液压系统中的流动带电现象.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T O0L ＆ HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 0 Vo l _ 3 8 No ．1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 5 1 液压系统中的流动带电现象 冯丽萍 陕西工业职业技术学院，陕西成阳 7 1 2 0 0 0 摘要固体和液体相对运动时，由于电气二重性作用 ，二者携带符号相反的电荷。当液体在流动过程中，电荷的发生 和缓和同时存在。液压油为高阻抗的液体 ，在其传动过程中同样会产生流动带电现象。通过液压系统中的流动带电现象的 实验 ，指出在液压系统中存在着多处流动带电现象，尤其是纸质滤芯产生的流动带电量较大，在系统设计中必须引起关 注。 关键词流动带电；液压油；高阻抗 中图分类号T E 8 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 31 6 9 2 Fl o w El e c t r i fic a t i o n Phe no me na i n Hy d r a ul i c Sy s t e m FENG Li p i n g S h a a n x i P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e ，X i a n y a n g S h a a n x i 7 1 2 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t W h e n a r e l a t i v e mo t i o n o c c u r r i n g b e t we e n l i q u i d a n d s o l i d，e l e c t r i c c h a r g e s w i t h o p p o s i t e s i g n s c o me o u t s e p ara t e l y o n e a c h s i d e b e c a u s e o f e l e c t ri c a l d u a l i t y ．I n t h e p r o c e s s o f l i q u i d fl o w，t h e c h a r g e s o c c u r r e n c e a n d e a s e b o t h e x i s t ．Hy d r a u l i c o i l i s h i g h i mp e d a n c e fl u i d，S O fl o w e l e c t ri fi c a t i o n p h e n o me n a w i l l a l s o o c c u r i n t h e c o u r s e o f t r a n s mi s s i o n ．T h e e x p e ri me n t s o f fl o w e l e c t r i fi c a t i o n we r e ma d e ． T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e r e are ma n y p h e n o me n a o f fl o w e l e c t ri fi c a t i o n i n t h e h y d r a u l i c s y s t e m ，e s p e c i a l l y t h e e l e c t r i c q u a n t i t y o f p a p e r fi l t e r i s b i g，wh i c h s h o u l d b e c o n c e r n e d i n t h e s y s t e m d e s i g n ． Ke y wo r d s F l o w e l e c t rific a t i on； Hy dr a ul i c o i l ； Hi g h i mp e d a nc e 流动带电是液体和固体相对运动时，由于摩擦 使两者携带相反的电荷 的带电现象，人们称为流动 带电。这种现象是由于二者的相对运动 ，固体和液 体的电气平衡状态被破坏而造成的。已经携带电荷 的液体 ，如果再和固体导体相接触时，就会产生新 的电荷同时液体中的部分 电荷将被缓和 。但是对 于非导体的液体 ，液体 中的电荷容易聚集 ，并且不 容易被缓和。当聚集的电荷达到一定时，容易引起 放电、起火等现象⋯。流动带电现象在 日常生活中 经常出现，例如 ，很多汽车发生原因不明的 自燃现 象，是由于汽车的燃料供给系统也存在着流动带 电 现象 ，产生 的电荷未 能及 时 释放 ，就会 产 生放 电现 象 ，因此部分 汽车 的 自燃 现象 ，可 能就 是 由 于流动 带 电所 引起 的 ；再如 大型 变压 器 的冷 却 系 统 ，采 用冷却油的循环冷却系统 ，也有绝缘材料被放 电而 引起故障的报道 。因此 ，对于流动带电产生机理 的研究 ，以及 怎样迅 速地 使 聚集 的 电荷 释放 ，是安 全生产 的重要课 题 。 在液压传动中，由于传动介质是体积阻抗率很高 的液压油，因此也存在着流动带电现象，例如，在液 压系统中使用的滤油器，如果滤油器滤芯为纸制滤 芯，就容易产生较大的流动带电 。液压油在经过薄 壁小孔时产生的空穴和放电现象 ，液压油在管路中 传动时都存在着流动带电现象 ，作者就液压系统中 的流动带 电现象加 以介 绍。 1 流动带电产生的原理 两个不 同的物体 相互接 触 的界面 会产生 电位差 。 