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1、Hydraulics Pneumatics at the same time discuss the elastic modulus measurement Key Words: hydraulic all dynamic analysis；Volume oil elastic modulus 0引言 液压油的体积弹性模量是影响液压系统动态分 析、 建模与仿真正确性的主要参数。 它的影响因素很 多，在油温变化不大，系统供油条件、吸油能力不变的 情况下，油压对综合体积弹性模量影响较大，尤其是在 中、低压部分。 1油液体积弹性模量的实验测量 在液压系统中， 液压油体积弹性模量是一个非常 重要的物理
2、参数， 在液压系统和液压元件的动态研究 中， 它直接影响液压元件和液压系统的固有频率和阻 尼比，从而影响稳定性和动态品质。 同时，液压油的体 积弹性模量是影响液压统动态分析、 建模与仿真正确 性的主要参数之一。 1.1油液体积弹性模量的影响因素 影响油液的压缩性， 或说油液的综合体积弹性模 量的因素很多，主要包括油中含气量、油压、油液温度、 容器刚度以及油与空气的接触情况等。 （1）油中含气量。 含气量是影响油液体积弹性模量最大的一个因 素。 若液压油中混入空气时，其可压缩性将显著增加， 在油液夹带1%气体（气泡状）时，弹性模量降为纯油的 35.6%，将严重影响液压系统的工作性能。 一般液压油
3、 中都会含有空气，而含气量又与压力、油温、油液与空 气的接触情况等有关。 若油液中含气量较多，弹性模量 值较低，在真空环境下可对油液进行除气，有效地去除 油液中掺混和溶解的气体，提高液压油的弹性模量值。 （2）油压。 油压对综合体积弹性模量影响较大，尤其是在中、 低压部分对e的影响更为明显。 主要原因在于， 一方 面，根据亨利定律，液体中空气的溶解量与绝对压力成 正比。 在一定温度下，绝对压力越低，液体空气含量就 越小， 所以油压变化会改变油液中气泡状态和溶解状 态两部分空气含量的比例（前者对be有影响，而后者对 be不产生影响）；另一方面，压力的变化会引起油液中气 泡的体积缩小或放大， 而对
4、油液的综合体积弹性模量 起很大的影响。 （3）油液温度。 油液温度对油液中空气的吸入量、 油中微小气泡 的大小以及气体的压缩性都有影响， 因此会影响油液 的综合体积弹性模量。 （4）容器刚度。 当系统设计中选用刚度大的钢材及厚壁管道时， 它们对油液综合体积弹性模量的影响可忽略不计。 本 实验所用缸体为钢铁材质的厚壁， 缸体的弹性模量比 收稿日期：2011-08-02 作者简介：崔英伟（1971-），男，毕业于东北大学机械工程学院流体传动 及控制专业，现任辽宁东工装备制造有限公司液压自动化部部长。 17 液压气动与密封/2012 年第 3 期 液压油大得多， 所以可将测得的综合体积弹性模量认 为
5、是液压油的弹性模量。 1.2油液体积弹性模量的测量装置 根据油液弹性模量的定义进行测量， 弹性模量的 定义如下： be=-V Dpv DV （1） 式中be油液的体积弹性模量； V初始状态的油液体积； DV油液体积的改变量； Dpv与DV对应的油液压力的改变量。 根据式（1）可知，只要知道油液的初始体积V ，以 及压力变化量Dpv和体积变化量DV就可以计算出油 液的等效体积弹性模量。 本装置设计就是依托上述原 理，利用液压缸中的普通液压油液作为研究对象，对测 试腔内一定体积的油液施加压力，改变力的大小，得到 相应的油液体积的变化量和压力变化量，根据上述直接 测得的参数，按油液弹性模量的定义求得
6、油液的弹性模 量值。 检测装置如图1a所示，图1a是检测装置结构图， 图1b是检测装置实物图。 本实验依靠疲劳实验机液压 缸提供的稳定压力来改变油液的压力和体积。 1-疲劳实验机压头2-疲劳实验机上卡头 3-实验液压缸4-托盘5-疲劳实验机下卡头 6-测压排气接头7-油压传感器8-位移传感器 图1油液体积弹性模量检测装置 1.3实验数据和数据处理 （1）实验过程。 1）首先给实验液压缸进油，进油是依靠实验室现 有泵站，该站液压油型号为46#抗磨液压油。 由于液压 缸中是柱塞杆，所以缸体的整个腔都是相通的，进油口 接缸体的上端，出油口接缸体的下端。 注满油后，上端 油口接测压排气接头， 下端油口
7、接油压传感器如图1 所示。 在注油过程中要使腔中完全充满油液，避免存有 残余空气影响测量精度。 2）液压缸加满油后，将液压缸柱塞卡在疲劳实验机 上卡头上，通过油压传感器读出液压缸内初始压力p0， 然后缓慢动作疲劳机下卡头， 当液压缸底部和托盘刚 刚接触时停止动作，读出位移传感器读数h0，油液初始 体积按液压缸的结构图算出为V0。 在记录下初始参数之后， 通过疲劳机液压系统给 液压缸施加压力，初始压力给0.2kN，待压缩稳定时，记 下此时压力传感器读数pa和位移传感器读数h1。 此时 式（1）中的参数都可以算出，根据式（1 ）计算油液的体 积弹性模量值。 3） 继续压缩油液。 每次施加压力比上次
