（机械电子工程专业论文）深海环境下电液比例变量泵流量特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着陆地资源的匮乏和海洋探测技术的发展，目前，人类已经发现的海洋资源足够 人类使用很长一段时间，但目前深海机械的发展还相对落后，主要原因在于深海环境要 求深海机械具备抗高压、低故障率、耐低温和耐腐蚀的特性。液压源作为深海机械中重 要的动力源设备，其性能的好坏将决定机械的工作性能，而流量作为液压源的重要输出 量之一，将直接决定工作装置( 如液压缸、液压马达) 的运动速度等特性，因此，需要 研究变量泵元件参数、系统其它参数和深海环境对液压系统的流量输出特性的影响。本 论文的研究分以下几部分： ( 1 ) 介绍液压油的密度、粘度等属性，并结合以往学界的研究成果，得出本论文适 用的密度、粘度、有效体积弹性模量等计算公式； ( 2 ) 结合物理定律( 牛顿第二定律、动量守恒等) ，建立深海动力源仿真模型，并通过 修改( 电液比例阀阀芯质量、控制柱塞质量、p i d 控制器中k p 等) 参数，分析研究阶跃输 入信号下系统流量特性，以作为未来开发更为先进的深海液压源系统的参考； ( 3 ) 深海环境下，系统的观察并不直观，因此，本文开发了一款能适用于深海环境 的监测系统，该系统以l a b v i e w 为软体，应用p c i 8 6 2 2 采集卡为采集前端，采用基于高 级语言的模块化设计简化了程序。此监测与分析程序既可以用于信号的监测与采集，同 时，也可完成流量压力曲线分析和幅频、相频特性分析； ( 4 ) 在8 6 3 项目的经费支持下，设计了深海液压动力源系统，并采用陆地模拟试验 方式测试该系统。本文将阐述试验的试验方法、试验条件、试验设备和试验结论，通过 高压模拟试验，研究分析了深海环境和流量输入电压对系统输出流量特性的影响，为深 海控制器及变量泵开发提供了参考。 关键字：深海，流量控制特性，电磁比例阀，m t l a b ，l a b v i e w ，粘度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 量i l l!皇曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼皇曼皇皇蔓曼曼!曼曼量 a b s t r a c t w i t ht h ed e f i c i l e n to fl a n dr e s o u r c 燃a n dm a r i n ee x p l o r a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t , a t p r e s e n t , m a n k i n dh a sf o u n dt h a tr e s o u r c e si nd e e - s e at h a tc a l lu s ef o ral o n gt i m e , b u tt h e d e v e l o p m e n to fd e e p s e am a c h i n e r yi sr e l a t i v e l yb a c k w a r d b e c a u s et h ed e e ps e ae n v i r o n m e n t r e q u i r e st h em e c h a n i c a lm a c h i n eh a st h er e s i s t a n c ew i t hl o wf a i l u r er a t e ，t e m p e r a t u r ea n d c o r r o s i o nr e s i s t a n tp r o p e r t i e s h y d r a u l i cs o u r c ea sa l li m p o r t a n td e e p s e am e c h a n i c a lp o w e r s o u i c oe q u i p m e n t , t h ep e r f o r m a n c eo fi tw i l ld e t e r m i n et h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e , a n df l o w a sa ni m p o r t a n ts o u r c eo fo u t p u tp o w e r , w h i c hw i l ld i r e c t l yd e t e r m i n et h ew o r k i n gd e v i c e ( s u c ha sh y d r a u l i cc y l i n d e r s ，h y d r a u l i cm o t o r s ) a n dv e l o c i t yc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e r e f o r e ，w em u s t s t u d yh o wt h es y s t e mp a r a m e t e r sa n dt h ed e e ps e ae n v i r o