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    重庆时时彩后一梭哈单: 一种耦合计算液压舵机压力、流量和温度的方法.pdf

    关 键 词:
    一种 耦合 计算 液压 舵机 压力 流量 温度 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201010578087.2

    申请日:

    2010.12.02

    公开号:

    CN102156762A

    公开日:

    2011.08.17

    当前法律状态:

    终止

    有效性:

    无权

    法律详情: 未缴年费专利权终止IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20101202授权公告日:20120704终止日期:20131202|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20101202|||公开
    IPC分类号: G06F17/50 主分类号: G06F17/50
    申请人: 中国人民解放军空军工程大学
    发明人: 曹克强; 李永林; 胡良谋; 刘冰; 李小刚; 侯艳艳; 苏新兵; 李娜
    地址: 710051 陕西省西安市灞桥区长乐东路甲字1号
    优先权:
    专利代理机构: 西北工业大学专利中心 61204 代理人: 王鲜凯
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201010578087.2

    授权公告号:

    |||102156762B||||||

    法律状态公告日:

    2015.01.14|||2012.07.04|||2011.09.28|||2011.08.17

    法律状态类型:

    专利权的终止|||授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明提出一种耦合计算液压舵机压力、流量和温度的方法,在计算模型中包含了液压舵机内油液的压力、流量和温度之间的相互耦合影响关系,提高了计算结果的精度和准确度,从而能更真实、准确地反映液压舵机的实际工作状况,能够实现较准确的液压系统热设计。