当固体和液体相互接触时，在其结合面，就产生了电 气二重层 ，也就是在固体和液体结合面的两端将带上 极性相反的电荷 ，由此产生了结合面的电位差 。 当液体和固体有相对移动时，在液体一侧的电荷 将随着液体一起移动 ，固体和液体结合面的电气平衡 状态将被破坏 ，此时就产生了液体的流动带电。图 1 a 和 b 分 别 为液 体 静 止 和流 动 时 的 电荷 状 态。 液体静止时，固体和液体的接触界面的电荷分布状态 是平衡的，如图 a 所示。在固液接触面，一侧带 正电荷 ，另一侧带负电荷。当液体流动时 ，在液体一 侧 的电荷将 随着 液体 一起 流动 ，界 面电气平衡状 态将 被破坏 ，由于 电气二重层 的影 响 ，为了达 到新 的电气 平衡状态 ，靠近结合面的电子将补充离开的电子的位 置 ，使液体和固体带有相反极性的电荷 ，从而产生了 流动带 电。 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 2 作者简介 冯 丽萍 1 9 6 9 ～ ，女 ，工 程硕 士 ，副 教授 ，主 要研 究 方 向为 液 压 油 的检 测。 电话 1 3 8 9 2 9 9 7 0 5 8 ，Em a i l s x x y _flp 1 63 ．c o rn。 1 7 0 机床与液压 第 3 8卷 寓 I 蓁 a j 止 b 流 动 图 1 液体的流动带电 2 滤油器的流动带电 在液压 系统 中，同样 存在着 许多流 动带 电现象 ， 作者就液压系统中几种流动带电现象进行阐述。图2 是测试不同类型滤油器流动带电的实验回路。图3为 测试用滤油器简图。为了了解滤油器的带电情况，可 以利用表面电位测定仪对滤油器表面的电位加 以测试 ， 图4为将滤油器 进行绝 缘性保 持架 支撑后其 表面放 电 的照片和其表面的电压 ， 其表面放电电压达到 1 6 k V 。 电极 滤 油器 单元 实验用液压回路 酝 出 陋 MQ 圈有机玻璃 图 3 测试用滤油器简图 a 滤 油器表面 放 电的照片 b 放 电时的测 量的 电压 值 图4 滤油器表面放电情况 图5表示过滤精度不同 的滤油器 的带 电量随流量变 1 0 化的曲线。液 压油 采 用 亳 V G 4 6 ，在 2 0℃ 时 ，对 3种 滤油器进行测试 的。可以看 1 0 出 ，滤芯材料相 同时 ，过滤 -1 0“ m 纸质滤芯 1 50 200 25 0 30 0 35 0 Q／ c m3 ． s ‘ 1 精度越高，其发生量也就越图5 不同类型滤油器的 大。在过滤精度相同时，纸 流动带电测试结果 质材料滤芯的带电量要比金属材料的多。 3 液压管路的带电量 流动带电中发生的电量大小和多种因素有关，其 中有流速 、接触 面积 、流路 的长短 、液压油在管路 中 流动时的流动带 电情况 。测 试回路如 图 2所示 ，测试 部分结构示 意图如 图 6 。 图6 测试部分详图 图7是测试管长为 5 0 0 m m时测试结果 ，o型是 进口处测试网 M 的测试结果，●型是测试管出口处 测试 网 M 的测试 结果 ，△型是 测试 管 的测 试结 果。 从进口处测试网 M 的测试结果来看，带电量随着流 速 的增加一起增加 。在进 口和出 口处 的测试 网采用的 是间隔为 2 ． 5 m m 线径 为 0 ． 2 9 m m的 网。在进 入 到测试管前，由于缓和管的作用，进人到测试管的液 体带的电荷几乎全部被缓和管所缓和。而从测试管的 测试结果可以看出，测试的电流为负，并且随着流量 的增加而增加。测试管带有负电荷 ，说明通过测试管 的液压油中带有正电荷。而从测试管出口处的测试结 果 M 可以看出，它和测试管 c的结果相比较，其值 较小说明测试网 M 本身流动带电的电荷和管路中产 生的正电荷相抵消 缓和 的综合结果 。 p mm d 7am 图7 管长为5 0 0 n l m的测试结果 4结论 从以上现象这可以看出，在液压系统中，存在着 许多流动带电现象 ，在生产中必须引起关注 ，尤其是 滤芯材料为纸质 的滤油器 ，产生的流动带 电较大 。 下转第 1 5 3页 一 n _ u 土 出 一M ． 第 1 3期 傅晓云 等某水下航行器舵机液压伺服系统建模仿真 1 5 3 造成响应过程的震荡 ，动态稳定性差。图 7为仿真 试 验过程 中一组 K l 5 0 0、K 。 1 0 、K D 0和一 组 K 1 5 0 0、K 5 0、K D1 0时的液压缸 响应 曲线 的局部放 大 图。 骞 昌 漤 ‘1 _1 2 昌 毫 4 6 4 8 5 0 5 2 5 4 5 6 5 8 6 0 时间， s ‘ a Kp l 5 0 0、Kl 5 0 、KD 0 4 ． 0 5 ． 0 6 ． 0 7 ． 0 8 ． 0 9 ．0 时 间， s b l 5 0 0、KI 5 0 、KD 1 0 图 7 液压缸响应曲线局部放大图 经仿 真分 析 ，4个 舵 的工 作状 态一 致 ，在 K 1 0 0 0 、K 1 0 、K 。 0 图 6 时 ，响应 曲线 相对输 入信号滞后0 ． 0 7 s ，极值误差约 1 ． 2 1 m m，即控制角 度精度约为0 ． 2 6 。 ，均能很好地跟踪指令信号，因此 可 以忽略液压泵出 口分流阀块对各个液压缸性能的影 响 。 工况二 在 工况一指令的基础上 ，在某 一液压缸 外负载力矩中加一个大小为 6 0 0 0 N m、持续时间为 0 ． 0 2 s 的干扰力矩 。对应舵液 压缸 的响应 曲线 如 图 8 所示 ，其对应平衡阀流量响应曲线如图 9所示。由图 可知，当存在过载的外干 扰力矩时，液压缸位移会 0 ． t o { 产生波动 ，平衡阀开启从 而避免由于外部负载力产 _ o ．0 { 生过载压力 造成液 压缸 和 ． 0 ． 1 5 i 伺服阀的损坏而导致系统 工作异 常 ，而且其 他未加 干扰力矩 的舵并 不受 影 响，其响应 曲线如 图 1 O 所示 。 