液壓元件高加速可靠性試驗(yàn)之溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李煥軍，朱麗莎，李鶴，袁聰，杜尊令

(肇慶學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東肇慶 526061)

0 前言

液壓元件是一種十分重要的設(shè)備元件，目前在鍛壓機(jī)械、機(jī)床、船舶、航空航天、冶金機(jī)械、塑料機(jī)械、工程機(jī)械和礦山機(jī)械等液壓設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，并且發(fā)揮著十分重要的作用。在《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中明確提出要集中優(yōu)勢資源攻關(guān)關(guān)鍵元器件零部件等領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)。

自建國以來，經(jīng)過眾多的科研工作者的不懈努力，我國液壓元件已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，也產(chǎn)生了不少知名液壓元件品牌，但和國外知名品牌相比，如國內(nèi)的臺鳴、巨良、中川、華德、萬通、長江等國內(nèi)品牌，相對于意大利CEME、美國Parker、德國力士樂、日本YUKEN等國外品牌，壽命和可靠性上還有一定差距。根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，我國相當(dāng)一部分的關(guān)鍵設(shè)備和高精尖設(shè)備里的液壓元件還是依賴進(jìn)口。因此，如何增加我國液壓元件的可靠性、壽命來提高我國液壓元件品牌競爭力的問題亟待解決。

高加速壽命試驗(yàn)是一種找到液壓元件質(zhì)量上的不足從而提高可靠性壽命的有效手段。早在1964年，森德創(chuàng)公司液壓傳動實(shí)驗(yàn)室配備了液壓泵試驗(yàn)系統(tǒng)，開始了液壓泵的全壽命評估試驗(yàn)；英國國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了ISO立式液壓泵試驗(yàn)臺，開始研究液壓泵的可靠性問題；韓國金屬機(jī)械研究所開發(fā)了液壓泵可靠性測試和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；法國機(jī)械工業(yè)研究中心(ETIT)研制了液壓泵實(shí)驗(yàn)平臺。在20世紀(jì)80年代，俄羅斯(前蘇聯(lián))就針對液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部件柱塞泵實(shí)施了加速壽命試驗(yàn)，對其進(jìn)行可靠性試驗(yàn)分析，并先后發(fā)布了實(shí)施加速壽命試驗(yàn)的方法指南，包括：(1)OCT 1 00389-80(飛機(jī)(直升機(jī))液壓柱塞泵確定加速壽命試驗(yàn)狀態(tài)的方法)；(2)M35-84(飛機(jī)燃油系統(tǒng)柱塞泵的加速試驗(yàn)方法)。在美國的標(biāo)準(zhǔn)體系中，軍用飛機(jī)液壓柱塞泵的試驗(yàn)主要是參照MIL-P-19692E(Pumps，Hydraulic，Variable flow，General specification for)實(shí)施，它應(yīng)用于軍用攻擊型戰(zhàn)斗機(jī)的變量液壓泵設(shè)計(jì)和試驗(yàn)規(guī)范。我國則參照美國MIL-P-19692E編制了GJB 2188A—2002標(biāo)準(zhǔn)。由于我國液壓柱塞泵整體壽命水平較低，我國并未針對所有航空用液壓柱塞泵確定統(tǒng)一的試驗(yàn)時(shí)間，目前，我國針對所有用途的飛機(jī)都采用GJB 2188A—2002開展可靠性壽命鑒定分析試驗(yàn)，在液壓泵可靠性試驗(yàn)方面做了很多努力，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、燕山大學(xué)都建立了液壓泵可靠性試驗(yàn)平臺，為我國的液壓泵可靠性分析、評估研究做出了突出貢獻(xiàn)。朱明等人根據(jù)加速壽命試驗(yàn)和并行節(jié)能技術(shù)原理，針對 FAST 液壓促動器中故障致命度較大的元件，提出并設(shè)計(jì)一種能同時(shí)測試多個(gè)齒輪泵、溢流閥及單向閥樣本的加速壽命試驗(yàn)臺。馬紀(jì)明等介紹了俄羅斯OCT1指南中關(guān)于航空液壓泵加速壽命試驗(yàn)載荷譜制定的詳細(xì)方法和流程，分別闡述了考慮疲勞、磨損、老化相關(guān)部件的加速壽命試驗(yàn)載荷譜的計(jì)算過程；闡述了液壓泵實(shí)施加速壽命試驗(yàn)的一般方法，以及美國、俄羅斯和我國目前采用的加速壽命試驗(yàn)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)體系，并對它們之間的區(qū)別和聯(lián)系進(jìn)行了對比分析，列出了俄羅斯泵高加速試驗(yàn)的流量溫度載荷譜，并對我國航空領(lǐng)域開展的液壓泵加速壽命試驗(yàn)情況、存在的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了介紹，提出了開展液壓泵加速壽命試驗(yàn)的一般方案。陳慶國等基于溫度及六自由度非高斯寬帶隨機(jī)振動應(yīng)力，提出了一種高加速壽命試驗(yàn)方法——應(yīng)力五步法，并對試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵技術(shù)特性指標(biāo)的測量進(jìn)行了探討。殷毅超以發(fā)射裝置空氣渦輪機(jī)高速葉輪為研究對象，提出了高速葉輪在小樣本加速壽命試驗(yàn)下的可靠性及壽命評估方法,設(shè)計(jì)并實(shí)施加速壽命試驗(yàn)并進(jìn)行可靠性建模及壽命評估。張鑫等人為保持導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能及可靠性，設(shè)計(jì)一種貯存延壽的高加速壽命實(shí)驗(yàn)方法。