    权利要求书

    1: 一种耦合计算液压舵机压力、 流量和温度的方法, 其特征在于 : 将液压舵机的工作 过程按照时间序列等分为 N 个计算区间, 每个计算区间的时间步长为 Δt, 计算总时长 tz = N×Δt, 第 n 个计算区间内包括以下步骤, 其中 1 ≤ n ≤ N, 且 n 为整数 : 步骤 1 : 计算液压舵机中油液的物理特性, 包括油液的动力黏度 μn 和油液的密度 ρn : a、 根据油液的动力黏度模型 计算油液的动力黏度 μn, 其中 μ0 为油液初始压力 pref 和油液初始温度 Tref 下的油液 动力黏度, bp 为压力差对油液动力黏度的一次相关系数, bt 为温度差对油液动力黏度的一 次相关系数, bt2 为温度差对油液动力黏度的二次相关系数, pw 为液压舵机的特征压力, Tw 为 液压舵机的特征温度, ps, pr, Ts, n 为液压舵机的进口油液压力, n 为液压舵机的出口油液压力, Tr, 初始计算时使用设定值, 当 n 为液压舵机的出口油液温度, n 为液压舵机的进口油液温度 ; n = 1 时, Tr, 当 n > 1 时, Tr, n 的初始值选取为环境温度 Tenv, n 的初始值选取为 Tr, n-1 ; b、 根据油液的密度模型 计算油液的密度 ρn, 其中 vs,n 为油液比容, vs0 为初始压力和初始温度下的油液比容, ap 为压力差对油液比容的一次相关系数, ap2 为压力差对油液比容的二次相关系数, at 为温 度差对油液比容的一次相关系数, at2 为温度差对油液比容的二次相关系数, apt 为压力差和 温度差对油液比容的联合相关系数 ; 步骤 2 : 计算液压舵机中伺服阀各通道的流量 : 2 将步骤 1 得到的油液密度 ρn 代入伺服阀流量模型 计算得到液压舵机的进口油液体积流量 qs,n, 出口油液体积流量 qr,n, 进入作动筒 a 腔 的油液体积流量 qa, 其中 q1, n 和进入作动筒 b 腔的油液体积流量 qb, n ; n 为从伺服阀流入作动 筒 a 腔的油液体积流量, q2, q3, n 为从作动筒 b 腔流入伺服阀的油液体积流量, n 为从作动筒 a 腔流入伺服阀的油液体积流量, q4, Cd 为流 n 为从伺服阀流入作动筒 b 腔的油液体积流量, 量系数, U 为伺服阀的正开口量, xv,n 为伺服阀的位移, w 为伺服阀的面积梯度, pa,n 为作动 筒 a 腔的油液压力, 初始计算时使用设定值, 当 n = 1 时, pa, 当n>1 n 的初始值取为 1bar, 时, pa, pb, 初始计算时使用设定值, 当n n 的初始值选取为 pa, n-1, n 为作动筒 b 腔的油液压力, = 1 时, pb, 当 n > 1 时, pb, n 的初始值取为 1bar, n 的初始值选取为 pb, n-1 ; 步骤 3 : 计算作动筒 a, b 两腔的压力 a、 根据微分模型 计算作动筒 a 腔的油液压力 p′ a,n, 其中以 pa,n-1 作为微分模型中 p′ a,n 的计算初值, 当 n = 1 时, 以 1bar 作为 p′ a, B 为油液的体积弹性模量, Va, n 的计算初值 ; n 为作动筒 a 腔 的体积, 当 n = 1 时, 的初始值取为 0, 当 n > 1 时, 的初始值取为 为作 动筒 a 腔的油液质量流量, αp 为油液的温度膨胀系数, ql,n 为作动筒 a 腔与作动筒 b 腔之 3 间泄流的油液体积流量, C 为泄流系数, Sa 为作动筒 a 腔的有效作用面积, xn 为作动筒中活 塞的位移, 活塞处于中立位置时 xn = 0, 且右移为正, La 为活塞向左运动最大行程, Ta, n 为作 动筒 a 腔的油液温度, 以 的计算初值 ; b、 根据微分模型 作为微分模型中 的计算初值, 当 n = 1 时, 以 0 作为 计算作动筒 b 腔的油液压力 p′ b,n, 其中以 pb,n-1 作为微分模型中 p′ b,n 的计算初值, 当 n = 1 时, 以 1bar 作为 p′ b, Vb, n 的计算初值 ; n 为作动筒 b 腔的体积, 为作动筒 b 腔 的油液质量流量, Sb 为作动筒 b 腔的有效作用面积, Lb 为作动筒活塞向右运动最大行程, Tb, n 为作动筒 b 腔的油液温度, 以 的计算初值 ; 作为微分模型中 的计算初值, 当 n = 1 时, 以0作 为 步骤 4 : 计算作动筒活塞位移及负载流量 a、 将步骤 3 得到的作动筒 a, b 两腔的油液压力 p′ a, n 和 p′ b, n 代入微分模型 计算作动筒活塞位移 x′ n, 其中以 x′ n-1 作为微分模型中 x′ n 的计算初值, 当n=1 时, 以 0m 作为 x′ n 的计算初值, m 为活塞质量, Bl 为活塞的阻尼系数, K 为活塞的弹性系数, Fn 为负载力, Fl, kl 为限制力弹性系数 ; n 为限制力, b、 将得到的作动筒活塞位移变化量 dx′ n/dt 代入下面流量计算模型 计算得到进入作动筒 a 腔的油液体积流量 q′ a,n 和进入作动筒 b 腔的油液体积流量 4 q′ b, n ; 步骤 5 : 计算步骤 4 得到的 q′ a, 以及 q′ b, n 与步骤 2 得到的 qa, n 的差值, n 与 qb, n 的差 值, 若两个差值中任一个的绝对值大于设定误差 ε1 时, 则重复步骤 2 至步骤 5, 并以步骤 3 计算得到的作动筒 a, b 两腔的油液压力 p′ a,n 和 p′ b,n 作为步骤 2 和步骤 3 中计算使用 的作动筒 a, b 两腔的油液压力进行迭代计算, 若两个差值的绝对值均小于设定误差 ε1, 则 将步骤 3 得到的作动筒 a, b 两腔的油液压力 p′ a,n 和 p′ b,n 作为以下步骤中使用的作动 筒 a, b 两腔的油液压力 pa, 并继续以下步骤 ; n 和 