劉鑫宇, 趙保準, 王志文, 熊 偉

(大連海事大學 船舶與海洋工程學院， 遼寧 大連 116026)

引言

隨著全球氣候變暖加速冰川消融，極地科考、北極航道及極地自然資源開采的巨大潛在價值正受到全球關(guān)注。極地船舶、海洋平臺等關(guān)鍵基礎(chǔ)裝備上大量使用了液壓傳動系統(tǒng)， 甲板及部分艙室的液壓系統(tǒng)處于低溫和超低溫環(huán)境中，液壓元件及設(shè)備對低溫環(huán)境的適應性和可靠性直接決定了系統(tǒng)及裝備整體的功能和性能，是當前極地裝備亟待解決的核心關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一[1]。

低溫環(huán)境對液壓系統(tǒng)的不利影響是多方面的，且各因素之間存在耦合作用。低溫會直接影響到液壓介質(zhì)的黏度，高黏度會增加壓力損失、降低效率，使液壓元件與設(shè)備啟動困難、性能下降，甚至會產(chǎn)生氣蝕[2-6]。還有可能導致油液中的水分凝固，導致液壓元件與系統(tǒng)故障。低溫還會導致液壓系統(tǒng)內(nèi)的橡膠密封材料彈性降低，使密封性能與壽命下降，甚至失效[6-8]。在低溫環(huán)境和高溫油液交替復合作用下，由于材料熱脹冷縮，極易導致零部件的配合間隙發(fā)生變化，尤其是對于液壓閥等元件內(nèi)的滑動副間隙，導致摩擦阻力增大，影響元件性能，甚至產(chǎn)生卡滯、卡死現(xiàn)象，影響元件功能[9-11]。此外，電液伺服控制系統(tǒng)核心的伺服閥使用的磁性材料性能也會受低溫影響，可能會引起控制系統(tǒng)的失控[12]。

前人在低溫環(huán)境對液壓元件與系統(tǒng)的影響方面已經(jīng)開展了一些研究，但定量研究較少，且總體上還不夠系統(tǒng)深入。本研究對低溫環(huán)境下高溫液壓油的熱沖擊載荷對電液比例伺服閥動態(tài)特性的影響開展試驗研究，作為低溫環(huán)境對液壓元件與系統(tǒng)影響研究的補充，并為后續(xù)理論研究提供可靠的參考依據(jù)。

1 試驗系統(tǒng)

在參考前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套低溫液壓綜合試驗系統(tǒng)[13-17]。試驗系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)主要由液壓泵站、高低溫環(huán)境箱、工業(yè)計算機控制系統(tǒng)、集成油路機柜以及油冷機五部分組成。系統(tǒng)具有以下特點：液壓泵站通過電動高壓柱塞泵提供高壓大流量液壓油，系統(tǒng)最大壓力25 MPa，額定流量240 L/min。為了滿足綜合試驗要求，設(shè)置有獨立的控制泵源，為被試閥件提供獨立的控制壓力油?？刂葡到y(tǒng)通過閉環(huán)自動控制調(diào)節(jié)壓力，采用比例溢流閥進行壓力控制，以滿足試驗過程中控制壓力的相對恒定和精確。集成油路機柜通過控制球閥的手動切換，以構(gòu)成不同的測試回路。油箱設(shè)置有獨立的加熱系統(tǒng)及循環(huán)冷卻系統(tǒng)，對系統(tǒng)油溫進行控制，滿足設(shè)備長時間運行的需求。高低溫環(huán)境箱的工作溫度范圍為-60～100 ℃。測試系統(tǒng)原理如圖2所示，該測試系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)和測控系統(tǒng)兩部分組成，采集卡使用研華PCI-1716高頻數(shù)據(jù)采集卡，可以高頻采集壓力、流量等參數(shù)，上位機軟件采用LabVIEW平臺開發(fā)。

1.吸油過濾器 2.蝶閥 3、6.電機 4.變量泵 5、14.球閥 7、18.單向閥 8.高壓過濾器 9、21.壓力表 10、24.壓力傳感器 11.溫度變送器 12.比例溢流閥 13.進回油溝通換向閥 15、30.流量計 16.蓄能器 17.進油截止閥 19.溢流閥 20.減壓閥 22、25.耐震壓力表 23.三位四通電磁換向閥 26.溫度傳感器 27.回油過濾器 28.加熱器 29.液位計 S1～S7.球閥