n m e n te f f e c ts y s t e mp e r f o r m a n c eo f t h ef l o w t h i sr e a r c hp o i n t st h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： ( 1 ) i n t r o d u c eh y d r a u l i co i ld e n s i t y , v i s c o s i t ya n do t h e rp r o p e r t i e s o b t a i nt h ef o r m u l ao f t h e d e n s i t y , v i s c o s i t y , e f f e c t i v ev o l u m em o d u l u so fd a s t i c i t yi nt h i sp a p e r , c o m b i n e dw i t hp r e v i o u s a c a d e m i cr e s e a r c hr e s u l t s ； ( 2 ) e s t a b l i s ht h ed e e p - s e as i m u l a t i o nm o d e lo ft h ep o w e rs o u r c ew i t ht h el a w so f p h y s i c s ( c o n s e r v a t i o no fm o m e n t u m , n e w t o n ss e c o n dl a w , e t c ) a n s y st h eo u t p u ts i g n a lo ff l o w b ym o d i f y i n gt h ep a r a m e t e r s ( e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v es p o o lq u a l i t y , t h eq u a l i t yo f c o n t r o lp l u n g e r , k po ft h ep i dc o n t r o l l e r , e t c ) ，a st h e f u t u r ed e v e l o p m e n to fm o r em v a n c e d s y s t e mo fd e e p - s e ap o w e rs o u r cr e f e r e n c e ； ( 3 ) i nt h ed e e p - s e ae n v i r o n m e n t ，t h es y s t e mi sn o td i r e c t l yo b s e r v e d ，t h e r e f o r e , i nt h i sp a p e r d e v e l o pad e e p - s e ae n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m , w h i c hu s el a b v i e wa st h es o f t w a r ea n d u s et h ec a r dp c i 8 6 2 2a st h ea c q u i s i t i o nf r o n t - e q u i p m e n tc a p t u r e t h i sm o n i t o r i n gs y s t e mu s e t h es o f t w a r em o d u l e sb a s e do nh i g h - l e v e l l a n g u a g ed e s i g n t h em o n i t o r i n ga n da n a l y s i s p r o g r a mc a nu s ef o rs i g n a lm o n i t o r i n ga n dc o l l e c t i o n ，a l s oc a na n s y s t h ef l o w - p r e s s u r eo b r v e a n da m p l i t u d ef r e q u e n c y , p h a s e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ； ( 4 ) d e s i g nt h ed e e p - s e ah y d r a u l i cp o w e rs o u r c es y s t e mi nt h ef u n d i n go f8 6 3p r o j e c t s ，a n d u s el a n d - b a s e ds i m u l a t i o na p p r o a c ht ot e s tt h ep o w e rs o u r c es y s t e m t h i sa r t i c l ew i l li n t r o d u c e t h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sa