pb, n, 步骤 6 : 计算液压舵机各部分的换热热流量 : a、 根据模型 计算伺服阀内油液同伺服阀壳体的换热热流量 其中 kv 为伺服阀内油液同伺服阀壳 体的换热系数, Av 为伺服阀内油液同伺服阀壳体的换热面积, Tv,n 为伺服阀壳体的温度, 初 始计算时使用设定值, 当 n = 1 时, Tv, 当 n > 1 时, Tv, n 的初始值选取为环境温度 Tenv, n 的初 始值选取为 Tv, n-1 ; b、 根据模型 计算作动筒 a 腔内油液同作动筒壳体的换热热流量 其中 ka, n 为作动筒 a 腔内油液 同作动筒壳体的换热系数, Aa 为作动筒 a 腔内油液同作动筒壳体的换热面积, Tc, n 为作动筒 壳体的温度, 初始计算时使用设定值, 当 n = 1 时, Tc, 当n> n 的初始值选取为环境温度 Tenv, 1 时, Tc, Nua, n 的初始值选取为 Tc, n-1, n 为作动筒 a 腔内油液同作动筒壳体换热的努赛尔数, λoil 为油液的导热系数, Da 为作动筒 a 腔同作动筒壳体的换热计算的特征长度, Rea,n 为作 动筒 a 腔的雷诺数, Proil, va, cpo 为油液的 n 为油液的普朗特数, n 为作动筒 a 腔油液的流速, 比热 ; c、 根据模型 5 计算作动筒 b 腔内油液同作动筒壳体的换热热流量 其中 kb, n 为作动筒 b 腔内油液 同作动筒壳体的换热系数, Ab 为作动筒 b 腔内油液同作动筒壳体的换热面积, Nub,n 为作动 筒 b 腔内油液同作动筒壳体换热的努赛尔数, Db 为作动筒 b 腔同作动筒壳体的换热计算的 vb, 特征长度, Reb, n 为作动筒 b 腔的雷诺数, n 为作动筒 b 腔油液的流速 ; d、 根据模型 计算作动筒壳体同伺服阀壳体之间的导热热流量 其中 ks 为作动筒壳体同伺服阀 壳体间的导热系数, As 为作动筒壳体同伺服阀壳体间的导热面积 ; e、 根据模型 计算作动筒壳体同环境的自然对流换热热流量 其中 kexc, n 为作动筒壳体同环境的 自然对流换热系数, Aexc 为作动筒壳体同环境的自然对流换热面积, Nuexc,n 为作动筒壳体同 环境自然对流换热的努赛尔数, λair 为空气的导热系数, Dexc 为作动筒壳体同环境的自然对 流换热计算的特征长度, Ran 为作动筒壳体同环境的自然对流换热计算的瑞利数, Prair 为空 气的普朗特数, g 为重力加速度, βn 为空气的体积膨胀系数, 且 βn = 1/Tc, v 为空气的运 n, 动黏度 ; f、 根据模型 6 计算作动筒壳体同环境的辐射换热热流量 其中 ε 为作动筒壳体材料的发 射率, σ 为黑体辐射常数, A 为作动筒壳体同环境的辐射换热面积 ; 步骤 7 : 计算液压舵机各部分的温度 : a、 根据微分模型 计算作动筒 a 腔的油液温度 T′ a,n, 其中以 Ta,n-1 作为微分模型中 T′ a,n 的计算初值, 当 n = 1 时, 以环境温度 Tenv 作为微分模型中 T′ a, ma 为作动筒 a 腔中油液的 n 的计算初值, 质量, Δha, n 为作动筒 a 腔中油液焓的变化量, b、 根据微分模型 为作动筒对外做功的功率 ; 计算作动筒 b 腔的油液温度 T′ b,n, 其中以 Tb,n-1 作为微分模型中 T′ b,n 的计算初值, 当 n = 1 时, 以环境温度 Tenv 作为微分模型中 T′ b, mb 为作动筒 b 腔中油液的 n 的计算初值, 质量, Δhb, n 为作动筒 b 腔中油液焓的变化量 ; c、 根据微分模型 7 计算液压舵机的出口油液温度 T′ r,n, 其中以 Tr,n-1 作为微分模型中 T′ r,n 的计算初 值, 当 n = 1 时, 以环境温度 Tenv 作为微分模型中 T′ r, mr 为液压舵机的出口 n 的计算初值, 油液控制体质量, Δh3, Δhbr, n 为 q3 通道内对应油液焓的变化量, n 为作动筒 b 腔回油对应油 液焓的变化量, Δh4, Δh2, n 为 q4 通道内对应油液焓的变化量, n 为 q2 通道内对应油液焓的变 化量, Δh1, Δhar, n 为 q1 通道内对应油液焓的变化量, n 为作动筒 a 腔回油对应油液焓的变化 量; d、 根据微分模型 计算作动筒壳体的温度 T′ c,n, 其中以 Tc,n-1 作为微分模型中 T′ c,n 的计算初值, 当n = 1 时, 以环境温度 Tenv 作为微分模型中 T′ c, cps 为作动筒壳体材料的比热, n 的计算初值, mc 为作动筒壳体的质量 ; e、 根据微分模型 计算伺服阀壳体的温度 T′ v,n, 其中以 Tv,n-1 作为微分模型中 T′ v,n 的计算初值, 当n = 1 时, 以环境温度 Tenv 作为微分模型中 T′ v, cpsv 为伺服阀壳体材料的比热, n 的计算初值, 8 mv 为伺服阀壳体的质量 ; 步骤 8 : 计算步骤 7 中得到的液压舵机的出口油液温度 T′ r, 步骤 6 和步骤 n 与步骤 1、 7 中计算使用的出口油液温度 Tr, 若差值的绝对值大于预定误差 ε2, 则重复步骤 1 n 的差值 ; 至步骤 8, 并用步骤 7 中得到的 T′ a, T′ b, T′ r, T′ c, T′ v, n、 n、 n、 n、 n、 1 至步骤 8 中计算使用的 Ta, Tb, Tr, Tc, Tv, n、 n、 n、 n、 n、 和 和 作为步骤 进行迭代计算, 若差值的绝对 值小于预定误差 ε2, 则将步骤 7 得到的 T′ a,n、 T′ b,n、 T′ r,n、 T′ c,n 和 T′ v,n 作为经过 该计算区间计算后 Ta, Tb, Tr, Tc, 和 Tv, 的计算结果 ; 若 n < N 则开始第 n+1 个计算区 n、 n、 n、 n、 n、 间的计算, 当 n = N 停止计算过程。

