考虑黏性作用的液压管路热力学建模及仿真.pdf

2 0 1 3年 6月 第4 1 卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAULI CS J u n e 2 01 3 V0 l _ 41 No ． 1 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 1 ． 0 4 9 考虑黏性作用的液压管路热力学建模及仿真 薛俊杰，曹克强，胡良谋 ，韩孟虎 空军工程大学工程 学院，陕西西安 7 1 0 0 3 8 摘要针对实验中出现的管路出口温度高于进 口温度的现象和传统的管路模型不考虑黏性作用，分析了管路的传热机 制 ， 建立了其热力学模型，在 A M E S i m软件平台上搭建了其仿真模型并进行了温度仿真计算。仿真结果表明了所建 A M E S ． i m仿真模型的有效性，为液压系统热力学建模提供一定借鉴。 关键词液压管路；黏性；温度仿真 中图分类号 T H 1 3 7 ． 86 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 1 1 7 33 The r ma l M o d e l i ng a n d Si mu l a t i o n o n Hy d r a ul i c Pi pe Ba s e d o n Ef f e c t o f Vi s c o s i t y X U E J u n j i e ，C A O K e q i a n g ，H U L i a n g mo u ，H A N Me n g h u T h e E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ，A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 3 8 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e p h e n o me n o n t h a t t e mp e r a t u r e i n o u t p o r t o f p i p e w a s h i g h e r t h a n t h a t o f i n p o r t a n d i n c o n v e n t i o n al t h e r ma l mo d e l o f h y d r a u l i c p i p e t h e e f f e c t o f v i s c o s i t y wa s n e g l e c t e d ， t h e h e a t t r a n s f e r me c h a n i s m o f p i p e w a s an aly z e d， t h e n the t h e r mo d y n a mi c s mo d e l a n d s i mu l a t i o n mo d e l b a s e d o n AMES i m we r e b u i l t ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s p r o v e the v ali d i t y o f t h e s i mu l a t i o n mo d e l a n d C an o f f e r s o me h e l p t o the r mal h y d r a u l i c mo d e l i n g ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c p i p e ； Vi s c o s i t y；T e mp e r a t u r e s i mula t i o n 液压系统在工作过程中会产生大量的热 ，造成油 液温度升高，从而影响整个系统的正常工作 ，甚至会 引起系统的故障 。 液压系统中，管路的使用非常普遍，用于各种附 件连接的管路多达上千段，管路数量多、长度大 ，对 整个系统的温度变化影响较大，因此对管路的热力学 分析就具有重要意义 。 针对传统的管路热力学模型不考虑黏性作用导致 的管路内生热和摩擦生热的问题 ，结合实验过程中出 现的管路出口温度高于进口温度的现象，对管路进行 了热力学分析，建立了其热力学模型，并在 A ME S i m 仿真平台下建立了其仿真模型。仿真结果验证了所建 模型的正确性，为管路 的热力学分析提供 了一定参 考。 1 管路传热分析 管路的传热机制如图 1 所示。 图 1 管路传热机理示意图 当油液进入管路后同管壁发生强迫对流换热 ， 时管路本身存在一定的液阻，油液产生一定的压降后 流出。管路壳体同环境进行 自然对流换热和辐射换 热 。 2 管路热力学模型 2 ． 1 模 型假 设 研究油液的流动换热时，考虑油液的黏性作用。 由于管路内部油液流动情况比较复杂 ，存在压 力、流量脉动等现象 ，因此 ，忽略一些影响不大的因 素，在建模之前作如下假设 1 认为管路壳体处处温度相同，只考虑进 出 口温差 ； 2 不考虑环境温度的变化 ，即认为环境温度 为定值； 3 不考虑压力、流量脉动等现象。 