液壓舵機溫升的分析與解決

在某型號液壓舵機研制中，為了提高液壓舵機設計指標，采用了恒壓源電液伺服閥式液壓舵機。舵機動力源采用單齒輪泵，并合理設計了各部件的密封形式，有效地控制了液壓舵機溫升，使液壓舵機空載連續工作時間在1h以上，最大負載連續工作時間達30min，保證了液壓舵機在各種技術要求下的良好使用。

1．液壓舵機組成和工作原理

液壓舵機主要由以下部分組成：電動機、齒輪泵、定壓溢流閥、電液伺服閥、本體組合、曲柄活塞等，液壓舵機的組成和工作原理如圖13所示。

當電動機通電后，電動機驅動齒輪泵轉動，齒輪泵從油箱中吸油，并通過定壓溢流閥作用，建立起液壓舵機所需的壓力。當有控制信號給電液伺服閥時，伺服閥就會控制齒輪泵給本體液壓缸腔中的流量，推動曲柄活塞運動，在舵電位計的反饋作用下，實現控制舵面有規律地擺動。

2．液壓舵機產生溫升的主要因素

液壓舵機工作中，舵機溫升的主要原因有：①電動機和齒輪泵由于機械功率損失、泄漏和液壓損失；②舵機因溢流閥溢流和伺服閥節流造成的功率損失；③舵機因活塞運動，活塞和活塞缸摩擦造成的功率損失；④液壓舵機由于油管阻力造成功率損失。這些因素產生熱量，導致舵機溫度上升。

在本液壓舵機中，由于采用的電動機機械效率較高，電動機發熱量較少，可忽略不計；舵機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，舵機管路較少且管路短而粗，管路損失也可忽略不計。液壓舵機發熱主要由于齒輪泵功率損失、溢流閥溢流和伺服閥節流損失造成的。

當舵機空載時，可認為舵機齒輪泵輸出的流量均從伺服閥流出。計算舵機溫升時，只計算齒輪泵功率損失和伺服閥壓力損失。根據舵機實際設計參數可知，伺服閥壓力損失為2×10⁶Pa左右。

當舵機負載最大時，可認為舵機齒輪泵輸出的流量均從溢流閥流失。計算舵機溫升時，只計算齒輪泵功率損失和溢流閥壓力損失。此時，溢流閥壓力損失可按4.7×10⁶Pa計算。

3．空載液壓舵機溫升計算

齒輪泵功率損失Pb計算公式如下

                          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)

電液伺服閥節流的功率損失P_d計算公式如下

                           P_d=△pQ_d                         (4-2)

式中：P_d為電液伺服閥節流的功率損失；△p為電液伺服閥節流的壓力損失；Q_d為電液伺服閥流量。

舵機空載時，電液伺服閥節流壓力損失△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)

舵機空載時，總功率損失P₀計算公式為

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

 所以                P₀=P_b+P_d=103.3(J/s)

液壓舵機散熱面積主要由電動機表面積和舵機本體表面積組成，所以舵機總散熱功率為

                       P_s=(K₁A₁+K₂A₂)△t_i                   (4-4)

式中：P₀為舵機總散熱功率；K₁為電動機散熱系數；A₁為電動機散熱面積；K₂為本體散熱系數；A₂為本體散熱面積；△t₁為舵機油溫和環境溫度之差。

在實際中，取K₁=K₂=12W/(m²℃)，A₁+A₂=0.35(mz℃)，則舵機總散熱功率

P_s=4.2△t_i(J/s)。

液壓舵機溫升為舵機總功率損失同舵機總散熱功率之差，計算公式為

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

式中：△t_i為舵機溫升；τ為時間；C_i為舵機各部分比熱容；G_i為舵機各部分質量。

設舵機開始工作時溫度和環境溫度一樣，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·℃)]作為舵機各部分平均比熱來計算舵機溫升。舵機質量按G_i=8000g計算，代人已知條件，計算得a=0.00059，所以

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

按上式計算，當τ=0.5h=1800s，△t_i=-16.1℃；當τ=1h=3600s，△t_i=21.66℃。

如果舵機工作時間足夠長，可得到舵機的平衡濕升△t_max=24.6℃。若已知環境溫度為25℃，則空載時舵機最高工作溫度為

T=25+△t_max=49.6℃

4．最大負載時液壓舵機溫升

齒輪泵功率損失P_b計算公式和空載時一樣

Pb=Nb(1-ηb)-43.3(J/s)

溢流閥溢流的功率損失計算公式為

                            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。

當舵機負載最大時，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，舵機最大負載時舵機總功率損失為

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

最大負載時，液壓舵機總散熱功率和空載時一樣為

P_s=(K₁A₁+K₂A₂)△t_i=4.2△t_i(J/s)

液壓舵機溫升為舵機總功率損失同舵機總散熱功率之差，即

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

設舵機開始工作時溫度和環境溫度一樣，對上式積分計算得

            △t_i=[P0/(K₁A₁+K₂A₂)](1-e^-aτ)=43.88(1- e^-0.00059τ)℃     (4-9)

按上式計算，當τ=0.5h=1800s  △t_i=28.54℃

當τ=1h=3600s    △t_i=-43.25℃

如果舵機工作時間足夠長，可得到舵機的平衡溫升△t_imax=-43.88℃。若已知環境溫度為25℃，則液壓舵機正常蛀高工作溫度為

T=25+△t_imax=68.88℃

5．液壓舵機溫升的實際測試結果及分析

使用測試儀器是點溫計，測試環境溫度為28℃，測試結果為：液壓舵機空載時平衡溫升僅為51℃，最大負載時平衡溫升為72℃。

按環境溫度為25℃計算，液壓舵機空載時平衡溫升為49.6℃，最大負載時平衡溫升為68～88℃。從實際測試數據看，液壓舵機空載時平衡溫升為51℃，最大負載時平衡溫升為72℃，均大大低于航空10號液壓油最高工作溫度，滿足設計使用要求。理論計算和實際測試結果基本一致，理論計算和實際測試結果有一定偏差，主要是實際舵機散熱面積和理論計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，液壓舵機溫升主要原因是舵機齒輪泵功率損失和閥門壓力損失造成的。

為避免舵機溫升太快，應合理選擇齒輪泵參數和閥門的壓力損失，提高齒輪泵效率。為更有效減少舵機溫升，可增大舵機散熱面積；若舵機體積有限，可在舵機表面上設計一定的散熱槽，增大舵機散熱面積，可有效降低舵機平衡溫升。