    说明书


    一种耦合计算液压舵机压力、 流量和温度的方法

        技术领域 本发明涉及液压舵机中计算压力流量特性和热特性的方法, 具体为一种耦合计算 液压舵机压力、 流量和温度的方法。
         背景技术 液压系统热设计是现代液压系统的一项重要设计环节, 其主要任务是计算各种典 型工作状态下的液压系统油温分布, 在此基础上合理采取有效措施, 将系统温度控制在允 许的范围内。液压舵机是液压系统使用较多的附件之一, 且液压舵机存在泄流生热和动作 生热, 是液压系统主要的热源之一, 因此准确建立液压舵机的热特性模型是现代液压系统 热设计的一项关键技术和难点问题。
         液压舵机内部结构复杂, 在工作过程中油液的温度变化特性也较为复杂。在液压 舵机热特性模型建立过程中, 传统的计算方法将舵机简化为节流装置, 只考虑舵机的泄流 生热。实际上, 舵机是由伺服阀和作动筒组成的伺服力输出元件, 舵机工作过程中不仅存
         在内部泄流, 而且存在较大的油液和舵机壳体的热容效应以及舵机动作而产生的动态热特 性, 且油液温度变化引起的油液物理特性变化对舵机的热特性也会产生较大影响。 因此, 不 考虑液压舵机内的油液热容和舵机壳体热容的影响以及舵机动作产生的动态热特性, 势必 会对模型计算的精度和准确度产生影响, 从而导致在液压系统热设计时难以获得较为准确 的液压系统油温分布。 发明内容 要解决的技术问题
         为解决上述现有方法中没有考虑液压舵机内的油液热容和舵机壳体热容以及舵 机动作对热特性影响的问题, 本发明提出一种耦合计算液压舵机压力、 流量和温度的方法, 在计算模型中包含了液压舵机内油液的压力、 流量和温度之间的相互耦合影响关系, 提高 了计算结果的精度和准确度, 从而能更真实、 准确地反映液压舵机的实际工作状况, 能够实 现较准确的液压系统热设计。
         技术方案
         本发明所述的一种耦合计算液压舵机压力、 流量和温度的方法, 其特征在于 : 将液 压舵机的工作过程按照时间序列等分为 N 个计算区间, 每个计算区间的时间步长为 Δt, 计 算总时长 tz = N×Δt, 第 n 个计算区间内包括以下步骤, 其中 1 ≤ n ≤ N, 且 n 为整数 :
         步骤 1 : 计算液压舵机中油液的物理特性, 包括油液的动力黏度 μn 和油液的密度 ρn :
         a、 根据油液的动力黏度模型
         计算油液的动力黏度 μn, 其中 μ0 为油液初始压力 pref 和油液初始温度 Tref 下的 油液动力黏度, bp 为压力差对油液动力黏度的一次相关系数, bt 为温度差对油液动力黏度 的一次相关系数, bt2 为温度差对油液动力黏度的二次相关系数, pw 为液压舵机的特征压力, Tw 为液压舵机的特征温度, ps, pr, n 为液压舵机的进口油液压力, n 为液压舵机的出口油液压 力, Ts, Tr, 初始计算时使用设定 n 为液压舵机的进口油液温度 ; n 为液压舵机的出口油液温度,
         值, 当 n = 1 时, Tr, 当 n > 1 时, Tr, n 的初始值选取为环境温度 Tenv, n 的初始值选取为 Tr, n-1 ;
         b、 根据油液的密度模型
         计算油液的密度 ρn, 其中 vs, vs0 为初始压力和初始温度下的油液比 n 为油液比容, 容, ap 为压力差对油液比容的一次相关系数, ap2 为压力差对油液比容的二次相关系数, at 为 温度差对油液比容的一次相关系数, at2 为温度差对油液比容的二次相关系数, apt 为压力差 和温度差对油液比容的联合相关系数 ;
         步骤 2 : 计算液压舵机中伺服阀各通道的流量 :
         将步骤 1 得到的油液密度 ρn 代入伺服阀流量模型
         计算得到液压舵机的进口油液体积流量 qs,n, 出口油液体积流量 qr,n, 进入作动筒 a 腔的油液体积流量 qa, 其中 q1, n 和进入作动筒 b 腔的油液体积流量 qb, n ; n 为从伺服阀流入 作动筒 a 腔的油液体积流量, q2, q3, n 为从作动筒 b 腔流入伺服阀的油液体积流量, n 为从作 动筒 a 腔流入伺服阀的油液体积流量, q4, Cd n 为从伺服阀流入作动筒 b 腔的油液体积流量, 为流量系数, U 为伺服阀的正开口量, xv,n 为伺服阀的位移, w 为伺服阀的面积梯度, pa,n 为 作动筒 a 腔的油液压力, 初始计算时使用设定值, 当 n = 1 时, pa, 当n n 的初始值取为 1bar, > 1 时, pa,n 的初始值选取为 pa,n-1pb,n 为作动筒 b 腔的油液压力, 初始计算时使用设定值, 当 n = 1 时, pb, 当 n > 1 时, pb, n 的初始值取为 1bar, n 的初始值选取为 pb, n-1 ;
         步骤 3 : 计算作动筒 a, b 两腔的压力
         a、 根据微分模型
         计算作动筒 a 腔的油液压力 p′ a, 其中以 pa, n, n-1 作为微分模型中 p′ a, n 的计算初 值, 当 n = 1 时, 以 1bar 作为 p′ a, B 为油液的体积弹性模量, Va, n 的计算初值 ; n 为作动筒 a 腔的体积, 当 n = 1 时, 的初始值取为 0, 当 n > 1 时, 的初始值取为 为作动筒 a 腔的油液质量流量, αp 为油液的温度膨胀系数, ql,n 为作动筒 a 腔与作动筒 b 腔 之间泄流的油液体积流量, C 为泄流系数, Sa 为作动筒 a 腔的有效作用面积, xn 为作动筒中活塞的位移, 活塞处于中立位置时 xn = 0, 且右移为正, La 为活塞向左运动最大行程, Ta, n 为 作动筒 a 腔的油液温度, 以 的计算初值 ;
         作为微分模型中的计算初值, 当 n = 1 时, 以 0 作为b、 根据微分模型
         计算作动筒 b 腔的油液压力 p′ b, 其中以 pb, n, n-1 作为微分模型中 p′ b, n 的计算初 为作动筒值, 当 n = 1 时, 以 1bar 作为 p′ b, Vb, n 的计算初值 ; n 为作动筒 b 腔的体积,b 腔的油液质量流量, Sb 为作动筒 b 腔的有效作用面积, Lb 为作动筒活塞向右运动最大行 以 程, Tb,n 为作动筒 b 腔的油液温度, 以 0 作为
         作为微分模型中的计算初值, 当 n = 1 时,的计算初值 ;步骤 4 : 计算作动筒活塞位移及负载流量 a、 将步骤 3 得到的作动筒 a, b 两腔的油液压力 p′ a, n 和 p′ b, n 代入微分模型