n de x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h r o u g hh i g h - p r e s s u r es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t , a n s y s t h e o u t p u ts i g n a l o ff l o w c h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h ed e e p - s e ae n v i r o n m e n t sa n di n p u tv o l t a g eo ft h es y s t e m ，a sr e f e r e n to f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 d e v e l o p i n gd e e p - s e ac o n t r o l l e ra n dv a r i a b l ep u m p k e yw o r d s ：d e e p s e a , f l o w c o n t r o l c h a r a c t e r i s t i c s ，e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l v a l v e , m a t l a b ，l a b v i e w , v i s c o s i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 辽阔富饶的海洋占了地球总面积的近7 1 ，海洋的意义不可忽视，它是一个“蓝色 宝库 5 1 。海洋里蕴藏着极为丰富的矿产资源、海洋生物资源和动力资源。由于技术难 度特别大，深海金属矿产资源的开采收到严重的制约。直到2 l 世纪，随着陆地金属矿产 资源逐渐枯竭和经济发展对这些矿产资源的需求日益增加，世界上各国开始对此领域进 行大规模投资，海洋矿产资源的开发研究也取得了一些可喜的成果。随着科学技术的进 一步发展，深海金属矿产资源开发必将成为一项高产出、高效益的产业【2 3 1 。 1 1 研究背景 海洋中蕴藏着丰富的锰结核、石油、富钻结壳、可燃冰及硫化物等资源，可确保各 国原料在未来一定时间内的消耗。据目前的探测发现深海中蕴藏着的石油天然气资源占 全球油气资源总储量的7 2 ，全球范围内探明的大型资源油气田中，海洋油气储量占总 量的5 0 以上，而3 0 0 米水深以下的海水领域，据统计尚有至少1 8 0 0 亿桶的油气储量 未探明，是人类现在已知油气储量的两倍以上【5 7 】 此外，全球大洋中仍储藏着量非常大的可燃冰资源，深海中可燃冰资源常储存于水 深2 5 0 米至1 6 0 0 米的地球地层中，被科学家认为是2 1 世纪的新型能源，其资源总量足 够现在的人类使用近千年。因此，可燃冰可能是石油未来的替代能源，其地位对于一个 国家非常重要，目前各国对可燃冰资源的重视程度不低于对石油资源的重视程度，美国 等发达国家已将可燃冰作为未来战略能源，被国家列入国家级发展规划，并定于在2 0 1 5 年左右进行大规模的试采，日本计划在未来5 1 0 年内能进行可燃冰商业开采【5 7 1 。鉴于 这样的世界背景，一旦可燃冰开采技术成熟，全球范围内对可燃冰的大规模开发与利用 必将展开。 此外，据有关机构统计，大洋海底多金属结核总资源量为3 万亿吨左右，有商业开 采价值的达7 5 0 亿吨，未来该资源的开采具有广阔的前景。以锰结核资源为例，每平方 米的海底约有6 0 千克的资源量，锰结核中5 0 以上是氧化铁和氧化锰，另外还含有锌、 镍、钼、钴等2 0 多种有色金属元素。如果按照当前世界金属消耗水平估算，仅太平洋海 域海层中锰结核储量就可供全球数百年之需，其中含有的稀有金属，如镍可供人类使用 1 5 万年左右，锰可供使用2 4 万年左右，钴甚至可供使用1 0 万年1 5 7 。不仅如此，锰结 核的增长很快，平均每年以1 0 0 0 万吨的速度在海底层中堆积，真正可称得上是人类取之 不尽的“矿产资源一。 我国位于亚洲大陆东部、太平洋西部，拥有长达1 8 ，0 0 0 多公里的海岸线和6 5 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 多个面积在5 0 0 平方米以上的岛屿，且地理位置优越、气候水温条件极适宜海洋生物的 生长，在海洋资源开发上有着得天独厚的条件 4 4 1 。 深海资源开采中，金属矿产的开采是最受关注的技术，拥有广阔的应用空间，其技 术的先进程度将影响到一个国家的机械制造水平及加工技术水平。如果一个国家掌握了 此方面的技术，必将占领海洋资源开采的先机，势必带来巨大的经济效益，且其技术有 转为国防军用的可能性，有一定的国防意义。我国在“十一五 规划期间，开展了多项 深海机械技术方面的开发，如海底向海面输送技术，依托此项目可开展以下几方面的研 究： ( 1 ) 研究一种能从大洋海底向海面输送不同矿物资源的输送技术( 包括适合不同水 深和开采条件的机械提升及各种机械联合提升技术) ； ( 2 ) 研究固体矿物海底装载技术； ( 3 ) 研制适用于深海矿物提升的管道、设备定位方法和提升过程测控技术。 