液壓舵機(jī)溫升的分析與解決
在某型號液壓舵機(jī)研制中，為了提高液壓舵機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用了恒壓源電液伺服閥式液壓舵機(jī)。舵機(jī)動(dòng)力源采用單齒輪泵，并合理設(shè)計(jì)了各部件的密封形式，有效地控制了液壓舵機(jī)溫升，使液壓舵機(jī)空載連續(xù)工作時(shí)間在1h以上，最大負(fù)載連續(xù)工作時(shí)間達(dá)30min，保證了液壓舵機(jī)在各種技術(shù)要求下的良好使用。
1．液壓舵機(jī)組成和工作原理
液壓舵機(jī)主要由以下部分組成：電動(dòng)機(jī)、齒輪泵、定壓溢流閥、電液伺服閥、本體組合、曲柄活塞等，液壓舵機(jī)的組成和工作原理如圖13所示。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)通電后，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪泵從油箱中吸油，并通過定壓溢流閥作用，建立起液壓舵機(jī)所需的壓力。當(dāng)有控制信號給電液伺服閥時(shí)，伺服閥就會(huì)控制齒輪泵給本體液壓缸腔中的流量，推動(dòng)曲柄活塞運(yùn)動(dòng)，在舵電位計(jì)的反饋?zhàn)饔孟?，?shí)現(xiàn)控制舵面有規(guī)律地?cái)[動(dòng)。
2．液壓舵機(jī)產(chǎn)生溫升的主要因素
液壓舵機(jī)工作中，舵機(jī)溫升的主要原因有：①電動(dòng)機(jī)和齒輪泵由于機(jī)械功率損失、泄漏和液壓損失；②舵機(jī)因溢流閥溢流和伺服閥節(jié)流造成的功率損失；③舵機(jī)因活塞運(yùn)動(dòng)，活塞和活塞缸摩擦造成的功率損失；④液壓舵機(jī)由于油管阻力造成功率損失。這些因素產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致舵機(jī)溫度上升。
在本液壓舵機(jī)中，由于采用的電動(dòng)機(jī)機(jī)械效率較高，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量較少，可忽略不計(jì)；舵機(jī)活塞密封采用了氟塑料組合密封圈，活塞和活塞缸摩擦很小，摩擦功率損失可忽略；另外，舵機(jī)管路較少且管路短而粗，管路損失也可忽略不計(jì)。液壓舵機(jī)發(fā)熱主要由于齒輪泵功率損失、溢流閥溢流和伺服閥節(jié)流損失造成的。
當(dāng)舵機(jī)空載時(shí)，可認(rèn)為舵機(jī)齒輪泵輸出的流量均從伺服閥流出。計(jì)算舵機(jī)溫升時(shí)，只計(jì)算齒輪泵功率損失和伺服閥壓力損失。根據(jù)舵機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)可知，伺服閥壓力損失為2×106Pa左右。
當(dāng)舵機(jī)負(fù)載最大時(shí)，可認(rèn)為舵機(jī)齒輪泵輸出的流量均從溢流閥流失。計(jì)算舵機(jī)溫升時(shí)，只計(jì)算齒輪泵功率損失和溢流閥壓力損失。此時(shí)，溢流閥壓力損失可按4.7×106Pa計(jì)算。
3．空載液壓舵機(jī)溫升計(jì)算
齒輪泵功率損失Pb計(jì)算公式如下
Pb=Nb(1-ηb) (4-1)
式中：Pb為齒輪泵的功率損失；Nb為齒輪泵的輸入功率；ηb為齒輪泵的總效率。
已知齒輪泵輸出壓力p=4.7×106Pa，齒輪泵輸出流量Q=0.03×10-3m3/s，齒輪泵的總效率吼ηb=0.765，則
Pb=Nb(1-ηb)=pQ(1-ηb)/ηb=43.3(J/s)
電液伺服閥節(jié)流的功率損失Pd計(jì)算公式如下
Pd=△pQd (4-2)
式中：Pd為電液伺服閥節(jié)流的功率損失；△p為電液伺服閥節(jié)流的壓力損失；Qd為電液伺服閥流量。
舵機(jī)空載時(shí)，電液伺服閥節(jié)流壓力損失△pd=2×106Pa；電液伺服閥流量Qd等于齒輪泵輸出流量，即
Qd=Q=0.03×10-3m3/s
則
Pd=△pdQd=60(J/s)
舵機(jī)空載時(shí)，總功率損失P0計(jì)算公式為
P0=Pb+Pd=103.3 (4-3)
所以 P0=Pb+Pd=103.3(J/s)
液壓舵機(jī)散熱面積主要由電動(dòng)機(jī)表面積和舵機(jī)本體表面積組成，所以舵機(jī)總散熱功率為
Ps=(K1A1+K2A2)△ti (4-4)
式中：P0為舵機(jī)總散熱功率；K1為電動(dòng)機(jī)散熱系數(shù)；A1為電動(dòng)機(jī)散熱面積；K2為本體散熱系數(shù)；A2為本體散熱面積；△t1為舵機(jī)油溫和環(huán)境溫度之差。