         计算作动筒活塞位移 x′ n, 其中以 x′ n-1 作为微分模型中 x′ n 的计算初值, 当n = 1 时, 以 0m 作为 x′ n 的计算初值, m 为活塞质量, Bl 为活塞的阻尼系数, K 为活塞的弹性 系数, Fn 为负载力, Fl, kl 为限制力弹性系数 ; n 为限制力,
         b、 将得到的作动筒活塞位移变化量 dx′ n/dt 代入下面流量计算模型
         计算得到进入作动筒 a 腔的油液体积流量 q′ a, n 和进入作动筒 b 腔的油液体积流量 q′ b, n ;
         步骤 5 : 计算步骤 4 得到的 q′ a,n 与步骤 2 得到的 qa,n 的差值, 以及 q′ b,n 与 qb, 若两个差值中任一个的绝对值大于设定误差 ε1 时, 则重复步骤 2 至步骤 5, 并以 n 的差值, 步骤 3 计算得到的作动筒 a, b 两腔的油液压力 p′ a,n 和 p′ b,n 作为步骤 2 和步骤 3 中计 算使用的作动筒 a, b 两腔的油液压力进行迭代计算, 若两个差值的绝对值均小于设定误差 ε1, 则将步骤 3 得到的作动筒 a, b 两腔的油液压力 p′ a,n 和 p′ b,n 作为以下步骤中使用 的作动筒 a, b 两腔的油液压力 pa, 并继续以下步骤 ; n 和 pb, n,
         步骤 6 : 计算液压舵机各部分的换热热流量 :
         a、 根据模型
         计算伺服阀内油液同伺服阀壳体的换热热流量其中 kv 为伺服阀内油液同伺服Tv,n 为伺服阀壳体的温 阀壳体的换热系数, Av 为伺服阀内油液同伺服阀壳体的换热面积, 度, 初始计算时使用设定值, 当 n = 1 时, Tv, 当 n > 1 时, Tv, n 的初始值选取为环境温度 Tenv, n-1 ; n 的初始值选取为 Tv,
         b、 根据模型
         计算作动筒 a 腔内油液同作动筒壳体的换热热流量其中 ka, n 为作动筒 a 腔内油液同作动筒壳体的换热系数, Aa 为作动筒 a 腔内油液同作动筒壳体的换热面积, Tc, n 为作 动筒壳体的温度, 初始计算时使用设定值, 当 n = 1 时, Tc,n 的初始值选取为环境温度 Tenv, 当 n > 1 时, Tc, Nua, n 的初始值选取为 Tc, n-1, n 为作动筒 a 腔内油液同作动筒壳体换热的努赛 尔数, λoil 为油液的导热系数, Da 为作动筒 a 腔同作动筒壳体的换热计算的特征长度, Rea, n 为作动筒 a 腔的雷诺数, Proil, va, cpo 为油 n 为油液的普朗特数, n 为作动筒 a 腔油液的流速, 液的比热 ;
         c、 根据模型
         计算作动筒 b 腔内油液同作动筒壳体的换热热流量其中 kb, n 为作动筒 b 腔内Nub,n 为 油液同作动筒壳体的换热系数, Ab 为作动筒 b 腔内油液同作动筒壳体的换热面积, 作动筒 b 腔内油液同作动筒壳体换热的努赛尔数, Db 为作动筒 b 腔同作动筒壳体的换热计 算的特征长度, Reb, vb, n 为作动筒 b 腔的雷诺数, n 为作动筒 b 腔油液的流速 ;
         d、 根据模型
         计算作动筒壳体同伺服阀壳体之间的导热热流量其中 ks 为作动筒壳体同伺服阀壳体间的导热系数, As 为作动筒壳体同伺服阀壳体间的导热面积 ;
         e、 根据模型
         计算作动筒壳体同环境的自然对流换热热流量其中 kexc, n 为作动筒壳体同环境的自然对流换热系数, Aexc 为作动筒壳体同环境的自然对流换热面积, Nuexc,n 为作动筒壳 体同环境自然对流换热的努赛尔数, λair 为空气的导热系数, Dexc 为作动筒壳体同环境的自 然对流换热计算的特征长度, Ran 为作动筒壳体同环境的自然对流换热计算的瑞利数, Prair 为空气的普朗特数, g 为重力加速度, βn 为空气的体积膨胀系数, 且 βn = 1/Tc, v 为空气 n,的运动黏度 ;
         f、 根据模型
         计算作动筒壳体同环境的辐射换热热流量其中 ε 为作动筒壳体材料的发射率, σ 为黑体辐射常数, A 为作动筒壳体同环境的辐射换热面积 ; 步骤 7 : 计算液压舵机各部分的温度 : a、 根据微分模型
         计算作动筒 a 腔的油液温度 T′ a, 其中以 Ta, n, n-1 作为微分模型中 T′ a, n 的计算初 值, 当 n = 1 时, 以环境温度 Tenv 作为微分模型中 T′ a, ma 为作动筒 a 腔中油 n 的计算初值, 液的质量, Δha, 为作动筒对外做功的功率 ; n 为作动筒 a 腔中油液焓的变化量, b、 根据微分模型
         计算作动筒 b 腔的油液温度 T′ b, 其中以 Tb, n, n-1 作为微分模型中 T′ b, n 的计算初 值, 当 n = 1 时, 以环境温度 Tenv 作为微分模型中 T′ b, mb 为作动筒 b 腔中油 n 的计算初值,液的质量, Δhb, n 为作动筒 b 腔中油液焓的变化量 ;
         c、 根据微分模型
         计算液压舵机的出口油液温度 T′ r, 其中以 Tr, n, n-1 作为微分模型中 T′ r, n 的计算 初值, 当 n = 1 时, 以环境温度 Tenv 作为微分模型中 T′ r, mr 为液压舵机的出 n 的计算初值, 口油液控制体质量, Δh3, Δhbr, n 为 q3 通道内对应油液焓的变化量, n 为作动筒 b 腔回油对应 油液焓的变化量, Δh4, Δh2, n 为 q4 通道内对应油液焓的变化量, n 为 q2 通道内对应油液焓的 变化量, Δh1, Δhar, n 为 q1 通道内对应油液焓的变化量, n 为作动筒 a 腔回油对应油液焓的变 化量 ;
         d、 根据微分模型
         计算作动筒壳体的温度 T′ c,n, 其中以 Tc,n-1 作为微分模型中 T′ c,n 的计算初值, 当 n = 1 时, 以环境温度 Tenv 作为微分模型中 T′ c,n 的计算初值, cps 为作动筒壳体材料的 比热, mc 为作动筒壳体的质量 ;
         e、 根据微分模型
         计算伺服阀壳体的温度 T′ v,n, 其中以 Tv,n-1 作为微分模型中 T′ v,n 的计算初值, 当 n = 1 时, 以环境温度 Tenv 作为微分模型中 T′ v, cpsv 为伺服阀壳体材料的 n 的计算初值, 比热, mv 为伺服阀壳体的质量 ;
         步骤 8 : 计算步骤 7 中得到的液压舵机的出口油液温度 T′ r, 步骤 6 和 n 与步骤 1、 步骤 7 中计算使用的出口油液温度 Tr,n 的差值 ; 若差值的绝对值大于预定误差 ε2, 则重复