基于以上背景，在“十一五规划期间，国家8 6 3 项目“深海节能型集成液压动力 源关键技术研究 ( 编号：2 0 0 6 a a 0 9 2 2 2 6 ) 在突破深海液压动力源的关键技术，通过系 列化的标准化设计，为深海装备提供可靠、稳定、通用的成熟产品四】。本文以此项目为 依托，开展深海变量泵的流量特性研究，为将来深海技术提升打下基础。 1 2 深海液压系统 深海采矿机械中，各种传动方式均得到不同程度的广泛应用，其中液压系统所具有 的高功率密度等特点，使其占有很广的应用地位【6 】。液压泵采用液压油作为介质，其分 类有很多不同形式，通常由交直流电机驱动。液压泵作为动力元件，可驱动将液压能转 换为机械能的装置工作，如液压马达、液压缸等。通常液压系统可实现位移、转动等形 式的运动【6 】。深海环境中，环境压力高，海水腐蚀性强，因此，对液压系统中某些系统 部件需要针对特殊环境进行专门设计。 交直流驱动电机一深海电机的设计必须首先考虑其密封性才能保证工作的顺利进 行。通常深海电机采用内充油式电机，以适应深海环境下系统外界巨大的压力以及海水 的良好导电性能，其电机的外壳材料采用如钛合金等高强度、耐腐蚀的金属材料。在保 证其材料的可靠性之后，其密封性较好实现，但对于电机线圈，设计时，必须考虑其特 定的深海环境1 6 j 。 电液比例液压阀一在深海环境中，与陆地环境不同，不可人为地进行监测和操作， 因此，系统必须采用远程控制方式进行控制，且必须具有良好、稳定的工作性能，否则 容易造成机械设备的丢失或增加深海设备的开发时间，同时，由于电液比例液压阀仍需 克服深海环境压力高等特点，必须进行专门的压力补偿设计，使比例阀工作时拥有与陆 地系统一样的工作性能。比例阀内部电磁铁线圈也需要做相应的修改，使其特性不至于 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 因压力过大而失效，通常，电液比例阀线圈采用湿式线圈【6 】。 放大器一深海环境放大器与大气环境放大器最大的区别就在于深海放大器的压力 控制信号必须是系统输出压力与环境压力的差值压力，否者无法适应深海高压的环境工 况，同时，由于深海工况下，放大器容易受潮，因此，放大器必须做防潮处理，以提高 放大器的性能稳定性和延长放大器的使用寿命。 1 3 深海机械的发展 目前深海机械的发展已到了一个相对成熟的阶段，各国对于深海小型机械的研究主 要集中于远程控制，而大型机械的模型主要定位于石油平台，某些国家已经完成了技术 的储备，一旦时机成熟，就可大规模投产，占领世界市场。 1 最早进行大规模深海机械的研发时间为上个世纪7 0 年代，其中以美国活跃最为频 繁，先后与世界上多个国家的公司合作，开发了多种能适用于深海工况的采矿机械。先 后参与研究的公司及协会有；肯尼特集团、海洋采矿协会、海洋管理公司等，这些机构 均完成了实际的海洋采矿实验，能够在5 0 0 0 米水深环境下，完成上百吨的金属矿开采任 务，已具备实际生产水平【5 8 1 。 法国等欧洲国家也在7 0 年代陆续有了自己的深海发展计划，其主要研究机械包括 穿梭潜水器采矿系统、流体提升机械系统等【5 8 】而俄罗斯的深海机械研发集中于1 0 0 0 米以内的浅海机械，并于8 0 年代末9 0 年代初完成了实验研究，证明了技术的可行性 亚洲国家中日本深海机械发展较早，技术较为成熟，先后完成了各种深海采矿机械 及深海探测技术等的研发，早在9 0 年代就完成了集矿机械和扬矿机械的单体实验，并取 得成功。 1 4 比例变量泵控制基础 比例变量泵的控制是系统重要的组成部分，以泵的控制形式将变量泵分为两种：开 环泵和闭环泵。开环泵采用开环控制，闭环泵采用闭环控制。系统工作时，开环控制由 于其工作时直接接受控制器输出信号，并执行，因此容易受到环境压力、液压油温度等 因数的影响，使其工作特性非常不稳定，不利于系统的正常工作；与开环系统相比，闭 环系统增加了反馈环节，使控制器能够根据系统反馈的信号重新修正控制器的输出电压， 调节系统输出特性，维持系统工作稳定，因此，闭环泵更适用于环境复杂的系统，且其 控制精度、稳定性等特性均能保持较好效果 2 3 1 1 7 1 。 1 5 比例流量控制技术的发展 早在2 0 世纪6 0 年代末就出现了单级比例节流阀，但这种阀只适用于小流量场合， 因其电机械转换器输出力小且行程有限。至2 0 世纪8 0 年代后期，位移反馈型三通比例 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 节流阀问世【眨】，实现了一个阀控制差动液压缸的双方向动作。为实现对流量等系统特性 的线性化控制，美国穆格公式利用系统反馈特性研制出了能精确控制压力及阀口开度的 比例阀【1 0 1 ，同时，我国浙江大学也研制出了比例控制型的三通比例节流n 1 3 】。 早期的流量控制阀容易受到节流口开度及压差影响，流量特性不好，而后工程师采 用先导式定差减压阀改善该阀的工作性能，并提高了效率。日本油研公司利用节流阀的 电反馈提高了这种比例阀的流量控制精度【1 0 1 。 从2 0 世纪8 0 年代后期开始，出现了流量闭环控制的比例流量阀。德国亚琛大学研 制出主阀芯位移和流量传感器位移双电反馈的比例流量阀，用主阀芯位移电反馈改善稳 定性【1 4 】【1 0 】。