圖2 測試系統(tǒng)原理圖

2 低溫環(huán)境熱沖擊試驗

2.1 試驗條件

試驗過程中液壓油溫度設(shè)定為30 ℃，主泵的出口壓力設(shè)定為10 MPa。測試油液為長城牌L-HM46抗磨液壓油，運動黏度(40 ℃)是41.1～50.6 mm2/s，傾點為-15 ℃。被試閥為某公司生產(chǎn)的電液伺服比例閥，適用的環(huán)境溫度范圍為-20～60 ℃。最大工作壓力為31.5 MPa，最大流量為160 L/min，輸入控制信號為±10 V。高低溫環(huán)境箱內(nèi)模擬的環(huán)境溫度分別為-15 ℃、-5 ℃、5 ℃和25 ℃。

2.2 試驗內(nèi)容與方法

依據(jù)國標GB/T 15623.1—2018[18]進行以下測試項目：被試閥在冷啟動條件和熱沖擊條件下啟動時的階躍響應特性和頻率響應特性。具體內(nèi)容與方法如下：

1) 階躍響應特性試驗

a) 低溫環(huán)境下的冷啟動

將伺服比例閥安裝固定于高低溫試驗箱中，根據(jù)試驗需要給定高低溫試驗箱設(shè)定值(-15 ℃、-5 ℃)，達到設(shè)定值后保溫一定時間，一方面保證被試閥溫度與高低溫環(huán)境箱中的低溫環(huán)境保持一致，另一方面也保證高低溫試驗箱中的管道油液溫度值與低溫環(huán)境箱的設(shè)定值保持一致，從而實現(xiàn)冷啟動工況。

b) 低溫環(huán)境下的熱沖擊

試驗時，提前對油箱中的油液進行加熱，為防止油箱內(nèi)油液加熱不均勻，在內(nèi)泄漏模式下，通過油箱自帶的加熱器進行加熱。根據(jù)試驗需求設(shè)定高低溫試驗箱的溫度(-15 ℃、-5 ℃)，達到設(shè)定值后保溫。不同于低溫環(huán)境下的冷啟動，熱沖擊試驗需要的是熱沖擊載荷，為了滿足要求，在完成冷啟動試驗后，開啟流量增益試驗模式，一方面保證油箱中的高溫油液流入被試閥，另一方面也可確保高低溫試驗箱中的低溫油液完全排出，從而實現(xiàn)熱沖擊工況。

2) 熱沖擊下的頻率響應特性試驗

首先將油液進行升溫，然后設(shè)定高低溫箱的溫度分別為25 ℃和-15 ℃，保溫一定時間。采用上述相同的方法實現(xiàn)熱沖擊工況，測試熱沖擊載荷下被試閥的頻率響應特性。以一定幅值不同頻率的正弦信號為激勵信號，以閥芯位置反饋為響應信號，考察響應信號相對于激勵信號的幅值變化和相位變化。激勵信號幅值設(shè)定為額定控制信號的50%，即±5 V。激勵信號的頻率范圍為0.5～25 Hz。

3 結(jié)果與討論

伺服比例閥在不同環(huán)境溫度下冷啟動的階躍響應特性曲線如圖3所示。圖4為不同環(huán)境溫度下冷啟動的響應時間t對比圖，環(huán)境溫度為25 ℃和5 ℃時,該被試閥的響應時間在信號值從2.5/5/7.5/10 V變化過程中，依次為(28 ms和31 ms)，(37 ms和36 ms)，(43 ms和45 ms)，(49 ms和51 ms)，可以看出二者的響應時間變化較小。但是當環(huán)境溫度為-5 ℃和-15 ℃時，其響應時間依次為(37 ms和43 ms)，(41 ms 和63 ms)，(53 ms和72 ms)，(65 ms和93 ms)。測試結(jié)果表明該伺服比例閥在不同的環(huán)境溫度中，給定相同激勵信號的情況下，在低溫環(huán)境下啟動相較于在常溫環(huán)境下啟動其響應時間會明顯變得更長。主要是由于液壓油的黏度隨著溫度的降低而增大，本試驗設(shè)備使用的液壓油傾點為-15 ℃，另該油的黏度指數(shù)為105，說明該油具有良好的黏溫特性。由于液壓油的黏度變大，流動性變差，液壓油的潤滑效果也會變差，從而導致閥芯與閥套間的摩擦力加大，故當該被試閥在低溫環(huán)境下啟動的過程中，其響應時間會變得更長。