         步骤 1 至步骤 8, 并用步骤 7 中得到的 T′ a,n、 T′ b,n、 T′ r,n、 T′ c,n、 T′ v,n、 作为步骤 1 至步骤 8 中计算使用的 Ta,n、 Tb,n、 Tr,n、 Tc,n、 Tv,n、 和和进行迭代计算, 若差值的绝对值小于预定误差 ε2, 则将步骤 7 得到的 T′ a, T′ b, T′ r, T′ c, n、 n、 n、 n 和 T′ v, Tb, Tr, Tc, n、 n、 n、 n 和 Tv, n 的计算结果 ; n 作为经过该计算区间计算后 Ta,
         若 n < N 则开始第 n+1 个计算区间的计算, 当 n = N 停止计算过程。
         有益效果
         本发明提出一种耦合计算液压舵机压力、 流量和温度的方法, 在计算模型中包含 了液压舵机内油液的压力、 流量和温度之间的相互耦合影响关系, 提高了计算结果的精度 和准确度, 从而能更真实、 准确地反映液压舵机的实际工作状况, 能够更加准确的进行液压 系统热设计。 附图说明
         图1: 耦合计算液压舵机压力、 流量和温度的方法流程图 ;
         图2: 作动筒活塞向右移 (x ≥ 0) 时的工作示意图 ;
         图3: 作动筒活塞向左移 (x < 0) 时的工作示意图 ;
         图4: 液压舵机进口油液压力 ps 的变化曲线 ;
         图5: 液压舵机出口油液压力 pr 的变化曲线 ;
         图6: 液压舵机进口油液温度 Ts 的变化曲线 ;
         图7: 液压舵机伺服阀位移 xv 的变化曲线 ;
         图8: 液压舵机 a 腔压力 pa 的计算结果曲线 ;
         图9: 液压舵机 b 腔压力 pb 的计算结果曲线 ;
         图 10 : 液压舵机 a 腔、 b 腔油液温度 Ta、 Tb 和液压舵机出口油液温度 Tr 的计算结果 曲线 ;
         图 11 : 作动筒壳体温度 Tc 和伺服阀壳体温度 Tv 的计算结果曲线 ; 具体实施方式
         下面结合实施例对本发明提出的耦合计算液压舵机压力、 流量和温度的方法进行 具体说明。
         实施例一 :
         本实施例中, 液压舵机的工作时间为 12s, 将其分为 120 个计算区间, 每个计算区间的计算步长 Δt 为 0.1s。
         在其中第 n 个计算区间内, 通过以下步骤计算第 0.1×ns 时, 液压舵机的压力、 流 量和温度。
         步骤 1 : 计算液压舵机中油液的物理特性, 包括油液的动力黏度 μ 和油液的密度 ρ:
         a、 根据油液的动力黏度模型
         计算油液的动力黏度 μn, 其中 μ0 为油液初始压力 pref 和油液初始温度 Tref 下的 油液动力黏度, bp 为压力差对油液动力黏度的一次相关系数, bt 为温度差对油液动力黏度 的一次相关系数, bt2 为温度差对油液动力黏度的二次相关系数。 在本实施例中, 油液的初始 压力 pref = 1bar, 初始温度 Tref = 20℃, 在 AMESim 仿真软件的帮助文件 Thermal-Hydraulic library(Version 4.2) 中查得 μ0 = 5.545e-3kg/ms, bp = -1.621e-2, bt = 1.288e-4, bt2 = 7.328e-9 ; pw 为液压舵机的特征压力, Tw 为液压舵机的特征温度, ps, n 为液压舵机的进口 油液压力, 本实施例中根据附图 4 中给出的液压舵机的进口油液压力曲线图取值, pr, n 为液 压舵机的出口油液压力, 本实施例中根据附图 5 中给出的液压舵机的出口油液压力曲线图 取值, Ts, 根据附图 6 中给出的液压舵机的进口油液温度曲线 n 为液压舵机的进口油液温度, 图取值 ; Tr,n 为液压舵机的出口油液温度, 在初始计算时使用设定值, 当 n = 1 时, Tr,n 的初 始值选取为环境温度 Tenv, 本实施例中环境温度 Tenv = 50℃, 当 n > 1 时, Tr, n 的初始值选取 为 Tr, n-1。
         b、 根据油液的密度模型
         计算油液的密度 ρn, 其中 vs, vs0 为初始压力和初始温度下的油液比 n 为油液比容, 容, ap 为压力差对油液比容的一次相关系数, ap2 为压力差对油液比容的二次相关系数, at 为 温度差对油液比容的一次相关系数, at2 为温度差对油液比容的二次相关系数, apt 为压力差 和温度差对油液比容的联合相关系数, 在 AMESim 仿真软件的帮助文件 Thermal-Hydraulic ap = -6.514e-10, ap2 = 1.645e-18, library(Version 4.2) 中查得 vs0 = 1.1876e-3m3/kg, at = 7.984e-4, at2 = 6.755e-7, apt = -3.461e-12。
         步骤 2 : 计算液压舵机中伺服阀各通道的流量 :
         将步骤 1 得到的油液密度 ρn 代入伺服阀流量模型
         计算得到液压舵机的进口油液体积流量 qs,n, 出口油液体积流量 qr,n, 进入作动筒 a 腔的油液体积流量 qa, 其中 q1, n 和进入作动筒 b 腔的油液体积流量 qb, n ; n 为从伺服阀流入 作动筒 a 腔的油液体积流量, q2, q3, n 为从作动筒 b 腔流入伺服阀的油液体积流量, n 为从作 动筒 a 腔流入伺服阀的油液体积流量, q4, Cd n 为从伺服阀流入作动筒 b 腔的油液体积流量 ; 为流量系数, U 为伺服阀的正开口量, xv,n 为伺服阀的位移, w 为伺服阀的面积梯度, 本实施 例中, Cd 取值为 0.65, U 取值为 0, xv,n 根据附图 7 中给出的液压舵机的伺服阀位移曲线图
         取值, w 取值为 5e-3m ; pa, 初始计算时使用设定值, 当 n = 1 时, n 为作动筒 a 腔的油液压力, pa,n 的初始值取为 1bar, 当 n > 1 时, pa,n 的初始值选取为 pa,n-1, pb,n 为作动筒 b 腔的油液 压力, 初始计算时使用设定值, 当 n = 1 时, pb,n 的初始值取为 1bar, 当 n > 1 时, pb,n 的初 始值选取为 pb, n-1 ;
         步骤 3 : 计算作动筒 a, b 两腔的压力
         a、 根据微分模型