以后各种新的控制理论不断出现，大大的提高了流量电磁阀的控制性能，同 时降低了阀的故障率。 二 随着能源新市场( 即海洋市场) 的出现，与深海设备相匹配的液压阀开始出现，以 提高深海机械的工作性能。美国f l o w s e r v e 公司s t a r p a c 智能控制阀在深海油井平 台实验成功，s t a r p a c 智能控制阀能够根据检测的压力、流量和温度等信号控制机械 自动化工作，有很强的实际意义【1 0 】。 1 6 虚拟仪器简介 第一代虚拟仪器是一种模拟指针式仪表，其工作原理是电磁感应原理。随着2 0 世 际5 0 年代到6 0 年代时期电子管、晶体管的出现，市场上出现了分立元件式仪表。至7 0 年代，集成电路出现，相继诞生了数字式仪表【4 5 】。进入8 0 年代后，微处理器出现，由 于计算机的强大运算能力，开始出现全新的数据采集及处理仪器一虚拟仪器。 虚拟仪器由计算机与软件和硬件相结合，能高效灵敏地完成各中测试工作【l s 】。其概 念最早由美国国家仪器公司n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 提出，并完成了产品开发，为后 来虚拟仪器的发展做出了重要贡献。 与传统仪器相比，虚拟仪器具有性能高、扩展性强、开发时间短和无缝集成等优点。 虚拟仪器的发展伴随着微机的发展而不同，共分为五种： ( 1 ) p c 总线式一即插卡型虚拟仪器； ( 2 ) 并口型虚拟仪器； ( 3 ) g p i b 总线型虚拟仪器； ( 4 ) v x i 总线型虚拟仪器； ( 5 ) p x i 总线型虚拟仪器。 从其分类上能够看出虚拟仪器的发展分为两种轨迹【4 5 】： ( 1 ) g p m v s 卜叩x i 总线方式，其各自分别诞生于1 9 7 8 年、1 9 8 7 年和1 9 9 7 年； ( 2 ) p c 插卡一并口式一串口u s b 方式，其各自诞生于8 0 年代初、1 9 9 5 年和1 9 9 9 年。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 7 本文研究内容 液压传动应用到深海机械，其性能的好坏直接影响深海机械的作业性能与效率，而 深海液压泵是重要的动力装置，因此研究深海泵元件非常必要，可以改善深海泵的性能， 提高整机作业性能。 深海环境下由于压力高、温度低，导致液压油的粘度等参数发生变化，而在液压系 统中油液属性对系统的影响非常大，同时深海下由于海水的波动会导致负载流量的波动， 本文基于这样的背景下，研究深海环境下，闭环泵中电磁阀质量、流量控制弹簧、流量 控制阀芯质量等元件相关参数对系统输出流量特性的影响，同时探讨深海环境的p i d 控 制参数对系统流量特性的影响。 。 本文系统仿真研究内容为： ( 1 ) 讨论深海环境下体积弹性模量、压力和温度对油液粘度的影响； ( 2 ) 用m a t l a b 中s i m u l i n k 模块建立闭式液压泵输出流量模型； ( 3 ) 研究分析有关参数( 液压油属性、流量输入电压、泵参数和p i d 控制器参数) 对系统输出流量性能的影响； ( 4 ) 针对8 6 3 项目“深海节能型集成液压动力源关键技术研究 要求，应用l a b v i e w 软件开发出深海系统数据监测系统，并用此监测系统记录模拟环境下系统各参数性能数 据；阐述深海模拟试验的试验过程。主要研究分析不同深度的压力、不同输入幅值对系 统流量响应的影响和系统的流量跟随性 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章深海电液比例泵的组成及工作原理 2 1 电液比例泵的组成 本论文所研究的深海电液比例泵采用某型号的闭式泵【1 】【1 7 1 ，其变量柱塞泵的控制原 理如图2 1 所示。 l o 工 3 i 油箱2 变量柱塞泵3 角度位移传感器4 控制柱塞5 安全阀6 节流孔7 流量控制阀8 信号放大器 9 电液比例阀1 0 压力传感器 图2 1 电液比例柱塞泵控制原理图 如图2 - 1 所示，深海电液比例柱塞泵主要由控制柱塞4 、角度位移传感器3 、压力 传感器1 0 和信号放大器8 等组成，其中压力传感器共有两个，传感器1 0 1 监测泵出口 压力，传感器1 0 2 监测深海环境压力。 2 2 电液比例柱塞泵的工作原理 根据其结构特点，工作原理可以分为电子控制与液压控制两部分： 2 2 1 电子控制原理 对于电液比例柱塞泵，其电子控制部分主要包括有信号放大器8 、压力传感器1 0 1 、 压力传感器1 0 2 和角度位移传感器3 ，在系统中主要起信号处理及控制作用。工作过程 中，首先由信号发生器产生信号，并输入到信号放大器，然后信号放大器对信号进行处 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 理，包括增益调节、信号叠加处理、脉动调节、压力与流量的电压补偿等【1 刀，并结合压 力传感器和角度位移传感器反馈信号调节输出值，控制泵的正常工作。 2 2 2 液压控制原理 如图2 1 所示，由于液压泵的流量控制过程中安全阀5 、节流孔6 和流量控制阀7 不参与工作，此时控制元件主要包括有变量泵2 、角度位移传感器3 、控制柱塞4 、信号 放大器8 、电液比例阀9 、压力传感器1 0 1 和压力传感器1 0 2 ，其结构简图如图2 2 所 示，图中带箭头线表示液压油的流动方向【1 7 1 。 