高速重載液壓系統(tǒng)氣體溶解理論分析

韓賀永，秦麗霞，柳 淵，馬立峰，李永祥

(1.太原科技大學(xué) 機械工程，太原 030024；2.山西盈得液壓有限公司，太原 030024)

液壓系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快，控制精度高等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于礦山機械、冶金機械、航天航空、高速列車、重工業(yè)及工程機械等領(lǐng)域[1-3]。因此液壓系統(tǒng)的性能決定著設(shè)備的穩(wěn)定運行[4-5]。以滾切剪為例，在首臺設(shè)備上采用伺服閥直接安裝在油缸上的方式，油缸高速運動時需要伺服閥提供大流量液體，此時液體經(jīng)伺服閥閥口會因空化產(chǎn)生大量的氣體直接進入液壓缸中，如圖1所示，導(dǎo)致液壓缸內(nèi)部出現(xiàn)氣蝕及密封裝置出現(xiàn)斷裂等破損現(xiàn)象，以及引起液壓系統(tǒng)振動[6-7]等問題，如圖2所示；最終導(dǎo)致液壓系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生不穩(wěn)定的問題，比如設(shè)備在剪切鋼板時，出現(xiàn)未剪斷、積瘤等斷面質(zhì)量差的問題。

針對上述提出的問題將對閥口空化后經(jīng)過閥塊孔道至液壓缸的氣體運動長度進行研究。本論文主要是通過液壓油體積彈性模量來研究閥口空化后氣泡在液壓閥塊孔道中的運動距離，從而確認孔道的長度，所以研究液壓油積彈性模量至關(guān)重要。王靜等[8]通過仿真分析含氣量、壓力和溫度對油液體積模量的影響，并分析了油液體積模量對液壓系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明：當含氣量越大時，體積模量越小。當含氣量越小時，體積模量越大。馮斌等[9-10]通過對油液進行抽真空除氣，以提高油液的彈性模量。2017年唐東林等[11]，通過密度建立了含氣油液有效體積彈性模量理論模型，研究表明隨著初始含氣量的降低，在相同壓力下有效體積彈性模量值增大。2013年徐巨華[12]分析了油液含氣量對伺服系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，結(jié)果表明系統(tǒng)油液經(jīng)過抽真空后油液含氣量減少，油液的彈性模量提高，系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性得到了提高。氣泡在液壓回路中運動是本文的研究重點，了解氣泡特性有助于論文的深入研究。杜學(xué)文[13]分析了閥口空化對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，空化噪聲的影響因素和空化產(chǎn)生的原因等做了闡述。主要針對復(fù)雜閥口內(nèi)部的流道形狀、壓力梯度等和空化現(xiàn)象之間的關(guān)系進行研究，以及空化狀態(tài)下氣穴的數(shù)量等對系統(tǒng)的流量和噪聲特性的影響。Bach等[14]，通過使用過濾器元件分離油中的氣泡來減少夾帶的空氣量。Zhou等[15]，通過計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)仿真及實驗，提出了一種預(yù)測液壓油中空氣釋放和吸收動態(tài)特征的新方法，該方法適用于描述汽化和空氣釋放過程的動態(tài)特征?；诤喕倪\輸方程式，以評估相變速率、空氣釋放和溶解速率。

圖1 滾切剪Fig.1 Rolling shears

圖2 主油缸破壞圖Fig.2 Failure chart of main cylinder

本文主要是對孔道氣體溶解的距離進行研究，提出了閥口空化后的初始含氣量和氣泡運動距離之間的數(shù)學(xué)模型。通過不同閥口初始含氣量得到氣泡運動的長度。研究了根據(jù)閥口初始含氣量的不同，氣體在孔道中的溶解距離也會不同，根據(jù)溶解的距離判定所需孔道的長度以保證更少的氣體進入液壓缸，從而增加液壓缸的使用壽命。同時得到最佳孔道長度使得液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，提高空間利用率。由于采用實驗的方法難以實現(xiàn)故采用理論推導(dǎo)的方法以及通過對設(shè)備進行改良，結(jié)果證明理論的正確性。

1 建立數(shù)學(xué)模型

有效體積彈性模量表征了液壓油的抗壓縮能力，是電液控制系統(tǒng)中的一個重要參數(shù)。當壓力的變化使用微分算子表示時，體積彈性模量則可以表示為

(1)

式中：V為初始油液體積；dp為油液受壓后的壓力增量；dV為油液受壓后的體積變化量;E為油液的有效體積彈性模量，加上負號“-”使E為正值。

油液有效體積彈性模量主要由溶解氣泡后油液體積彈性模量、未溶解氣泡的體積彈性模量和管路附件鋼的體積彈性模量組成。當氣體溶解于油液中時，此時的油液相當于純油。因此，油液的有效體積彈性模量公式為

(2)