         计算作动筒 a 腔的油液压力 p′ a, 其中以经过 n-1 个计算区间计算后得到的作动 n, 筒 a 腔油液压力 pa, 当 n = 1 时, 以 1bar 作为 p′ a, n-1 作为微分模型中 p′ a, n 的计算初值, B 为油液的体积弹性模量, 本实施例中取值为 8100bar, Va,n 为作动筒 a 腔的 n 的计算初值 ;
         体积, 当 n = 1 时,的初始值取为 0, 当 n > 1 时,的初始值取为dma, n/dt 为作动筒 a 腔的油液质量流量, αp 为油液的温度膨胀系数, 取值为 0.8e-31/K, ql,n 为作动筒 a 腔与作动筒 b 腔之间泄流的油液体积流量, C 为泄流系数, 取值为 3.8e-3L/min/bar, Sa 为作 2 动筒 a 腔的有效作用面积, 取值为 8590mm , xn 为作动筒中活塞的位移, 活塞处于中立位置时 xn = 0, 且右移为正, La 为活塞向左运动最大行程, 取值为 44mm, Ta, n 为作动筒 a 腔的油液温 度, 以
         作为微分模型中 b、 根据微分模型的计算初值, 当 n = 1 时, 以 0 作为的计算初值 ;
         计算作动筒 b 腔的油液压力 p′ b, 其中以经过 n-1 个计算区间计算后得到的作动 n, 筒 b 腔油液压力 pb, 当 n = 1 时, 以 1bar 作为 p′ b, n-1 作为微分模型中 p′ b, n 的计算初值, Vb, dmb, Sb 为作动 n 为作动筒 b 腔的体积, n/dt 为作动筒 b 腔的油液质量流量, n 的计算初值 ; 2 筒 b 腔的有效作用面积, 取值为 8590mm , Lb 为活塞向右运动最大行程, 取值为 66mm, Tb, n 为
         作动筒 b 腔的油液温度, 以作为微分模型中21的计算初值, 当 n = 1 时, 以 0 作为102156762 A CN 102156765说明书13/18 页的计算初值 ;
         步骤 4 : 计算作动筒活塞位移及负载流量 a、 将步骤 3 得到的作动筒 a, b 两腔的油液压力 p′ a, n 和 p′ b, n 代入微分模型
         计算作动筒活塞位移 x′ n, 其中以经过 n-1 个计算区间计算后得到的作动筒活塞 位移 x′ n-1 作为微分模型中 x′ n 的计算初值, 当 n = 1 时, 以 0m 作为 x′ n 的计算初值, m 为活塞质量, 本实施例中取值为 5kg, Bl 为活塞的阻尼系数, 取值为 0.05Ns/m, K 为活塞的弹 性系数, 取值为 0N/m, Fn 为负载力, 取值为 0N, Fl, kl 为限制力弹性系数, 取值为 n 为限制力, 7 10 N/m ;
         b、 将得到的作动筒活塞位移变化量 dx′ n/dt 代入下面流量计算模型
         计算得到进入作动筒 a 腔的油液体积流量 q′ a, n 和进入作动筒 b 腔的油液体积流 量 q′ b, n ;
         步骤 5 : 计算步骤 4 得到的 q′ a,n 与步骤 2 得到的 qa,n 的差值, 以及 q′ b,n 与 qb, 若两个差值中任一个的绝对值大于设定误差 ε1 时, 则重复步骤 2 至步骤 5, 并以 n 的差值, 步骤 3 计算得到的作动筒 a, b 两腔的油液压力 p′ a,n 和 p′ b,n 作为步骤 2 和步骤 3 中计 算使用的作动筒 a, b 两腔的油液压力进行迭代计算, 若两个差值的绝对值均小于设定误差 ε1, 则将步骤 3 得到的作动筒 a, b 两腔的油液压力 p′ a, n 和 p′ b, n 作
         为以下步骤中使用的作动筒 a, b 两腔的油液压力 pa, 并继续以下步骤 ; n 和 pb, n,
         步骤 6 : 计算液压舵机各部分的换热热流量 :
         a、 根据模型
         计算伺服阀内油液同伺服阀壳体的换热热流量2其中 kv 为伺服阀内油液同伺服阀壳体的换热系数, 本实施例中取值为 72W/m K, Av 为伺服阀内油液同伺服阀壳体的换热面 2 积, 取值为 12000mm , Tv, 初始计算时使用设定值, 当 n = 1 时, Tv, n 为伺服阀壳体的温度, n 的 初始值选取为环境温度 Tenv = 50℃, 当 n > 1 时, Tv, n 的初始值选取为 Tv, n-1 ;
         b、 根据模型
         计算作动筒 a 腔内油液同作动筒壳体的换热热流量其中 ka, n 为作动筒 a 腔内本实施例 油液同作动筒壳体的换热系数, Aa 为作动筒 a 腔内油液同作动筒壳体的换热面积, 中取值为 38000/mm2, Tc, 初始计算时使用设定值, 当 n = 1 时, Tc, n 为作动筒壳体的温度, n 的 初始值选取为环境温度 Tenv = 50℃, 当 n > 1 时, Tc, Nua, n 的初始值选取为 Tc, n-1, n 为作动筒 a 腔内油液同作动筒壳体换热的努赛尔数, λoil 为油液的导热系数, 取值为 0.126W/m/k, Da 为作动筒 a 腔同作动筒壳体的换热计算的特征长度, 取作动筒内径, 取值为 110mm, Rea,n 为 作动筒 a 腔的雷诺数, Proil, va, cpo 为油液 n 为油液的普朗特数, n 为作动筒 a 腔油液的流速, 的比热, 取值为 1.892e3J/kgK ;
         c、 根据模型
         计算作动筒 b 腔内油液同作动筒壳体的换热热流量其中 kb, n 为作动筒 b 腔内油液同作动筒壳体的换热系数, Ab 为作动筒 b 腔内油液同作动筒壳体的换热面积, 本实施例中取值为 38000/mm2, Nub, Db 为作动 n 为作动筒 b 腔内油液同作动筒壳体换热的努赛尔数, 筒 b 腔同作动筒壳体的换热计算的特征长度, 取作动筒内径, 取值为 110mm, Reb,n 为作动筒 b 腔的雷诺数, vb, n 为作动筒 b 腔油液的流速 ;
         d、 根据模型
         计算作动筒壳体同伺服阀壳体之间的导热热流量其中 ks 为作动筒壳体同伺本实施例中, ks 取值 服阀壳体间的导热系数, As 为作动筒壳体同伺服阀壳体间的导热面积, 2 为 107W/m/K, As 取值为 25000mm ;
         e、 根据模型
         计算作动筒壳体同环境的自然对流换热热流量其中 kexc, n 为作动筒壳体同环境的自然对流换热系数, Aexc 为作动筒壳体同环境的自然对流换热面积, 本实施例中取值为 63830/mm2, Nuexc, λair 为空气的导热系数, n 为作动筒壳体同环境自然对流换热的努赛尔数, 取值为 2.67e-2W/m/K, Dexc 为作动筒壳体同环境的自然对流换热计算的特征长度, 取作动筒 外径, 取值为 120mm, Ran 为作动筒壳体同环境的自然对流换热计算的瑞利数, Prair 为空气的 2 普朗特数, 可查表得到, g 为重力加速度, 取值为 9.8m/s , βn 为空气的体积膨胀系数, 且 βn 2 = 1/Tc, v 为空气的运动黏度, 取值为 17.95e-6/m /s ; n,