图2 - 2 电液比例柱塞泵流量控制结构简图 工作过程中，首先将安全阀5 的压力调至一定数值，保证工作过程中安全阀处于关 闭状态，一般调试过程中此液压阀不准许调整，以保证液压泵安全。 流量控制中，压力输入电压值保持不变，通过信号输入装置( 信号发生器) 向电液比 例柱塞泵的信号放大器8 输入控制电压值，信号放大器8 将电压值处理后输出电流至电 液比例阀9 ，该阀在电流的作用下，由电磁铁推动，带动阀9 的阀芯移动，由于电流的 大小与推力之间成比例关系，通过改变电流大小可以线性控制阀9 中阀口开度。 从图2 2 中可以看出，油液经阀9 后进入控制柱塞腔，推动控制柱塞移动，泵的斜 盘角度变化，改变泵的输出流量，同时泵中斜盘角度传感器3 反馈斜盘位置信号，并输 入至信号放大器8 中，经处理后，输出电流信号至电液比例阀9 ，增加或减少流经阀9 的流量，使泵的最终输出流量达到平衡。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 3 深海变量泵特点 深海环境下变量泵的工作原理与陆地工况相同，不同点在于深海工况下，环境压力 高，因此需要将图2 1 中的角度位移传感器3 、信号放大器8 和两个压力传感器进行密 封保护，防止被环境压力压坏。 深海工况下环境压力高，角度位移传感器3 的强度要求高，同时，由于深海环境液 压油粘度增加，角度位移传感器的灵敏度要求高，以适应高粘度下液压油流动性减低的 工况。 深海放大器8 与陆地放大器不同，深海放大器外界环境压力高，系统波动相对较低， 因此对于波动的控制要求相对低。深海放大器的控制压力必须是变量泵出口压力与环境 压力的差值，因此放大器需要具备差动放大功能，如图2 3 所示。 图2 3 差动发大器【2 1 深海环境环境下压力传感器需要有较宽的测压范围，同时，控制精度要求高，以向 差动发大器输入精确的压力信号。 2 4 本章小结 本章对液压泵的流量控制过程进行了介绍，叙述了变量泵内部元件之间的联系，是 建立系统模型的基础。介绍了深海环境下变量泵中角度位移传感器、信号放大器和压力 传感器的控制精度等特点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第3 章液压油属性基础 液压油是整个液压系统的血液，深海环境下液压油属性将随环境压力的变化而变 化，其属性将影响系统的工作性能【1 5 1 。液压油的物理属性包括密度、粘度、粘温特性、 粘压特性等。 3 1 密度 密度为单位体积内液压油的质量，即 户= 歹m 0 - 1 ) 式中 p 一液压油的密度$ g m 3 ) ； m 一液压油的质量； 矿一液压油的体积( m 3 ) 。 液压油的密度将随液压油的温度和压力而变化。深海环境下，液压油的质量不变， 求得变化后的液压油体积后，可根据式( 3 1 ) 得深海环境下液压油密度。 3 2 粘度 液压油流动时，由于液压油分子间的相互作用，产生阻碍液压油流动的力，这个力 就叫做内摩擦力，而粘度就是衡量这种内摩擦力大小的一个物理量【1 5 1 。 根据牛顿液体内摩擦定律：流体层间的内摩擦力e 与层间接触面积么及层间相对流 速如成正比，而与此二层间的距离a y 成反比【1 6 1 。 c = 么d - u ( 3 2 ) f = 冬= z = d u ( 3 - 3 ) 4咖 式中 _ d u 速度梯度； 缈 一动力粘度( p a s ) 。 动力粘度的物理意义为：液体在单位速度梯度下流动时，单位面积上的内摩擦力1 6 1 。 动力粘度的国际单位为帕秒( p a s ) 。 液体动力粘度与密度p 的比值称为运动粘度y 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 y ：竺 ( 3 4 ) p 运动粘度的国际单位是r r l 2 s 1 。 深海环境工况下，液压油的工作环境变化，粘度随之变化。影响液压油粘度变化的 因素主要有温度和压力。液体的粘度与油液温度的关系叫粘温特性；液体的粘度与油液 压力的关系叫粘压特性。 3 2 1 粘温特性 液压油的运动粘度对温度很敏感 1 6 1 ，随温度的升高而急剧减小，随温度的降低而急 剧增大( 如图3 1 所示) 。工业中将液压油在一定温度下的运动粘度作为液压油品牌号标 示。 图3 - 1 粘温特性曲线图【j 曰 通常情况下液压油的粘温特性近似关系为1 6 】： 屹= ( 争一 式中 咋温度为f 时液压油的运动粘度( n l m 2 s ) ； 温度为5 0 液压油的运动粘度血l l n 2 s ) ： ，广指数。 刀与的对应关系如表3 - i 所示： 表3 - 1 液压油粘温指数关系【1 6 】 ( 3 - 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 3 2 2 粘压特性 当油液压力增加时，液压油分子间距缩小，内聚力增加，其粘度也增加，其关系满 足以下公式【1 6 1 ，以3 2 m m z s 为例，其曲线变化关系如图3 2 所示： y p = v o e 印 ( 3 6 ) 式中 v o 一大气下( 1 0 0 m p a ) 液压油的运动粘度( m m 2 s ) ； l ，p 压力为p x l 0 2m p a 时液压油的运动粘度( m m 2 s ) ； 卜系数，对液压油b = 0 0 0 2 0 0 0 3 ； r 自然对数之低。 