式中：El為純油的彈性體積模量，El=1 700 MPa；Eg為未溶解的氣泡的彈性體積模量，Eg=1.4p。

在液壓油中，氣體的存在形式為溶解和壓縮，因此對應(yīng)的含氣量方程為[16]

(3)

(4)

將式(2)、式(3)代入式(4)中，得到含氣量、系統(tǒng)壓力和壓力上升速率的的數(shù)學(xué)模型

(5)

由于氣體溶解度與壓力成線性關(guān)系，因此氣體溶解度與壓力的關(guān)系可以表示為

(6)

式中，δ為溶解度。當液壓油在管內(nèi)流動過程中，氣體的變化量與溶解度之間的關(guān)系為

(7)

式中，s為距離。將式(6)代入式(7)中可得

(8)

將式(5)代入式(8)中可得

(9)

2 仿真分析

本研究仿真模型采用ANSYS15.0建立，如圖3所示。為了增加計算的準確性采用ICEM軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為541 638，其網(wǎng)格質(zhì)量良好，計算精度高，符合Fluent15.0的計算要求，如圖4所示。根據(jù)實際情況在Fluent計算中采用油氣混合模型，分別設(shè)置邊界條件，入口設(shè)置為Pressure-inlet(壓力入口)，入口壓力為26 MPa，出口設(shè)置為Pressure-outlet(出口壓力)，出口壓力為25.8 MPa。將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中進行計算。參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖3 模型Fig.3 Model

表1 Fluent參數(shù)設(shè)置

2.1 建立仿真模型

2.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

2.3 仿真分析

設(shè)置不同的初始含氣量，得到孔道中間截面的不同氣相云圖。如圖5為初始含氣量為0.5%，1%，1.5%和2%時對應(yīng)的氣相云圖(上)，以及局部放大圖(下)。

圖4 計算網(wǎng)格Fig.4 Computing grid

圖5 含氣量為0.5%，1%，1.5%和2%時對應(yīng)的云圖Fig.5 The corresponding cloud image when gas content is 0.5%, 1%, 1.5% and 2%

隨著油液在孔道內(nèi)不斷流動，氣體的含量在明顯減少，氣體逐漸溶解。在4 s內(nèi)含氣量的變化曲線如圖6所示，隨著時間的增加，含氣量越來越少。隨著含氣量的變化，氣體在孔道內(nèi)的距離也在不斷變化，其理論距離和實際距離的變化以及兩者之間的誤差如圖7所示。對比仿真和數(shù)學(xué)模型可以得到，不同含氣量下距離的誤差在10%以下。當閥口空化后初始含氣量為0.5%，溶解氣體的量至0.08%時，孔道長度數(shù)學(xué)模型距離為0.40 m，仿真距離為0.47 m，誤差值為0.08；當初始含氣量為1%，溶解氣體的量至0.2%時，孔道長度數(shù)學(xué)模型距離為0.44m，仿真距離為0.5 m，誤差值為0.09；當含氣量為1.5%，溶解氣體的量0.3%時，孔道長度數(shù)學(xué)模型距離為0.58 m，仿真距離為0.54 m，誤差值為0.068；當初始含氣量為2%，溶解氣體的量至0.3%時，孔道長度數(shù)學(xué)模型距離為0.7 m，仿真距離為0.65 m，誤差值為0.072。

圖6 含氣量變化曲線Fig.6 Gas content curve

圖7 不同含氣量下距離的變化Fig.7 Changes in distance at different air contents

經(jīng)過對閥口至液壓缸的孔道進行改良，設(shè)置最佳的氣體溶解距離，當氣體含量為2%時，設(shè)置最佳孔道距離為0.75 m從而使更少的氣體進入液壓缸，保證了液壓缸得使用壽命，減少液壓缸表面氣蝕，減少氣體的含量從而使液壓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。如圖8所示，在伺服閥和液壓缸之間增加液壓設(shè)定高度的閥塊解決液體空化問題，增強了液壓缸的使用壽命。

圖8 液壓閥塊Fig.8 Hydraulic valve block

3 結(jié) 論

本文主要對滾切剪液壓系統(tǒng)閥口至液壓缸孔道內(nèi)氣體溶解的距離進行研究，基于體積彈性模量、壓力和含氣量之間的關(guān)系，根據(jù)閥口空化后的氣體在孔道內(nèi)的溶解量，首次提出建立閥口空化后的初始含氣量與氣體運動距離的數(shù)學(xué)模型，并對比仿真和數(shù)學(xué)模型發(fā)現(xiàn)兩者穩(wěn)定后誤差小于10%。同時，通過該數(shù)學(xué)模型得到了不同閥口初始含氣量與含氣量逐漸溶解的距離，通過此距離設(shè)計出閥口空化后到液壓缸的最佳孔道長度，能夠更好的防止閥口空化后的氣泡更少的進入液壓缸，以免對液壓缸造成氣蝕，從而增加液壓缸的使用壽命，增加液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。