         f、 根据模型
         计算作动筒壳体同环境的辐射换热热流量其中 ε 为作动筒壳体材料的发射率, σ 为黑体辐射常数, A 为作动筒壳体同环境的辐射换热面积, 本实施例中, ε 取值为 4 2 0.52, σ 取值为 5.67e-8W/m/K , A 取值为 63830/mm ;
         步骤 7 : 计算液压舵机各部分的温度 :
         a、 根据微分模型
         计算作动筒 a 腔的油液温度 T′ a,n, 其中以经过 n-1 个计算区间计算后得到的作 动筒 a 腔的油液温度 Ta, 当 n = 1 时, 以环境温度 Tenv n-1 作为微分模型中 T′ a, n 的计算初值,= 50℃作为微分模型中 T′ a,n 的计算初值, ma 为作动筒 a 腔中油液的质量, 本实施例中 ma 取值为 0.13kg, Δha, 为作动筒对外做功的功率 ; n 为作动筒 a 腔中油液焓的变化量,
         b、 根据微分模型
         计算作动筒 b 腔的油液温度 T′ b,n, 其中以经过 n-1 个计算区间计算后得到的作 动筒 b 腔的油液温度 Tb, 当 n = 1 时, 以环境温度 Tenv n-1 作为微分模型中 T′ b, n 的计算初值, = 50℃作为微分模型中 T′ b,n 的计算初值, mb 为作动筒 b 腔中油液的质量, 本实施例中 mb 取值为 0.13kg, Δhb, n 为作动筒 b 腔中油液焓的变化量 ;
         c、 根据微分模型
         计算液压舵机的出口油液温度 T′ r,n, 其中以经过 n-1 个计算区间计算后得到的 液压舵机的出口油液温度 Tr, 当 n = 1 时, 以环境温 n-1 作为微分模型中 T′ r, n 的计算初值, 度 Tenv = 50℃作为微分模型中 T′ r,n 的计算初值, mr 为液压舵机的出口油液控制体质量, 本实施例中 mr 取值为 0.09kg, Δh3,n 为 q3 通道内对应油液焓的变化量, Δhbr,n 为作动筒 b 腔回油对应油液焓的变化量, Δh4, Δh2, n 为 q4 通道内对应油液焓的变化量, n 为 q2 通道内对 应油液焓的变化量, Δh1, Δhar, n 为 q1 通道内对应油液焓的变化量, n 为作动筒 a 腔回油对应 油液焓的变化量 ;
         d、 根据微分模型
         计算作动筒壳体的温度 T′ c,n, 其中以经过 n-1 个计算区间计算后得到的作动筒 壳体的温度 Tc, 当 n = 1 时, 以环境温度 Tenv = 50℃ n-1 作为微分模型中 T′ c, n 的计算初值, 作为微分模型中 T′ c, cps 为作动筒壳体材料的比热, mc 为作动筒壳体的质量, n 的计算初值, 在本实施例中 mc 取值为 14kg, cps 取值为 871J/kgK ;
         e、 根据微分模型
         计算伺服阀壳体的温度 T′ v,n, 其中以经过 n-1 个计算区间计算后得到的伺服阀 壳体的温度 Tv, 当 n = 1 时, 以环境温度 Tenv = 50℃ n-1 作为微分模型中 T′ v, n 的计算初值, 作为微分模型中 T′ v,n 的计算初值, cpsv 为伺服阀壳体材料的比热, mv 为伺服阀壳体的质 量, 本实施例中 cpsv 取值为 871J/kgK, mv 取值为 20kg ;
         步骤 8 : 计算步骤 7 中得到的液压舵机的出口油液温度 T′ r, 步骤 6 和 n 与步骤 1、 步骤 7 中计算使用的出口油液温度 Tr,n 的差值 ; 若差值的绝对值大于预定误差 ε2, 则重复 步骤 1 至步骤 8, 并用步骤 7 中得到的 T′ a, T′ b, T′ r, T′ c, T′ v, dT′ a, n、 n、 n、 n、 n、 n/dt 和 dT′ b, Tb, Tr, Tc, Tv, dTa, n/dt 作为步骤 1 至步骤 8 中计算使用的 Ta, n、 n、 n、 n、 n、 n/dt 和 dTb, n/dt 进行迭代计算, 若差值的绝对值小于预定误差 ε2, 则将步骤 7 得到的 T′ a, T′ b, T′ r, n、 n、 T′ c, Tb, Tr, Tc, 本实 n 和 T′ v, n 作为经过该计算区间计算后 Ta, n、 n、 n、 n 和 Tv, n 的计算结果 ; n、 施例中将预定误差 ε2 设定为 ε2 = 1e-3。
         经过步骤 1 至步骤 8 的循环计算后, 得到第 n 个计算区间后, 即第 0.1×ns 时, 液 压舵机的压力、 流量和温度 ; 此时, 若 n < N 则继续第 n+1 个计算区间的计算, 当 n = N 时, 则停止计算过程。本实施例的具体计算结果见附图 8 至附图 11。
         实施例二 :
         本实施例中, 在空军工程大学工程学院 “液压系统综合试验台” 进行本发明效果的 实验验证工作, 试验舵机为某型航空用舵机, 舵机主要参数为 : 伺服阀面积梯度为 5e-3m, 正开口量为 0m, 活塞左行程为 44mm, 活塞右行程为 66mm, 活塞有效作用面积 8590mm2, 活塞 质量为 5kg, 活塞泄流量为 3.8e-3L/min/bar, 试验环境温度为 25℃。采用热电阻式温度传 感器对舵机进口和出口油液温度进行测量, 每间隔 5 分钟记录一次。采用本发明方法计算 舵机出口油液温度, 并采用传统方法计算相同工况下的舵机出口油液温度, 这里说的传统 方法指功率损失法, 各计算结果及误差如下表所示 :
         时间 / 分钟 试验结果 本发明方法计算结果 本发明方法计算误差 传统方法计算结果 传统方法计算误差
         0 25 25 0% 25 0 5 32.6 30.4 6.7% 29.1 10.7% 10 38.1 36.7 3.7% 34.7 8.9% 15 42.9 40.1 6.5% 38.2 11.0% 20 46.8 44.7 4.5% 42.6 9.0% 25 50.5 48.6 3.8% 45.8 9.3% 30 54.2 51.9 4.2% 47.8 11.8%从对比结果可以看出, 传统方法由于没有考虑油液物理特性随温度的变化以及舵 机的动态特性, 其误差较大, 本发明的计算精度明显高于传统方法。

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