在實(shí)際中，取K1=K2=12W/(m2℃)，A1+A2=0.35(mz℃)，則舵機(jī)總散熱功率
Ps=4.2△ti(J/s)。
液壓舵機(jī)溫升為舵機(jī)總功率損失同舵機(jī)總散熱功率之差，計(jì)算公式為
d△ti/dτ+[(K1A1+K2A2)/∑CiGi]△ti=P0/∑CiGi (4-5)
式中：△ti為舵機(jī)溫升；τ為時(shí)間；Ci為舵機(jī)各部分比熱容；Gi為舵機(jī)各部分質(zhì)量。
設(shè)舵機(jī)開始工作時(shí)溫度和環(huán)境溫度一樣，解式(4-5)得
△ti=[P0/(K1A1+K2A2)](1-e-aτ) (4-6）
式中：a=(K1A1+K2A2)/∑CiGi
由于舵機(jī)主要部分為鋁材料制成，可將鋁比熱容C=0.8883[J/(g·℃)]作為舵機(jī)各部分平均比熱來計(jì)算舵機(jī)溫升。舵機(jī)質(zhì)量按Gi=8000g計(jì)算，代人已知條件，計(jì)算得a=0.00059，所以
△ti=[P0/(K1A1+K2A2)]·(1-e-aτ)=24.6×(1- e-0.00059τ)℃
按上式計(jì)算，當(dāng)τ=0.5h=1800s，△ti=-16.1℃；當(dāng)τ=1h=3600s，△ti=21.66℃。
如果舵機(jī)工作時(shí)間足夠長，可得到舵機(jī)的平衡濕升△tmax=24.6℃。若已知環(huán)境溫度為25℃，則空載時(shí)舵機(jī)最高工作溫度為
T=25+△tmax=49.6℃
4．最大負(fù)載時(shí)液壓舵機(jī)溫升
齒輪泵功率損失Pb計(jì)算公式和空載時(shí)一樣
Pb=Nb(1-ηb)-43.3(J/s)
溢流閥溢流的功率損失計(jì)算公式為
Py=△pyQy (4-7)
式中：Py為溢流閥溢流的功率損失；△py為溢流閥溢流的壓力損失；Qy為溢流閥溢流量。
當(dāng)舵機(jī)負(fù)載最大時(shí)，溢流閥溢流的壓力損失等于齒輪泵輸出壓力，即△py=p=4.7×106Pa，溢流閥溢流量Qy等于齒輪泵輸出流量，即
Qy=Q=0.03×10m/s
則 Py=△py·Q=141(J/s)
所以，舵機(jī)最大負(fù)載時(shí)舵機(jī)總功率損失為
Pf=Pb+Py=184.3(J/s)
最大負(fù)載時(shí)，液壓舵機(jī)總散熱功率和空載時(shí)一樣為
Ps=(K1A1+K2A2)△ti=4.2△ti(J/s)
液壓舵機(jī)溫升為舵機(jī)總功率損失同舵機(jī)總散熱功率之差，即
d△ti/dτ+(K1A1+K2A2)/∑CiGi/△ti=Pf/∑CiGi (4-8)
設(shè)舵機(jī)開始工作時(shí)溫度和環(huán)境溫度一樣，對上式積分計(jì)算得
△ti=[P0/(K1A1+K2A2)](1-e-aτ)=43.88(1- e-0.00059τ)℃ (4-9)
按上式計(jì)算，當(dāng)τ=0.5h=1800s △ti=28.54℃
當(dāng)τ=1h=3600s △ti=-43.25℃
如果舵機(jī)工作時(shí)間足夠長，可得到舵機(jī)的平衡溫升△timax=-43.88℃。若已知環(huán)境溫度為25℃，則液壓舵機(jī)正常蛀高工作溫度為
T=25+△timax=68.88℃
5．液壓舵機(jī)溫升的實(shí)際測試結(jié)果及分析
使用測試儀器是點(diǎn)溫計(jì)，測試環(huán)境溫度為28℃，測試結(jié)果為：液壓舵機(jī)空載時(shí)平衡溫升僅為51℃，最大負(fù)載時(shí)平衡溫升為72℃。
按環(huán)境溫度為25℃計(jì)算，液壓舵機(jī)空載時(shí)平衡溫升為49.6℃，最大負(fù)載時(shí)平衡溫升為68～88℃。從實(shí)際測試數(shù)據(jù)看，液壓舵機(jī)空載時(shí)平衡溫升為51℃，最大負(fù)載時(shí)平衡溫升為72℃，均大大低于航空10號液壓油最高工作溫度，滿足設(shè)計(jì)使用要求。理論計(jì)算和實(shí)際測試結(jié)果基本一致，理論計(jì)算和實(shí)際測試結(jié)果有一定偏差，主要是實(shí)際舵機(jī)散熱面積和理論計(jì)算用散熱面積有一定偏差造成的。另外，通過以上分析也可以看出，液壓舵機(jī)溫升主要原因是舵機(jī)齒輪泵功率損失和閥門壓力損失造成的。
為避免舵機(jī)溫升太快，應(yīng)合理選擇齒輪泵參數(shù)和閥門的壓力損失，提高齒輪泵效率。為更有效減少舵機(jī)溫升，可增大舵機(jī)散熱面積；若舵機(jī)體積有限，可在舵機(jī)表面上設(shè)計(jì)一定的散熱槽，增大舵機(jī)散熱面積，可有效降低舵機(jī)平衡溫升。