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液压工作介质物理特性的数字建模

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  随着液压技术的不断发展,对液压系统运行的快速性、稳定性和准确性的要求越来越高,而液压工作介质的物理特性对系统工作特性会产生较大影响。目前作为研究热点的水液压问题,其核心也是工作介质物理化学特性变化而产生的一系列问题。数字仿真技术为实现高性能液压系统设计提供了一条有效的途径。数字仿真结果的准确性依赖于数学模型和仿真参数的准确性,而油液的数学建模是建立系统数学模型的重要内容之一。液压油的物理特性受工作压力、温度、混入空气等因素影响变化很大,在工况比较复杂、工作参数范围变化较大的液压系统设计中如果不认真考虑油液物理特性的变化,将会使系统设计产生较大的误差。

  作者在对各种因素影响液压油物理特性机理分析的基础上,结合以往的研究成果,给出描述常用液压油物理特性的数学模型,为液压系统数字仿真提供参考。

  1 液压油建模分析

  1.1 液压油状态分析

  液压油一般以油液和空气的混合物形式存在,随着油压的变化,油液存在状态也有所不同。任何液体都存在汽化现象,当油压降低到一定程度时,液压油也会出现汽化,而液压油一般由多种成分混合而成,所以其汽化时的饱和蒸汽压并不相同。作者将油液开始汽化的饱和蒸汽压称为pHsat,完全汽化的饱和蒸汽压称为pLsat,当油压大于pHsat时液压油以油液和空气混合物形式存在,当油压大于pLsat而小于pHsat时液压油以油液、空气、部分汽化油液的形式存在,当油压小于pLsat时,液压油完全以气体形式存在,如图1所示。

  油液的汽化会产生气穴等复杂的非线性现象,对系统性能产生较大影响,而汽化现象较难用数学方法描述,这里作者讨论的油液数学模型为油压大于pHsat的状态,即油液和空气混合存在的状态,不考虑油液的汽化现象。

  当油压大于pHsat时,油液中的空气分两种形式存在:一种是溶解于油液的空气,对油液的物理特性影响不大;另一种为以气泡形式存在的空气,这部分空气对油液的物理特性影响较大。溶解的空气含量用溶解度的概念来描述。空气的溶解度可表示为[1]:

式中:B为Bensen系数,Q0为T=28816 K时油液密度,mg为空气相对分子质量,详细见文献[1]。

  文献[2]中认为未溶解空气占全部空气百分比随油压按线性规律变化,如图2所示。图中ps为饱和压力,认为油压大于ps时气体完全溶解。这种方法虽然对气体析出进行了较大的简化处理,但计算方法简单,得到了较为广泛的应用。

  1.2 液压油物理特性及建模机理

  液压油的物理特性很多,但对数字仿真影响较大的参数主要有:黏度、密度、体积弹性模量、热膨胀系数、比热容和导热率。

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标签: 液压油
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