液压介质弹性模量在线测量

　　在液压系统中,体积弹性模量是极为重要的动态特性参数之一,它随系统的工况的不同而变化。

　　在工程实际中体积弹性模量受到很多因素的影响,变动很大。由于介质体积弹性模量的变化.将导致液压系统的动态特性发生变化,从而影响到液压系统的性能指标,尤其是动态特性指标。在对液压系统的动态仿真中,体积弹性模量也是关键的参数之一。目前采用公式法来估计其值的大小。如果对仿真的要求高,考虑的因素多,其公式的复杂程度高^[1-3]。体积弹性模量最常用的测量方法是测量介质中压力波传递速度,进而通过两者之间的关系来推算得出。介质中压力波传递速度即音速。对于该问题,有学者曾对柴油机供油系统中的音速进行了测定^[4-7]。其中,文献^[4]结果显示,在高压油管燃油中的压力波传递速度变化很大,从467m/s到1183m/s都有。但是有一定的规律性。对于液压系统,由于其工作压力一般没有柴油机供油压力大,脉动幅度也小。介质的性质也不相同。因此,通过实验寻找其规律是十分必要的。

　　1 理论分析

　　1.1 单相流中压力波的传播速度

　　根据流体力学理论^[7-8],在绝对刚性管道内的单相流中,压力波传播速度为

　　式(1)中:k为流体的体积弹性系数;ρ为流体的密度;

　　若取k=1000MPa,ρ=0.85X10³kg.m^-3,由式(1)可算出压力波传播速度a=1176.5m.s^-1。

　　该值与液压系统中的实测音速有很大差别,其原因在于液压系统的管路弯曲、节流处很多,再加上压力振荡导致高压油路中压力瞬时降低而产生气泡,使原来单相流变成了液相和气相混合的双相流。

　　1.2 液气双相流中压力波的传播速度

　　矿物油都有溶解空气和其它气体的能力。研究表明,在常温常压下,矿物油中溶有的气体占本身容积的8%~10%^[8]。

　　根据亨利定律,溶解的气体量与压力成正比。当压力降低到一定值时,溶解在油中的气体就会从液体中分离出来形成许多小气泡。溶解在油中的气体对油液的体积弹性模量基本上没有影响,而微小气泡的存在则会使油液的体积弹性模量大大降低,从而导致油液中压力波传播速度的降低。

　　传统准均态的油一气双相流中压力波传播速度为^[9]

　　式(2)中:k为纯液体的体积弹性系数;ρ为纯液体的密度;A为液压油中的含气率;p为液压油压力;T为液压油的温度;K为绝热指数;R为气体常数。

　　显而易见,含气率对压力波传播速度有显著的影响。含气率增大,音速下降。当含气率为零时,由式(2)可得,即单相流时的音速公式。此外,流体中的压力对压力波传播速度也有明显影响。压力升高则音速也升高。因此,由于压力的波动造成的气泡的数量变化对压力波的传递有较大影响。