l0 0 一目 8 0 昌 6 0 量 4 0 2 0 0 i a 平衡阀1 图 8 l O0 _ 口8 0 昌 6 0 晕 4 0 嫠2 0 0 1 0 2 O 3 O 4 0 5 0 6 0 时 间， | 液压缸在干扰力 矩下的响应曲线 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 时间， s b 平衡 阀2 图9 加干扰舵液压缸平衡阀流量曲线 图 l 0 其他液压缸响应曲线 3结 果分 析 1 在水下航行器舵机 中采用伺服 阀控液压缸系 统，具有响应速度快 、控制精度高、结构简单的优 点 ，可以满足应用要求 。 2 双向平衡阀在外部负载产生过载压力时，迅 速开启，能避免液压缸和伺服阀因过载而损坏。 以上仿真试验结果表 明 ，该航行器舵机液压伺服 系统具有 良好 的动 态响应 特性和较 好 的抗 干扰 能力 ， 对实际工程应用具有一定 的指导意义 。 参考文献 【 1 】赵宁宁． 水下航行器控制系统仿真试验研究与应用 [ D] ． 西安 西北工业大学， 2 0 0 6 ． 【 2 】 刘海丽， 李华聪． 液压机械系统建模仿真软件 A M E S i m 及其应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 6 1 2 41 2 6 ． 【 3 】付永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真[ M] ． 北京 北京航 空航 天大 学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】 王春行． 液压伺服控制系统[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 8 9 ． 【 5 】[ 美 ] K a t s u h i k o O g a t a ． 现代控制工程 [ M] ． 卢伯英 ， 等． 译 ． 3版 ． 北京 电子 工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． 上接第 1 7 0页 参考文献 【 1 】 Y a s u d a M， G o t h o K ， C k u b o Y ， e t a 1 ． A m e t h o d o f s u p p r e s - s i o n f o r s t r e a mi n g e l e c t ri fi c a t i o n i n l a r g e p o w e r t r a n s f o r me r [ J ] ． T r a n s a c t i o n o f t h e I n s t i t u t e o f E l e c t ri c a l E n g i n e e r s o f J a p a n ， 1 9 8 5 ， 1 0 5 3 2 6 5 2 7 2 ． 【 2 】 K a t o T ． E l e c t r o s t a t i c s o f f u e l s y s t e m fo r t h e a u t o m o b i l e [ J ] ． J o u r n al o f t h e I n s t i t u t e o f E l e c t r o s t a t i c s J a p a n， 1 9 9 9， 2 3 5 2 0 1 2 1 5 ． 【 3 】 Z h u S ， e t a1 ． E x p e r i m e n t a l s t u d y o n fl o w e l e c t ri f i c a t i o n p h e - n o m e n a i n d i e l e c t ri c o i l fl o w s o v e r fi l t e r 『 C] ／ ／ I C F P 2 0 0 9 。 2 0 0 9 6 7 66 8 0 ． 【 4 】 Wa s h i o S e i i c h i ， C h e n H u i q i n g ， T a k a h a s h i S a t o s h i ， e t a1 ． O n l i n e d e a e r a t i o n o f h y d r a u l i c o i l f o r s u p p r e s s i o n o f c a v i t a t i o n [ C ] ／ ／ 5 t h I n t e r n a t i o n al F l u i d P o w e r C o n f e r e n c e ， 2 0 0 6 3 3 7 3 4 7 ． 【 5 】T a k a h a s h i S ， Z h u S ， Wa s h i o S ． E x p e ri m e n t a l d i s c u s s i o n o n b a s i c c h a r a c t e ri s t i c s o f fl o w e l e c t r i f i c a t i o n b e t we e n d i e l e c - t r i c l i q u i d s a n d me t a l w i r e m e s h e s [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f t h e J a p a n S o c i e t y o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r s ， 2 0 0 7 ， 7 3 7 2 7 8 7】一87 8．