8、递增 0.2kN， 直到缸内压力达到油压传感器的最大测量值为 止。 通过位移传感器和压力传感器读数可计算出相邻 压缩间油压和体积的变化， 从而根据体积弹性模量公 式计算出不同压力下油液的体积弹性模量。 4）加载完毕后保存数据，卸载疲劳机压力，打开上 卡头卸下液压缸，然后可以换油重新做下次实验。 为保证测量结果准确可重复上述测量过程， 多次 测量油液的弹性模量值，并进行数据处理。 （2）实验数据处理。 本次实验进行了3次， 测试达到的最大油压为 30MPa。下面给出第一次实验的测量结果，如表1所示： 表1不同压力下液压油体积弹性模量的实测值 应用数据分析与科学绘图软件Origin对上述数据 进行
9、绘图， 得出油液弹性模量测量值随着压力的变化 曲线如图2实线部分所示。 同时在对测量数据进行二 次指数衰减拟合后， 得到油液弹性模量拟合值随着压 力的变化曲线如图2虚线部分所示， 并得到拟合曲线 方程为： be=-13.37e -p 2.73 -8.59e -p 48.31 +21.4（2） 18 Hydraulics Pneumatics & Seals/No.3.2012 中。 图3是静水压力补偿器的示意图。 结构上是一个由 薄膜或浮动活塞隔开的空腔。补偿现有的压力补偿器大 多采用滚动膜片作为弹性元件，滚动膜片是由橡胶等纤 维织物复合而成，既是密封元件又是压力传递的敏感元 件，滚动膜片在自
10、由状态下的形状如同一个礼帽，它是 由夹有丝布的橡胶制成，丝布是滚动膜片的骨架，主要 起到增加强度的作用，橡胶则起到密封的作用。 滚动膜 片的顶部通常设有中间孔，用于安装活塞，活塞带动滚 动膜片在活塞缸内运动，活塞与活塞缸之间留有一定的 间隙，活塞运动时，膜片沿着活塞缸内壁做无滑动的滚 动，所以称为滚动膜片，为了便于安装和密封，滚动膜片 底部通常设计成O型边或周边带孔等形式7。 图3采用滚动膜片的压力补偿器 补偿器的效率是按照体积、 工作油液体积的使用 程度、 结构的重量系数和隔离器对深度变化的灵敏度 来判定的。 3结束语 海水液压系统虽然具有众多优势， 但是在水下作 业设备中并没有得到广泛应用
11、， 主要原因是各类适应 海洋环境的液压元件正处于研制阶段， 一些关键技术 有待解决。 以液压油为工作介质的水下液压系统通过 采取密封措施和压力补偿后可以在不同海水深度下作 业， 且常规液压系统中的众多成熟技术均可以移植到 水下液压系统中，因此相对于海水液压系统，以液压油 为工作介质的水下液压系统在水下作业设备中的应用 更加广泛。 参考文献 1王峰.基于海水压力的水下液压系统关键技术研究D.杭州: 浙江大学博士学位论文，2009. 2蒋新松,封锡盛,王棣棠.水下机器人M.沈阳:辽宁科学技术 出版社,2000. 3Greenert，WNavy7 S deep ocean technology pr
12、oject evolut ion and progressOCEANS，1971(3)：50-53 4AMETEK2006水下机器人液压系统分析J.液压气动与密 封， 1997(2). 5赵立新,丁筱玲,张亚民，等.O形密封圈功能的充分发挥J.排 灌机械，2000. 6胡征宇,吴大转,千乐勤.高压组合机械密封装置的设计J.工 程设计学报，2005（12）. 7李延民.潜器外置设备液压系统的压力补偿研究D:.杭州:浙 江大学博士学位论文，2005. 图2弹性模量与压力变化关系曲线 实验结果表明，当压力较低时，油液的体积弹性模 量值随着压力变化比较大。 当压力比较高时，油液的体 积弹性模量值随着压
13、力变化趋于平缓， 通过指数衰减 拟合得到的曲线与实测值吻合的较好。 （3）实验结论。 根据上述结果可以得出以下结论： 1）由图1.2可见，在油温不变的情况下，系统压力 在中、低压范围内（约为010MPa），be的变化比较大。 由于系统动态过程的压力含有该段压力范围， 所以在 模型中不应把油液体积弹性模量看成为一常数， 应采 用拟合方程表示某一压力下的油液体积弹性模量。 当 压力大于10MPa，be变化不明显，这时be可被视为一个 常量，约为1600MPa。 2）拟合值与实测值吻合得很好，尤其在中、低压范 围内， 通过实验得出的油液体积弹性模量随压力的变 化曲线为： be=-13.37e -p 2.73 -8.59e -p 48.31 +21.4 3）推导出的油液体积弹性模量的压力模型适用于 任何油温变化不大，系统供油条件、吸油能力不变的液 压系统的动态分析、建模仿真。 参考文献 1盛敬超.液压流体力学M.北京：机械工业出版社，1982. 2王静，龚国芳.油液弹性模量检测装置设计及仿真分析J.液 压与气动，2006（7）. 3胡泓，姚伯威.机电一体化原理及应用M.北京：国防工业出 版社，2002. ! （上接第16 页） 19