綜上所述，研究者們只提及了液壓元件高加速可靠性試驗(yàn)之恒溫載荷應(yīng)力，以及給出了航空液壓泵的溫度加速應(yīng)力剖面，但并未給出詳細(xì)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與方案。而溫度控制是液壓元件高加速試驗(yàn)的基礎(chǔ)，因此本文作者進(jìn)行了液壓元件的高加速壽命試驗(yàn)中的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。

1 系統(tǒng)組成及基本原理

1.1 系統(tǒng)組成

文中論述的液壓元件高加速可靠性試驗(yàn)之溫控系統(tǒng)主要由三大部分組成：驅(qū)動系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)及總控系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)由油箱、驅(qū)動泵先導(dǎo)式卸荷閥、直動式比例溢流閥組成，是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)油路的動力中心；溫控系統(tǒng)主要由制冷室、冷劑存儲箱、加熱室、加熱器組成，通過冷熱調(diào)節(jié)來精確控制液壓元件加速試驗(yàn)所需的目標(biāo)溫度；總控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動系統(tǒng)和溫度系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。其設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 液壓元件高加速可靠性試驗(yàn)之溫控系統(tǒng)原理

1.2 基本原理

對于液壓元件的高加速壽命試驗(yàn)，核心即是強(qiáng)化應(yīng)力，最常用的強(qiáng)化應(yīng)力有溫度加速應(yīng)力和振動加速應(yīng)力等。不管是研究單一加速應(yīng)力還是多個(gè)加速應(yīng)力耦合，溫度不可或缺，而且液壓元件屬于功能性元件，工作當(dāng)中都會出現(xiàn)溫升問題，液壓元件高加速壽命試驗(yàn)中如何控制系統(tǒng)溫度是一個(gè)難點(diǎn)，所以液壓元件的高加速壽命試驗(yàn)中溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析非常重要，也是研究液壓元件高加速可靠性試驗(yàn)步升和步降溫度載荷應(yīng)力的基礎(chǔ)。

如圖1所示：整個(gè)油路溫控系統(tǒng)采用了制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)聯(lián)合控制的辦法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度的控制。制冷系統(tǒng)主要包括制冷室10和冷劑循環(huán)機(jī)；加熱系統(tǒng)主要包括加熱室14和加熱器。其控制原理如下：

設(shè)被測試液壓元件入口目標(biāo)溫度為(下標(biāo)17表示圖1中溫度傳感器17，以此類推)，溫控系統(tǒng)的入口溫度為，根據(jù)試驗(yàn)需要可能出現(xiàn)三種情況：

(1)=

油路潤滑油不通過制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，電磁閥8左側(cè)油路打開，電磁閥13左側(cè)油路打開即可。

(2)>

油路潤滑油通過加熱系統(tǒng)，電磁閥8左側(cè)油路打開，電磁閥13右側(cè)油路打開。設(shè)加熱器的加熱功率為，則有：

(1)

式中：為加熱室中油管分支數(shù)；為某一根支路管展開長度；為熱有效利用率(由試驗(yàn)得到)；為潤滑油比熱容；為潤滑油加熱時(shí)長；Δ為單位質(zhì)量潤滑油溫升量；d為單位長度的潤滑油液質(zhì)量。

加熱室中某一油管支路油液質(zhì)量可做微分，如圖2所示，則有：

(2)

式中:為潤滑油密度;為油管支路直徑。設(shè)潤滑油路主管內(nèi)徑為，則有：

(3)

設(shè)圖1中的元件6處的體積流量為，可以得到圖2中的油路支管潤滑油的流速：

(4)

