液压油有效体积弹性模量及测量装置的研究

摘要

液压系统广泛应用于各类机械装备中，作为工作介质液压油的有效体积弹性模量表征了系统的刚性，是影响系统动态性能的重要参数之一。正是由于具备可压缩性，通常将油液视作液压系统中的弹簧。油液弹性模量是一个动态量，影响因素多，变化复杂，是个难以确定的软参数。如何准确获得弹性模量参数，一直是液压领域基础研究的热点，对液压系统特别是动态响应和稳定性要求高的系统设计与分析具有重要意义。因此，研究液压油有效体积弹性模量在不同工况条件下的动态变化规律，是提高系统性能的一种重要途径，具有很强的工程应用背景和学术研究价值。
　　 本文首次引入液压油动态弹性模量的概念，提出了动态弹性模量的数学模型。这一模型在充分考虑油液工作压力、温度、含气量等工况参数综合影响的基础上，特别考虑了液压系统工作时由于执行器内油液体枳实时变动而引起的油液工作压力及其分布的动态变化，有效改善了以往对弹性模量的描述过于单一、不够准确的问题。研制了一种基于定义法的弹性模量检测装置。该装置采用伺服电机加载，并通过高精度压力传感器和位移传感器直接测得封闭容器内油液的压力、体积变化，具有加载压力（0～20 MPa）和加载速度(0.35～4.45％/min)连续可控、综合测量误差小于2.08％等优点，可实现在线且准确测得液压系统中的油液弹性模量。通过抽真空处理，使油液的含气量由12.29％降至7.41％，此时液压伺服系统阶跃响应的超调量减小约5～10％，且系统调整至稳态输出的过程也有所减短。提出了一种基于动态弹性模量的控制参数调整方法。该方法根据执行器内油液弹性模量的变化来实时调节系统增益，使控制参数与液压固有频率更加匹配，从而可保持系统结构不变的基础上最大限度的提高系统动态性能。通过对该方法对应频率分别为2Hz和8Hz正弦信号的跟踪特性分析，计算和实验结果表明系统的最大跟踪误差降低了25％～30％，相位滞后减小约3.50～8.60，过渡过程的超调现象得到明显改善。
　　 论文主要研究内容如下：
　　 第一章，阐述了油液有效体积弹性模量的含义、特点及其在液压系统设计与分析中发挥的重要作用。综述和总结了国内外关于弹性模量的影响因素、测量技术等研究方向的研究历程，进而提出本课题的研究内容和研究目标。
　　 第二章，理论分析了液压油中由溶解气体和游离气体的含量、状态变化引起的混气油液弹性模量的含气效应。运用CFD软件仿真分析了单个气泡和气泡群在油液中的运动特性，揭示了气泡尺寸、油液粘度、工作压力和气泡群体间的相互作用等因素对气泡的上升运动速度及形变特性的影响。
　　 第三章，建立了封闭容腔内混气油液有效体积弹性模量的数学模型，并数值仿真了在不同初始含气量、油液温度等条件下，弹性模量随油液工作压力的变化特性，基于理论分析，设计了一套抽真空除气装置和弹性模量测量装置应用于一大型液压源系统，以提高系统内油液的弹性模量值。
　　 第四章，基于课题研究内容和上一代实验系统的应用结果，研制了弹性模量综合实验台。对其三大关键分系统：闭式系统及其抽真空处理、基于伺服电机加载的弹性模量测量装置和伺服阀控缸系统，作了详细的解决方案、原理结构和关键参数设计。
　　 第五章，分别对不同工况条件下混气油液的含气量测量、抽真空处理、静态弹性模量和动态弹性模量的测量开展相关实验研究。实验结果揭示了抽真空前后油液含气量和动、静态弹性弹性模量的变化规律，重点分析了在一定温度、体积变化率及工作压力范围内油液动态弹性模量的变化机理。
　　 第六章，实验研究了抽真空处理前后液压伺服系统对阶趺信号和不同频率正弦信号的响应特性。结果揭示了油液弹性模量动态变化对超调量、调整时间及信号跟踪能力等系统特性的影响。针对液压伺服系统工作时执行器内油液弹性模量的动态变化，提出了一种基于动态弹性模量的控制参数实时调整方法．经调整后系统的动态性能得到明显改善，跟踪误差显著减小。
　　 第七章，概括了全文的主要研究工作，总结了研究成果，并展望了今后在该课题方向展开进一步研究的思路。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 液压系统的工作油液

1.1.1 液压系统在各行业的应用

1.1.2 工作油液的选择

1.1.3 液压油的体积弹性模量

1.2 油液弹性模量影响系统性能

1.2.1 压力容腔的动态弹性模量

1.2.2 弹性模量与液压固有频率

1.3 国内外研究现状和发展概况

1.3.1 弹性模量的测量技术

1.3.2 弹性模量对系统性能的影响

1.3.3 现有研究成果分析

1.4 课题的研究内容和意义

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究意义

1.5 课题的研究难点

2 液压油的含气及其变化特性

2.1 液压油的空气含量

2.2 液压油的溶解空气

2.2.1 液压油的空气溶解度

2.2.2 闭式液压系统的空气溶解特性

2.3 液压油中的掺混气体

2.3.1 掺混气泡的产生

2.3.2 气泡的运动特性分析

2.4 气泡运动数值仿真分析

2.4.1 FLUENT仿真软件及其VOF模型

2.4.2 控制方程

2.4.3 气泡的运动模拟

2.5 弹性模量的含气效应

2.6 本章小结

3 影响弹性模量的因素

3.1 有效体积模量的计算模型

3.1.1 正割体积弹性模量

3.1.2 正切体积弹性模量

3.1.3 运动油液的弹性模量

3.1.4 影响因素分析

3.2 提高弹性模量的工程应用

3.2.1 对接机构综合试验台

3.2.2 液压系统的高弹性模量需求

3.2.3 高弹性模量的液压源设计

3.2.4 应用结果分析

3.3 本章小结

4 实验系统设计与分析

4.1 实验系统原理

4.2 闭式系统及抽真空

4.2.1 对第一代继承与发展

4.2.2 系统设计及关键技术

4.3 弹性模量检测系统

4.3.1 第一代测量装置

4.3.2 测量系统设计及关键技术

4.3.3 测量装置综合误差分析

4.4 液压伺服缸系统

4.5 电控系统设计

4.6 本章小结

5 弹性模量实验分析

5.1 油液的静态弹性模量

5.1.1 检测方法与数据记录

5.1.2 检测结果的重复性

5.1.3 混气油液的静态弹性模量

5.2 液压系统的含气量

5.2.1 油液的含气量测量

5.2.2 抽真空处理

5.3 油液的动态弹性模量

5.3.1 检测方法与数据记录

5.3.2 原始系统的动态弹性模量

5.3.3 抽真空处理后的油液弹性模量

5.3.4 弹性模量的数值拟合

5.4 本章小结

6 伺服液压缸特性分析

6.1 原始系统的响应特性

6.2 抽真空后系统特性

6.3 基于动态弹性模量的系统特性分析与设计

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 工作展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果