2 ． 2 传热学模 型 根据图 1 所示传热机制示意图，建立管路的传热 学模 型。 1 管路壳体同油液的对流换热 管内油液同管路壳体的换热为强迫对流换热 ，可 表示 为 O 。 k l A 一 1 式中k 。 为强迫对流换热系数 ，A 。 为管路壳体同油 同 液的换热面积， 为管路壳体的温度， 为管内油 收稿 日期 2 0 1 2 0 5 0 9 作者简介薛俊杰 1 9 8 6 一 ，男 ，硕士研究生，研究方向为流体传动与控制。Em a i l p o o t c u p i c x u e 1 6 3 ． c o rn。 1 7 4 机床与液压 第4 1 卷 液温度。 k 号N u ， 2 式中N u 为筒体强迫对流换热的 N u s s e h数，h为油 液的导热系数 ，d为管路的直径。 简体强迫对流换热的N u s s e l t 数可表示为 Nu 10 ． 3 黔 一 R e n 3 式 中 为雷诺数 ，P ， 为普 朗特数 。 2 管路壳体同环境间的对流换热 管路壳体同环境间的对流换热为 自然对流换热， 可表示为 Q k 2 A T c 一 4 式中k 为 自然对流换热系数，A 为管路壳体同环 境间的换热面积， 为环境温度。 管外 自然对流换热的 N u s s e l t 数可表示为 № {0 ． 6 高 2 ㈥ 而R aG r P r 6 式中砌 为瑞利数 ，G r 为格拉斯霍夫数。 3 壳体同环境间的辐射换热 管路壳体同环境间的辐射换热可表示为 Q 。 8 e r a 一 7 式中8为壳体材料的黑度，o r 为斯藩 一玻尔兹曼常 量。 4 摩擦生热 由于油液的黏性作用 ，在流过管路内壁面的边界 层内存在内摩擦，从传热学的角度 ，内摩擦可以看成 在整个流体内形成均匀分布的内热源。设内摩擦产生 的应力为 ，则在整个管路中产生的热量可表示为 Q 4 r A u r d l u 8 式 中Z 为管路 的长度 ，U为油液的流速 。 2 ． 3数学模型 采用容积建模法建立管路的数学模型，取管路中 油液的控制体模型如图2所示。 为油液控制内的摩擦生热量 ， 为对控制体做功的 功率 ， 为流经控制体的质量流量，h为流体 的焓 值，o u t 、i n分别表示控制体出口和进口。 通过计算得到管路出口温度，可表示为 [ ∑ h ∑ ～h o - 0 ] 1 0 式中 为管路 出口温度 ，m为管内油液质量，c 。 为流体的定压比热。 同样的方法可得到管路壳体温度，可表示为 去[ o z o ， 一 o ] 1 1 式中m 。 为管路的壳体质量 ，Q 和 Q 分别为管路 向环境的对流散热和辐射散热。 3 仿真模型建立 3 ． 1 管路热力学模型建立 以对管路的传热机制分析为基础，采用 A M E S i m 建立管路的仿真模型，如图3所示。 摩擦 生 熟 进 口 对 沉 抉 热 、 图3 管路热力学仿真模型 3 ． 2 液压 系统仿真模型建立 建立包含所建管路的液压系统模型，包括油箱、 油泵、节流器、单向阀等组成的回路 ，将所建管路当 作负载，如图4 所示。 ⑨ ⑨ o 管路 ．一 ．．． ． 控 一⋯． 图 4液 压 系 统 热 力 学 仿 真 模 型 女 口 图 所 零 的 控 制 体 ， 其 能 量 方 程 可 表 示 为 4仿 真 结 。 ⋯ ⋯⋯～⋯⋯ Q Q ∑ 一 h o u t 一∑ ⋯ h 9 仿真过程中将管路长度取为2 m ，因为当管路长 式中Q 为管路壳体传给油液控制体的热流量 ，Q 度大于 3 m时，由于散热面积的增加，此时主要考虑 ． P． 、 j r1 鳞 第 1 1 期 薛俊杰 等考虑黏性作用的液压管路热力学建模及仿真 1 7 5 管路的散热作用。对所建液压系统进行仿真，仿真 结果如 图 5 _8 所示 。 霸 皇 图5 未考虑摩擦时的 管路进出口压力 95 90 p 8 5 80 75 70 20． 40 2O． 35 20． 30 窆 2 0 ． 2 5 2 0 ． 2 O 0 ． 5 1 ． O 1 ． 5 t／ Xl o a s O ． 2 0 ． 6 1 ． 0 1 ． 4 t l x1 0 3 s 1 一 图 6 考虑摩擦时的管 路进出 口压力 95 9O p 8 5 80 75 7 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 X1 0 3 s 图 7 未考虑摩擦时 图 8 考虑摩擦时管 管路各处温度 路各处温度 从图5 、6可以看出在系统工作稳定后，管路 进、出口压力分别稳定在固定值 ，并且进口压力稍高 于出口压力 ，这是由于管路存在一定的阻尼作用的缘 故。 从图7和图 8可以看到随着时间的推移 ，管路 各处温度都呈上升的趋势，并最终趋于稳定。图 7 中，随时间增加，管路进 、出口温差是逐渐增大的， 且进 口温度高于出口，这是由于管路存在向环境散发 的缘故，且温度越高，散热越多；而图8中进 、出口 温差是逐渐减小的，且出口温度高于进 口，这是因为 考虑了管路内部的摩擦生热，其产生的热量高于管路 向环境散热的热量，随着温度升高，管路向环境散热 也越多 ，因此进 出口温差是逐渐减小的。 比较图7和图8可以看出考虑黏性作用后，管 路整体的温度都有所升高。 