低温环境中热冲击载荷对电液伺服比例阀动态性能影响测试

刘鑫宇, 赵保准, 王志文, 熊 伟

(大连海事大学 船舶与海洋工程学院， 辽宁 大连 116026)

引言

随着全球气候变暖加速冰川消融，极地科考、北极航道及极地自然资源开采的巨大潜在价值正受到全球关注。极地船舶、海洋平台等关键基础装备上大量使用了液压传动系统， 甲板及部分舱室的液压系统处于低温和超低温环境中，液压元件及设备对低温环境的适应性和可靠性直接决定了系统及装备整体的功能和性能，是当前极地装备亟待解决的核心关键基础技术之一[1]。

低温环境对液压系统的不利影响是多方面的，且各因素之间存在耦合作用。低温会直接影响到液压介质的黏度，高黏度会增加压力损失、降低效率，使液压元件与设备启动困难、性能下降，甚至会产生气蚀[2-6]。还有可能导致油液中的水分凝固，导致液压元件与系统故障。低温还会导致液压系统内的橡胶密封材料弹性降低，使密封性能与寿命下降，甚至失效[6-8]。在低温环境和高温油液交替复合作用下，由于材料热胀冷缩，极易导致零部件的配合间隙发生变化，尤其是对于液压阀等元件内的滑动副间隙，导致摩擦阻力增大，影响元件性能，甚至产生卡滞、卡死现象，影响元件功能[9-11]。此外，电液伺服控制系统核心的伺服阀使用的磁性材料性能也会受低温影响，可能会引起控制系统的失控[12]。

前人在低温环境对液压元件与系统的影响方面已经开展了一些研究，但定量研究较少，且总体上还不够系统深入。本研究对低温环境下高温液压油的热冲击载荷对电液比例伺服阀动态特性的影响开展试验研究，作为低温环境对液压元件与系统影响研究的补充，并为后续理论研究提供可靠的参考依据。

1 试验系统

在参考前人研究的基础上，设计了一套低温液压综合试验系统[13-17]。试验系统原理如图1所示，系统主要由液压泵站、高低温环境箱、工业计算机控制系统、集成油路机柜以及油冷机五部分组成。系统具有以下特点：液压泵站通过电动高压柱塞泵提供高压大流量液压油，系统最大压力25 MPa，额定流量240 L/min。为了满足综合试验要求，设置有独立的控制泵源，为被试阀件提供独立的控制压力油。控制系统通过闭环自动控制调节压力，采用比例溢流阀进行压力控制，以满足试验过程中控制压力的相对恒定和精确。集成油路机柜通过控制球阀的手动切换，以构成不同的测试回路。油箱设置有独立的加热系统及循环冷却系统，对系统油温进行控制，满足设备长时间运行的需求。高低温环境箱的工作温度范围为-60～100 ℃。测试系统原理如图2所示，该测试系统由液压系统和测控系统两部分组成，采集卡使用研华PCI-1716高频数据采集卡，可以高频采集压力、流量等参数，上位机软件采用LabVIEW平台开发。

1.吸油过滤器 2.蝶阀 3、6.电机 4.变量泵 5、14.球阀 7、18.单向阀 8.高压过滤器 9、21.压力表 10、24.压力传感器 11.温度变送器 12.比例溢流阀 13.进回油沟通换向阀 15、30.流量计 16.蓄能器 17.进油截止阀 19.溢流阀 20.减压阀 22、25.耐震压力表 23.三位四通电磁换向阀 26.温度传感器 27.回油过滤器 28.加热器 29.液位计 S1～S7.球阀

图2 测试系统原理图

2 低温环境热冲击试验

2.1 试验条件

试验过程中液压油温度设定为30 ℃，主泵的出口压力设定为10 MPa。测试油液为长城牌L-HM46抗磨液压油，运动黏度(40 ℃)是41.1～50.6 mm2/s，倾点为-15 ℃。被试阀为某公司生产的电液伺服比例阀，适用的环境温度范围为-20～60 ℃。最大工作压力为31.5 MPa，最大流量为160 L/min，输入控制信号为±10 V。高低温环境箱内模拟的环境温度分别为-15 ℃、-5 ℃、5 ℃和25 ℃。

2.2 试验内容与方法

依据国标GB/T 15623.1—2018[18]进行以下测试项目：被试阀在冷启动条件和热冲击条件下启动时的阶跃响应特性和频率响应特性。具体内容与方法如下：

1) 阶跃响应特性试验

a) 低温环境下的冷启动

将伺服比例阀安装固定于高低温试验箱中，根据试验需要给定高低温试验箱设定值(-15 ℃、-5 ℃)，达到设定值后保温一定时间，一方面保证被试阀温度与高低温环境箱中的低温环境保持一致，另一方面也保证高低温试验箱中的管道油液温度值与低温环境箱的设定值保持一致，从而实现冷启动工况。

b) 低温环境下的热冲击

试验时，提前对油箱中的油液进行加热，为防止油箱内油液加热不均匀，在内泄漏模式下，通过油箱自带的加热器进行加热。根据试验需求设定高低温试验箱的温度(-15 ℃、-5 ℃)，达到设定值后保温。不同于低温环境下的冷启动，热冲击试验需要的是热冲击载荷，为了满足要求，在完成冷启动试验后，开启流量增益试验模式，一方面保证油箱中的高温油液流入被试阀，另一方面也可确保高低温试验箱中的低温油液完全排出，从而实现热冲击工况。

