在某型號(hào)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，zui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。國(guó)越貿(mào)易小編為大家?guī)?lái)報(bào)道

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(guò)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(hào)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zui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

                          P_b=N_b(1-η_b)                        (4-1)

式中：P_b為齒輪泵的功率損失；N_b為齒輪泵的輸入功率；η_b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η_b=0.765，則

P_b=N_b(1-η_b)=pQ(1-η_b)/η_b=43.3(J/s)

電液伺服閥節(jié)流的功率損失P_d計(jì)算公式如下

                           P_d=△pQ_d                         (4-2)

式中：P_d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；Q_d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Q_d等于齒輪泵輸出流量，即

Q_d=Q=0.03×10^-3m³/s

則

P_d=△p_dQ_d=60(J/s)

舵機(jī)空載時(shí)，總功率損失P₀計(jì)算公式為

                          P₀=P_b+P_d=103.3                      (4-3)

 所以                P₀=P_b+P_d=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

                       P_s=(K₁A₁+K₂A₂)△t_i                   (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

P_s=4.2△t_i(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△t_i/dτ+[(K₁A₁+K₂A₂)/∑C_iG_i]△t_i=P₀/∑C_iG_i        (4-5)

式中：△t_i為舵機(jī)溫升；τ為時(shí)間；C_i為舵機(jī)各部分比熱容；G_i為舵機(jī)各部分質(zhì)量。

設(shè)舵機(jī)開(kāi)始工作時(shí)溫度和環(huán)境溫度一樣，解式(4-5)得

                    △t_i=[P₀/(K₁A₁+K₂A₂)](1-e^-aτ)             (4-6）

式中：a=(K₁A₁+K₂A₂)/∑C_iG_i

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(lái)計(jì)算舵機(jī)溫升。舵機(jī)質(zhì)量按G_i=8000g計(jì)算，代人已知條件，計(jì)算得a=0.00059，所以

△t_i=[P₀/(K₁A₁+K₂A₂)]·(1-e^-aτ)=24.6×(1- e^-0.00059τ)℃

按上式計(jì)算，當(dāng)τ=0.5h=1800s，△t_i=-16.1℃；當(dāng)τ=1h=3600s，△t_i=21.66℃。

如果舵機(jī)工作時(shí)間足夠長(zhǎng)，可得到舵機(jī)的平衡濕升△t_max=24.6℃。若已知環(huán)境溫度為25℃，則空載時(shí)舵機(jī)zui高工作溫度為

T=25+△t_max=49.6℃

4．zui大負(fù)載時(shí)液壓舵機(jī)溫升

齒輪泵功率損失P_b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

                            P_y=△p_yQ_y                         (4-7)

式中：P_y為溢流閥溢流的功率損失；△p_y為溢流閥溢流的壓力損失；Q_y為溢流閥溢流量。

當(dāng)舵機(jī)負(fù)載zui大時(shí)，溢流閥溢流的壓力損失等于齒輪泵輸出壓力，即△p_y=p=4.7×10⁶Pa，溢流閥溢流量Q_y等于齒輪泵輸出流量，即

Q_y=Q=0.03×10m/s

則                        P_y=△p_y·Q=141(J/s)

所以，舵機(jī)zui大負(fù)載時(shí)舵機(jī)總功率損失為

P_f=P_b+P_y=184.3(J/s)

zui大負(fù)載時(shí)，液壓舵機(jī)總散熱功率和空載時(shí)一樣為

P_s=(K₁A₁+K₂A₂)△t_i=4.2△t_i(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△t_i/dτ+(K₁A₁+K₂A₂)/∑C_iG_i/△t_i=P_f/∑C_iG_i         (4-8)

設(shè)舵機(jī)開(kāi)始工作時(shí)溫度和環(huán)境溫度一樣，對(duì)上式積分計(jì)算得

            △t_i=[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  △t_i=28.54℃

當(dāng)τ=1h=3600s    △t_i=-43.25℃

如果舵機(jī)工作時(shí)間足夠長(zhǎng)，可得到舵機(jī)的平衡溫升△t_imax=-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+△t_imax=68.88℃

5．液壓舵機(jī)溫升的實(shí)際測(cè)試結(jié)果及分析

使用測(cè)試儀器是點(diǎn)溫計(jì)，測(cè)試環(huán)境溫度為28℃，測(cè)試結(jié)果為：液壓舵機(jī)空載時(shí)平衡溫升僅為51℃，zui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℃，zui大負(fù)載時(shí)平衡溫升為68～88℃。從實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)看，液壓舵機(jī)空載時(shí)平衡溫升為51℃，zui大負(fù)載時(shí)平衡溫升為72℃，均大大低于航空10號(hào)液壓油zui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(cè)試結(jié)果基本一致，理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)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(guò)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(mén)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(mén)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。