是將功率級(jí)的常溫液壓油源與低溫試驗(yàn)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物理隔離，即常溫功率級(jí)液壓系統(tǒng)的油液不參與低溫系統(tǒng)的工作循環(huán)，最大程度降低了低溫系統(tǒng)的能耗。而低溫測(cè)試系統(tǒng)的熱源全部來(lái)自測(cè)試液壓系統(tǒng)自身節(jié)流作用而產(chǎn)生的熱量，該部分熱量可通過(guò)低溫補(bǔ)油、冷卻系統(tǒng)進(jìn)行在線降溫。通過(guò)上述方式從而實(shí)現(xiàn)低溫液壓系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間、大流量、低能耗的測(cè)試試驗(yàn)。

通過(guò)仿真試驗(yàn)，該方案低溫部分可以滿足對(duì)被試產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)的低溫環(huán)境以及油液下的功能和性能的考核。該方案的顯著特點(diǎn)在于整個(gè)試驗(yàn)中不會(huì)引入任何常溫油液，最大程度降低外界對(duì)低溫測(cè)試系統(tǒng)的影響，可模擬機(jī)上產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)、低溫環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)環(huán)境與液壓系統(tǒng)使用環(huán)境的無(wú)縫對(duì)接。

5 方案對(duì)比

本文從試驗(yàn)所需能耗、系統(tǒng)復(fù)雜程度、試驗(yàn)成本及其適用范圍，對(duì)以上三種液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比分析，得出各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

通過(guò)分析可得出如下結(jié)論：

(1) 目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的大部分液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)臺(tái)普遍存在著系統(tǒng)控制復(fù)雜，降溫速度慢，試驗(yàn)循環(huán)間隔時(shí)間長(zhǎng)[14-15]，人力資源、能源及時(shí)間消耗大，效率低等缺點(diǎn)，不能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間、大流量的液壓系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn)要求。

(2) 本文提出的液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)方案(方案三)相比其它試驗(yàn)方案能耗大大降低。通過(guò)物理隔離的方式，將液壓油源及外界環(huán)境的熱源對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的影響完全隔離，從而降低了保持低溫環(huán)境所需的能耗。

(3) 本文提出的液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)方案工作效率大幅提高。該方案通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)流量整流橋結(jié)構(gòu)，將液壓缸連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)輸出不同方向的油液，經(jīng)過(guò)流量整流橋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為同一方向、連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的流量輸出，滿足了長(zhǎng)時(shí)間、大流量的檢測(cè)試驗(yàn)要求，極大提高了試驗(yàn)工作效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案三克服了傳統(tǒng)試驗(yàn)方案能耗大、成本高、效率低、適用范圍窄等缺點(diǎn)，是一種全新的低溫試驗(yàn)方案。本方案可滿足長(zhǎng)時(shí)間、低功耗、大流量液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)需求，能有效提高液壓系統(tǒng)低溫試驗(yàn)效率，不僅適用于機(jī)載液壓系統(tǒng)的低溫試驗(yàn)，也可為驗(yàn)證其他液壓系統(tǒng)產(chǎn)品低溫試驗(yàn)的可靠性提供一種有效的解決方案。