图3 - 2 粘压特性曲线图 3 3 液压油的压缩性 通常情况下不考虑液压油的压缩性，但深海工况，环境压力高，其压缩性不可忽略。 当液压油受到外界压力作用，并引起体积减小的属性叫液压油压缩性，常用压缩系数k 衡量，将其定义为单位压力所引起的液体单位体积的变化1 9 l ，即 悟上等( 3 - 7 ) a p矿 式中a p 一压力的增加量( a ) ； 矿一体积的增加量( m 3 ) ； 矽乙加压前液压油的体积( m 3 ) 。 一般情况下，液压油的压缩性在液压油体积发生很大变化时才考虑，系数k 通常取 值范围为( 5 7 ) x 1 0 1 0 m ：n ，将k 的倒数定义为液压油的体积弹性模量，用足表示： k = 妻一等y ( 3 - s )七矿 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 当液压系统中有空气混入液压油时，将会导致体积弹性模量减小，因此液压系统中 需要尽量避免空气混入液压系统。 3 4 有效体积弹性模量 决定压力变化值中，压力区域总容积y 与g 的影响比较直观，而体积弹性模量影响 因素多，且不直观，常被人忽略【4 】。事实上，有效体积弹性模量并不等于手册中所查询 的数值，由于液体中常有不溶解于液体中的气体，而且盛装液体的固体壁面有弹性，所 以真正有意义的并非工作液体体积弹性模量值，而是在内含气体等条件下，实际表现出 来的体积弹性模量值，这就是我们所说的有效体积弹性模量。 对于有效体积弹性模量，常用以下算式估算【4 】： 上：上+ 上+ 兰上 ( 3 9 一) = + + 一 1 3 - ) e te c e t ye i 、。 式中e 一压力区固定容器的弹性模量 口a ) ； 互手册中所查询的体积弹性模量( m p a ) ； 圪一液压油中所含气体体积( m 3 ) ； t 气体绝热弹性模量( a ) 。 ，1 根据乓= 詈p ，对空气而言，乓= 1 4 p ，其中q c 为定压比热容与定容比热容 v ， 之比【4 】。 固定容器体积弹性模量e 难以精确计算，常用决定液压系统容积体积弹性模量的主 要部分替代，其近似公式为【4 】： 7 e = 云乓 ( 3 - 1 0 ) 式中 层，一固体容器材料弹性模量( a ) ： 驴固体容器壁厚和内径( m ) 。 如图3 3 、3 - 4 所示，为某液压油的有效体积弹性模量与压力和温度的变化情况，从 图3 3 中可以看出，在压力小于1 0 m p a ，其有效体积弹性模量随压力变化明显，当压力 高于1 0 m p a ，其体积弹性模量趋于稳定，因为此时混入液压油中的气体溶解于液压油中， 不再对液压油的体积弹性模量产生明显影响 4 1 ，因此对于深海1 0 0 0 米以下工况，不考虑 有效体积弹性模量随压力的变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 言 厶 至 一 啪 栩 颦 掣 教 嚣 最 较 妊 ， ，步 一一 _ 一 ，。 一一 少 ，一一 ，一一 一一一一 _ ，一一 一，i 一 一一 莲 ， ，。多 _ ，_ 一 ，一 多， 一一 一一： 多少 多 o 2 0 6 01 0 01 4 0 3 5 本章小结 液压油的粘度与深海环境的压力及温度有很大关系，随系统油温的升高而减小，随 压力的增加而增大 文中通过引入一个能够反映一定工况下液压油有效体积弹性模量的计算公式，表明 液压油的有效体积弹性模量在深海工况下随压力增加而增大，但随温度增加而减小。 如 ” 加 ” 加 ；厶z17栅颦单蓉燕羽林城 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第4 章深海电液比例泵流量控制模型 液压泵的数学模型包括其理论基础及理论模型两部分。深海工况下，虽然液压油密 度、粘度等发生了改变，但系统中薄壁小孔、滑阀流量、液动力、液压油泄漏量等物理 量计算方法及变量泵元件的工作原理不会变化，环境的变化只影响公式中的参数值。 4 1 理论基础 4 1 1 薄壁小孔 当l i d 0 5 ( 即小孔通流长度与孔径的比值) 时，此孔就成为薄壁小孔，如图4 - 1 所示。薄壁小孔的孔口边缘为刃口形【1 9 1 。 图4 _ l 薄壁小孔示意刚例 当有液体流过薄壁小孔时，液流由于惯性作用将形成收缩断面c c ，而后扩散，这 个过程造成能力损失，改变了液流的状态【1 9 1 。 当aid 7 ( 小孔前方直径与孔直径的比值) 时，液流不受孔前通道影响，称为完全收 缩形小孔，当a i d 7 时，此时液流为不完成收缩，小孔前方通道对液流起导向作用【1 9 1 。 如图4 _ 1 所示，根据伯努利方程，可得： 且+算=旦+堕29+xh,pg2 9p g2 9 件1 ) 为薄壁孔损失能量，= 心+ k 2 ，心。= 拜( 2 9 ) ，k ：= ( 1 - a 0 x a o ；( 2 9 ) ， _ 一i一 4 。 o 由于4 c ，故： g = c 慨怦 ( 4 - 5 ) 式( “) 、式降5 ) 中q 数值参照图4 - 3 所示，图中，虚线1 表示- c , 时的理论线， 虚线2 表示 c 时的理论线，实线则表示试验测定结梨1 9 1 4 1 3 液动力 液体流动时，由于速度大小和方向的改变，在阀芯上产生的附加作用力，此力就叫 做液动力，根据液动力产生的原因分为稳态液动力和瞬态液动力两种【1 】刚。