圖3 不同環(huán)境溫度下冷啟動的階躍響應特性曲線

圖4 不同環(huán)境溫度下冷啟動的響應時間對比

伺服比例閥不同環(huán)境溫度下熱沖擊的階躍特性曲線如圖5所示。圖6為不同環(huán)境溫度下熱沖擊的響應時間對比圖，在環(huán)境溫度為25 ℃時，被試閥的信號值從2.5/5/7.5/10V變化的過程中，其響應時間分別是28，37，43，49 ms，但是當環(huán)境溫度為-5 ℃和-15℃時，其響應時間分別為(34 ms和35 ms)、(38 ms和48 ms)、(48 ms和54 ms)、(53 ms和63 ms)。測試結(jié)果表明被試閥遭受熱沖擊時，環(huán)境溫度分別為-5 ℃和-15 ℃時， 該伺服比例閥的響應時間要比在25 ℃時長一些。因為相對于被試閥在低溫環(huán)境下冷啟動時，此時油液的流動性更好，閥芯與閥套間的潤滑效果會更好。熱沖擊不同于冷啟動的是，被試閥會受到較大溫差的熱沖擊載荷的作用。圖7為-5 ℃時冷啟動與熱沖擊對比圖，圖8為-15 ℃時冷啟動與熱沖擊對比圖，可以得出：被試閥在低溫環(huán)境下，其熱沖擊的響應時間相較于同條件下冷啟動的響應時間會短一些。

圖5 不同環(huán)境溫度下熱沖擊的階躍響應特性曲線

圖6 不同環(huán)境溫度下熱沖擊的響應時間對比

圖7 -5 ℃時冷啟動與熱沖擊響應時間對比

圖8 -15 ℃時冷啟動與熱沖擊響應時間對比

幅頻寬和相頻寬是電液伺服比例閥響應速度的度量。不同頻率f下幅值比A的變化趨勢如圖9所示，25 ℃時幅頻寬為10 Hz，-15 ℃時幅頻寬為8.5 Hz。不同頻率f下相位差φ的變化趨勢如圖10所示，25 ℃時相頻寬為17.6 Hz，-15 ℃時相頻寬為13.4 Hz。從曲線中可以看出，響應信號的衰減與激勵信號頻率的變化有關(guān)，頻率越大，幅值衰減的越嚴重，相位滯后也越明顯。同時不同溫度下的試驗結(jié)果還表明，在不同溫度，相同激勵信號的頻率下，幅頻寬值與相頻寬值均有所下降，低溫環(huán)境下被試閥的幅值衰減會更加嚴重，且相位滯后也更加嚴重，響應速度也變得更慢。

圖9 不同溫度幅頻對比

圖10 不同溫度相頻對比

4 結(jié)論

本研究針對伺服比例閥分別進行了低溫環(huán)境下的冷啟動和熱沖擊兩種工況的動態(tài)測試，結(jié)果表明：在低溫環(huán)境冷啟動工況下，0 ℃以下，隨著環(huán)境溫度的逐漸降低，伺服比例閥的響應時間會變得越來越長；0 ℃以上，其響應時間的長短受溫度的變化影響不大。在低溫環(huán)境熱沖擊工況下，隨著溫度的逐漸降低，伺服比例閥的響應時間也會逐漸增長，幅頻寬與相頻寬也會相應的減小，說明伺服比例閥的響應速度會更慢。通過對比分析可知，冷啟動工況下伺服比例閥的響應時間要長于熱沖擊工況，但兩種工況下響應時間都要明顯長于常溫工況。初步分析是由于油液溫度的降低，其黏度增大，流動性變差，閥芯運動阻力增大。但目前仍不能具體確定熱沖擊載荷對閥芯閥套配合間隙的影響以及配合間隙變化對閥動態(tài)性能影響的程度，需要后續(xù)結(jié)合數(shù)值模擬進行進一步分析驗證。