5结论 传统的管路热力学模型没有考虑摩擦生热的问 题 ，作者从实验中得到启发，在考虑管路黏性作用的 基础上，分析了管路的热力学模型，建立了其仿真模 型。物理意义明确，仿真结果验证了所建模型的有效 性 ，对实验中出现的管路出口温度高于进口温度的现 象给予理论支持 ，为液压系统热力学建模提供一定的 借鉴。 参考文献 【 1 】沈燕 良， 曹克强， 王建平． 飞机系统原理[ M] ． 西安 空军 工程大学工程学院， 2 0 0 4 ． 【 2 】 李永林． 液压系统热力学模块化建模及仿真研究[ D ] ． 西安 空军工程大学 ， 2 0 0 7 ． 【 3 】 谢三保． 飞机液压系统的热力学模型及数字仿真研究 [ D] ． 北京 北京航空航天大学， 2 0 0 4 ． 【 4 】 付永领 ， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真 从入门到精 通[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 5 】陶文铨． 传热学[ M] ． 西安 西北工业大学出版社， 2 0 0 6 ． 【 6 】 I N C R O P E R A F r a n k P ， D E WI T I“ D a v i d P ． 传热基础[ M] ． 陆大有 ， 于广经， 朱谷君 ， 等， 译． 北京 宇航出版社， 1 98 5． 上接 第 8 8页 5 总 结 1 基于多学科仿真平台 A ME S i m建立 了封闭 式空气悬架系统的物理模型，并设计了基于离散论域 的车高调节模糊控制器，实现了车身高度精确和快速 的调节 。 2 分析了储气罐初始压力和容积对车高调节 过程的影响 ，随着初始压力或容积的增大，车高调节 时间变短 ，但当它们达到一定数值后，对车高调节时 间的影 响逐 渐减小 。这为封闭式空气悬架系统 的关键 部件储气罐的参数选择提供了依据。 参考文献 【 1 】 赵明， 黄其柏 ， 王勇． 汽车空气悬架系统 的发 展概况 [ J ] ． 噪声与振动控制 ， 2 0 0 5 3 1 31 5 ． 【 2 】 K I M H， L E E H ． A s y n c h r o n o u s a n d S y n c h r o n o u s L o a d L e v e l i n g Co mp e n s a t i o n Al g o r i t h m i n Ai r S p rin g S u s p e n s i o n [ C ] ／ ／ I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o n t r o l ， A u t o m a t i o n a n d Sy s t e m 20 0 7， 2 00 7 3 6737 2． 【 3 】 K I M H， L E E H ． H e i g h t a n d L e v e l i n g C o n t r o l o f A u t o m o t i v e A i r S u s p e n s i o n S y s t e m U s i n g S l i d i n g Mo d e A p p r o a c h [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n V e h i c u l a r T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1 ， 6 0 5 2 02 72 04 1． 【 4 】 J A N G I ， K I M H， L E E H ， e t a 1 ． H e i g h t C o n t r o l a n d F a i l s a f e Al g o rit hm f o r Cl o s e d Lo o p Ai r Su s pe ns i o n Co nt r o l S y s t e m [ C ] ／ ／I C R O S I n t e rna t i o n a l C o nfe r e n c e o n C o n t r o l ， A u t o ma r i o n a n d S y s t e ms 2 0 0 7， S e o u l ， K o r e a， 2 0 0 7 3 7 33 7 8 ． 【 5 】 常辉． 基于车高调节的空气悬架电子控制单元的设计与 实现[ D] ． 镇江 江苏大学， 2 0 0 9 ． 【 6 】 黄俊明， 周孔亢， 徐兴， 等． 电子控制空气悬架高度调节 过程非线性模 型[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 9 6 2 7 8 2 8 3 ． 【 7 】 张殿华， 王君， 郑芳 ， 等． 板带热连轧机组活套高度模糊 控制[ J ] ． 东北大学学报， 2 0 0 0 ， 2 1 2 2 0 3 2 0 6 ． 【 8 】 丁继斌． 基于A M E S i m的车高控制系统仿真研究[ J ] ． 新 技术新工艺， 2 0 1 0 7 1 82 0 ．