2) 热冲击下的频率响应特性试验

首先将油液进行升温，然后设定高低温箱的温度分别为25 ℃和-15 ℃，保温一定时间。采用上述相同的方法实现热冲击工况，测试热冲击载荷下被试阀的频率响应特性。以一定幅值不同频率的正弦信号为激励信号，以阀芯位置反馈为响应信号，考察响应信号相对于激励信号的幅值变化和相位变化。激励信号幅值设定为额定控制信号的50%，即±5 V。激励信号的频率范围为0.5～25 Hz。

3 结果与讨论

伺服比例阀在不同环境温度下冷启动的阶跃响应特性曲线如图3所示。图4为不同环境温度下冷启动的响应时间t对比图，环境温度为25 ℃和5 ℃时,该被试阀的响应时间在信号值从2.5/5/7.5/10 V变化过程中，依次为(28 ms和31 ms)，(37 ms和36 ms)，(43 ms和45 ms)，(49 ms和51 ms)，可以看出二者的响应时间变化较小。但是当环境温度为-5 ℃和-15 ℃时，其响应时间依次为(37 ms和43 ms)，(41 ms 和63 ms)，(53 ms和72 ms)，(65 ms和93 ms)。测试结果表明该伺服比例阀在不同的环境温度中，给定相同激励信号的情况下，在低温环境下启动相较于在常温环境下启动其响应时间会明显变得更长。主要是由于液压油的黏度随着温度的降低而增大，本试验设备使用的液压油倾点为-15 ℃，另该油的黏度指数为105，说明该油具有良好的黏温特性。由于液压油的黏度变大，流动性变差，液压油的润滑效果也会变差，从而导致阀芯与阀套间的摩擦力加大，故当该被试阀在低温环境下启动的过程中，其响应时间会变得更长。

图3 不同环境温度下冷启动的阶跃响应特性曲线

图4 不同环境温度下冷启动的响应时间对比

伺服比例阀不同环境温度下热冲击的阶跃特性曲线如图5所示。图6为不同环境温度下热冲击的响应时间对比图，在环境温度为25 ℃时，被试阀的信号值从2.5/5/7.5/10V变化的过程中，其响应时间分别是28，37，43，49 ms，但是当环境温度为-5 ℃和-15℃时，其响应时间分别为(34 ms和35 ms)、(38 ms和48 ms)、(48 ms和54 ms)、(53 ms和63 ms)。测试结果表明被试阀遭受热冲击时，环境温度分别为-5 ℃和-15 ℃时， 该伺服比例阀的响应时间要比在25 ℃时长一些。因为相对于被试阀在低温环境下冷启动时，此时油液的流动性更好，阀芯与阀套间的润滑效果会更好。热冲击不同于冷启动的是，被试阀会受到较大温差的热冲击载荷的作用。图7为-5 ℃时冷启动与热冲击对比图，图8为-15 ℃时冷启动与热冲击对比图，可以得出：被试阀在低温环境下，其热冲击的响应时间相较于同条件下冷启动的响应时间会短一些。

图5 不同环境温度下热冲击的阶跃响应特性曲线

图6 不同环境温度下热冲击的响应时间对比

图7 -5 ℃时冷启动与热冲击响应时间对比

图8 -15 ℃时冷启动与热冲击响应时间对比

幅频宽和相频宽是电液伺服比例阀响应速度的度量。不同频率f下幅值比A的变化趋势如图9所示，25 ℃时幅频宽为10 Hz，-15 ℃时幅频宽为8.5 Hz。不同频率f下相位差φ的变化趋势如图10所示，25 ℃时相频宽为17.6 Hz，-15 ℃时相频宽为13.4 Hz。从曲线中可以看出，响应信号的衰减与激励信号频率的变化有关，频率越大，幅值衰减的越严重，相位滞后也越明显。同时不同温度下的试验结果还表明，在不同温度，相同激励信号的频率下，幅频宽值与相频宽值均有所下降，低温环境下被试阀的幅值衰减会更加严重，且相位滞后也更加严重，响应速度也变得更慢。

图9 不同温度幅频对比

图10 不同温度相频对比

4 结论

本研究针对伺服比例阀分别进行了低温环境下的冷启动和热冲击两种工况的动态测试，结果表明：在低温环境冷启动工况下，0 ℃以下，随着环境温度的逐渐降低，伺服比例阀的响应时间会变得越来越长；0 ℃以上，其响应时间的长短受温度的变化影响不大。在低温环境热冲击工况下，随着温度的逐渐降低，伺服比例阀的响应时间也会逐渐增长，幅频宽与相频宽也会相应的减小，说明伺服比例阀的响应速度会更慢。通过对比分析可知，冷启动工况下伺服比例阀的响应时间要长于热冲击工况，但两种工况下响应时间都要明显长于常温工况。初步分析是由于油液温度的降低，其黏度增大，流动性变差，阀芯运动阻力增大。但目前仍不能具体确定热冲击载荷对阀芯阀套配合间隙的影响以及配合间隙变化对阀动态性能影响的程度，需要后续结合数值模拟进行进一步分析验证。