從而得到式(1)中：

(5)

聯(lián)立方程(1)—(5)得到：

(6)

圖2 加熱室油管支路潤滑油質(zhì)量微分

(3)<

油路潤滑油通過制冷系統(tǒng)，電磁閥8右側(cè)油路打開，電磁閥13左側(cè)側(cè)油路打開。設(shè)油溫從降到需要釋放的熱量為，冷卻劑帶走的熱量為，則有：

=

(7)

即得到：

(8)

得到：

(9)

式中：為冷卻劑的最小所需體積量，并且通過實(shí)際用量進(jìn)行修正，修正過程如圖3所示；為制冷有效率(由試驗(yàn)測得)；為冷卻劑比熱容；為冷卻劑密度；為冷卻段油管的展開長度;為冷卻段油管的截面直徑。

圖3 冷卻劑用量修正原理

1.3 誤差分析

根據(jù)圖1，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，把測量入口溫度的傳感器17布置在靠近液壓元件測試裝置的入口處，管道架空。設(shè)傳感器17到裝置入口處的管道長為，流體潤滑油經(jīng)過后的熱損失為Δ，歷經(jīng)時(shí)間為，則有：

Δ=

(10)

(11)

式中:為單位長度熱損失，W/m，可以表示為

(12)

式中：為環(huán)境溫度，℃；為工作管管壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m·℃)；為第層材料熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；為管壁直徑(m)，詳見圖4；為保護(hù)層外壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m·℃)。

圖4 管道傳熱模型

將式(10)(11)代入到式(12)得到：

(13)

根據(jù)能量守恒，又有：

(14)

式中：Δ為油液到油膜試驗(yàn)裝置泵入口的溫度誤差，聯(lián)立(13)(14)得：

(15)

2 數(shù)值實(shí)例

根據(jù)試驗(yàn)條件，分兩種情況根據(jù)極限工況進(jìn)行取值：油液溫度=80 ℃，環(huán)境溫度=25 ℃，油液比容=1 880 J/(kg· ℃)，油液密度=871 kg/m，額定流量=160 L/min=0.002 667 m/s。

(1)鋼管外壁不做保溫處理時(shí)：

=0.055 m，=0.063 m，=23 W/(m·℃)，=17 W/(m·℃)。根據(jù)公式(15)計(jì)算得到油膜測試裝置泵入口的溫度誤差可表示為Δ=0.05(℃)。

(2)鋼管外壁做單層保溫時(shí)：保溫材料選擇5 mm厚度的石棉，=0.055 m，=0.064 m，=0.073 m，=23 W/(m·℃)，=17 W/(m·℃)，=0.58 W/(m·℃)，=0.05 W/(m·℃)。根據(jù)公式(15)計(jì)算得到油膜測試裝置泵入口的溫度誤差可表示為：Δ=0.001 6(℃)。

如上管路保溫處理和不保溫處理兩種情況下溫度損失對比情況如圖5所示?？梢钥闯觯河凸苈酚斜貙訒r(shí)溫度損失明顯比無保溫層時(shí)小，但是無保溫層時(shí)根據(jù)試驗(yàn)條件和溫度傳感器的形狀大小，取傳感器17到裝置入口處的管道長為=2 m時(shí)，溫度損失Δ=0.1 ℃，所以在管路無保溫處理情況下，溫度損失量仍然可以忽略不計(jì)，滿足試驗(yàn)溫度要求。

圖5 有保溫和無保溫情況下溫度損失對比

聯(lián)立方程(4)(5)可得到該溫控系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間為

當(dāng)單支路管長度=3 m時(shí)，則得到目標(biāo)溫度的反應(yīng)時(shí)間為=2.7 s。

3 結(jié)論

(1)以能量守恒定理、熱傳遞理論為基礎(chǔ)，以液壓元件高加速可靠性研究試驗(yàn)臺為依托，采用冷熱雙控調(diào)節(jié)法來實(shí)現(xiàn)各個(gè)溫升、溫降加速應(yīng)力及恒溫加速載荷剖面的隨機(jī)選??；

(2)通過計(jì)算并對比了油路管道保溫處理和非保溫處理的溫度損失，得出非保溫處理能滿足液壓元件高加速試驗(yàn)溫度控制需要的結(jié)論，且達(dá)到的目標(biāo)溫度誤差可控制在0.1 ℃內(nèi)；

(3)設(shè)計(jì)的液壓元件高加速試驗(yàn)溫控系統(tǒng)的溫升和溫降反應(yīng)時(shí)間短，3 s內(nèi)能達(dá)到目標(biāo)溫度。