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 4 1 3 1 稳态液动力 稳态液动力就是指流入与流出阀腔，但液体流量不变时所形成的液动力。 在讨论液动力之前，需要设定一个与阀芯动作有关的特定空间，用以研究液流对阀 芯动作影响的大小，该特定空间就是控制容积【2 0 1 。假设流出控制容积和流入控制容积的 动量差为稳态力乃；流出控制容积与流入控制容积时对固体的作用力，为稳态液动力 乃，则： 只与e 大小相等，方向相反。 如图4 _ 4 所示，取a a 断面、b b 断面、阀芯和阀体壁面共同组成控制容积，根据 动量守恒原理，可得： 弓= a ( p q o )睁6 ) 根据以上分析，结合式( 4 6 ) ，可知：稳态液动力的两个分力为【2 0 】： 焉s c 0 s i n 0 臼( 霍富裟 【- 嘭 径向分力) 、7 由于滑阀阀1 2 处开有环形槽，径向力相互抵消，根据式件6 ) 和式( 4 _ 7 ) ，可得： 气= 一p q ( v 2c o s o mc o s 9 0 9 ) = 一户q 屹c o s 0 ( 4 - 8 ) 若b b 截面为流入，则式( 4 8 ) 为正号，由式可知，巧。的方向与v 2c o s 0 的方向相反， 指向阀i ：l 关闭状态【2 0 1 。 结合式件2 ) 、式( 4 5 ) 和式( 4 8 ) ，可得： 厶= - 2 e c , w x e o s e ( 4 - 9 ) 式中 c 一流量系数； e 速度系数； w 过流面积梯度( m ) ； 负号一力与液流速度的方向相反。 通常由于w x ，因此液流为二维流体。根据冯密塞斯的计算，假定流动无旋、 无粘度、不可压缩、阀芯与阀孔无间隙下，液流的射流角p = 6 9 。，若取c = 0 6 1 、 q = o 9 8 ，可得：& 毒- o 4 3 w x a p 。 若用进出口压力来计算此力【1 7 1 1 1 ，可表示为： 巳窜- 0 5 7 w x a p ( 4 - 1 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 式中卸进出油口压差( m p a ) 。 图4 - 4 圆柱滑阀稳态液动力示意图 4 1 3 2 瞬态液动力 如图禾5 所示，当阀芯以一定速度向右移动时，由于节流口面积的变化，改变阀腔 的液流流量，致使液体在环形阀腔内流量变化 2 0 。由于滑阀阀芯对液流的作用，使控制 容积内流体受到外力作用，此外力即为瞬态液动力e ，而液流对阀芯的反作用力为e 图4 5 圆柱滑阀瞬态液动力不恿图 假设4 ，为横截面面积，则根据动量定律得： 互= 一础掣一以警 + ( 4 - 1 1 ) 结合式( 4 5 ) ，可得： f t - 一- l a 柄妄一丽l c , t w x 百d ( a p ) 对一般的压力和流量等的调节过程而言，开口量x 的变化对结果的影响较大，而压 力的变化影响并不显著【2 0 】【l 】，因此，上式简化为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 互= 屯q 嘶面去( 4 - 1 3 ) 4 1 4 液压油泄漏 液压系统中泄漏不可避免，其种类也非常多，深海工况下，由于粘度升高，液压油 流动性变差，因此，泄漏量相对小，泄漏的结构形式与陆地相同。如图4 - 6 所示【1 9 1 ，是 一种滑阀阀芯与阀套间的泄漏，假设圆柱阀芯直径为d ，缝隙值为h ，缝隙长度为z ，则 可以得出这种缝隙的泄漏量为： g ；7 r d h 3 a p ( 4 - 1 4 ) 口= 一 。 1 2 r l 式中 卸= l p l - p 2 ； ，7 一液压油动力粘度( p a s ) 。 图4 _ 6 同心圆环缝隙泄漏1 9 l 4 2 比例泵元件理论模型 4 2 1 电液比例阀的理论模型 假设电液比例阀9 为二位二通且零开i ：i 阀。由力平衡原理【1 7 】【，可得： 玛州户吲4 一o 5 7 们吲一l g g w 9 2 p ( p _ p 9 ) d 万x 9 = 鸠鲁+ 石鲁+ 岛而 件1 5 ) 式( 4 15 ) 拉斯变换后，得： 蜀南o ) + ( 4 - z 1 ) ( p ( s ) 一b 0 ) ) = u 毛s 2 + c a + 乞弦+ ( 岛+ 毛) ) 而o ) ( 4 - 1 6 ) 式中 z i = o 5 7 w g x 9 0 ，z 2 = l g w 9 , j 2 p ( p o 一) ，7 , 3 = 0 5 7 w 9 ( p o 一) l 卜电磁铁的电磁力系数( n a ) ； 万一滑阀阀芯与阀套之间的间隙( m ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 一液压油动力粘度系数( k g m s ) ； 4 滑阀9 阀芯端面积( m 2 ) ； 石一滑阀阀芯运动时的粘性阻尼系数，石= 兰兰； 口 反一滑阀阀芯直径( m ) ； 毛滑阀弹簧的刚度( n 触) ； 滑阀的质量 曲： 毛一电液比例阀输入电流( a ) ； 厶进出油口间的距离( m ) ； 而一阀9 阀芯移动距离； d 一配流圆孔直径( m ) ； 哌一阀9 阀口面积梯度(