基于相变复合材料的新型液压油箱设计及研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:张列()男硕士研究生:.通信作者:冯永保()男教授博士生导师:.:./.基于相变复合材料的新型液压油箱设计及研究张 列李 良冯永保何祯鑫韩小霞(火箭军工程大学 导弹工程学院 西安)摘要:针对液压系统存在“低温启动困难”和“高温散热效率低”的矛盾问题影响了液压系统设备性能的整体提升设计一种采用相变复合材料构建的新型液压油箱结构利用 软件对先后添加复合相变材料新型油箱进行建模与仿真得出径向传热、瞬态传热等仿真云图并进行分析比较传热梯度的变化 仿真结果证实相变复合材料能够快速吸收油液的热量从而散热效果高于普通油箱 并且针对油箱传热的不同影响因素进行了仿真分析得出油箱材料、环境温度、载荷温度仿真云图仿真结果表明利用相变复合材料的高储能及高导热特性在低温条件下液压油能够在油箱中快速均匀加热以及在高温条件下高效散热提高油箱的换热效率减小油箱体积使其具备“容积小、导热快、换热面积大、油液加热均匀、对极端温度条件适应能力强”等优点对延长液压油及液压元件的使用寿命提高液压系统设备的工作可靠性和生存能力具有重要意义关键词:相变复合材料液压油箱换热效率瞬态传热数值模拟本文引用格式:张列李良冯永保等.基于相变复合材料的新型液压油箱设计及研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():“”“”.“”.:引言液压油是液压系统工作的重要媒介之一具有润滑、散热、保护等功能 对于一些工业设备如飞机、特种装备等由于其工作环境会随着时间、空间的变化产生较大的差异所以要求液压系统对不同的极端气候条件具有很强的适应能力 某起重机液压系统中油箱配备的液压油在低温 时其平均运动黏度约为 /基本接近或达到常用的柱塞泵和齿轮泵的极限启动黏度液压系统在低温启动时液压油黏度增大、流动性变差液压泵(特别是柱塞泵)的吸油性能变差易产生吸空现象从而导致液压系统的初始压过低或者无初压时产生启动困难、动作迟缓等非正常工作现象 因此在恶劣的环境下液压系统设备的启动困难与流量不足问题基本是由元件及油液本身特性决定的 为了克服该“先天性”低温启动困难的问题现如今的方法是采取必要的技术措施降低液压系统启动时的油液黏度使油液黏度达到液压泵与液压元件正常工作时的黏度值目前一般对液压油的低温解决方式主要有 种:一是研究适合低温环境使用的低温液压油陈英龙等对低温环境下所使用的低温液压油进行了简单的整理分类乔琪等研制了一款 低温液压油其具有良好的黏性性能能够与多种不同功能的改进剂适用并且具有很好的氧化性和热稳定性魏传良等研制了一款低温液压油 其主要能够在高压低温中适用为大型高压、超高压机械液压设备提供了便利 二是采取对油液进行预加热的方法 等研究了热机进行加热时温度对油膜壁面的影响胡宗杰等通过在液压油缸盖与气管间设置油束热碰壁系统液压系统中液压油能在短时间加热(左右加热)上述的 种方法虽然都可以使液压系统正常工作但是耗费的成本较高而且目前国内的研究水平尚有很大的发展水平本文中以相变复合材料储能及相关传热原理为基础以高孔隙率泡沫碳、泡沫铝和泡沫铜材料为骨架在其中填充相变材料制成复合相变材料并将其填充至液压油箱中利用仿真软件 开展油液、复合相变材料填充与换热系统(加热、散热系统)之间的耦合传热的数值模拟分析验证 总体设计.液压油箱结构设计以 三一起重机为例起重机中液压系统的组成部分分为上车、下车液压系统上车液压系统主要分为伸缩、变幅、回转、卷扬等机构下车液压系统主要是支撑结构以及油箱、多路阀等 这款具有 容量的传统方形液压油箱其外观尺寸以 的比例进行了精心的设计以增加散热面积并且由优质的 钢(如表 所示)制成可以满足不同的应用需求 根据油箱设计原则油箱侧板的厚度通常为.到 侧板厚度影响油箱的散热效率较薄的侧板其散热效果良好但不满足油箱设计的强度 综上:油箱的侧板厚度一般为.容量小于 的油箱侧板厚度可以达到 容量大于 的油箱侧板厚度可以达到 箱底厚度则是箱壁的 倍油箱的主体由侧板和箱底焊接而成根据的规定油箱支座的高度必须至少要距离地面 针对液压油箱容积计算油箱内隔板的高度为油液面高度的 吸油管入口上装有粗滤油器回油管末端装有精滤油器且要完全浸没在油液中去防止吸油管在吸油时产生气泡影响系统工作回油管末端采用 斜面设计目的是增大回油截面面积减少回油时流速过快对油液产生冲击且回油管斜面应朝向油箱侧板有利于油液的散热当系统的回油量很大时回油口应高于油液液面开一个斜向的排油槽减缓油液流速的同时还可以排除油液中多余的空气泄油管设计与吸油管相似但其不可浸在油液中管的端口与油箱侧板和地板的间距是至少为 倍的管路直径粗滤油器距箱底至少 为了保护油液油箱的各端口都要进行密封处理防止油液污染注油器上应添加过滤网通气孔上必须安装空气滤清器其容积应为液压泵流量的两倍油箱中回油口下方应设置磁性装置用于吸附油液中污染的金属杂质表 钢材料性质 参数数值初始温度/密度/()比热/()导热系数/().总导热系数/().使用 三维设计软件建立油箱模型:根据上述油箱设计标准采用尺寸:底座为 侧板 为 侧板 为 张 列等:基于相变复合材料的新型液压油箱设计及研究 液压油箱的壁厚为 箱底厚度为 箱底与地面的间距为 以确保液压系统的稳定性和可靠性挡板高.空气过滤器和吸油管装有过滤网回油管端口截面斜切 三维模型如图 所示.箱体.油箱侧板.回油管.过滤器.注油孔.吸油管.油箱上盖板图 液压油箱三维图.相变复合材料设计相变材料分为有机相变材料、无机相变材料和复合相变材料 大类当前复合相变材料比其他 种应用更加广泛这是因为复合相变材料对于提高传热效率具有极大的作用 本文中采用 斜片石蜡与膨胀石墨复合后制备的相变复合材料通过扫描量热法()测试其基本特性满足如下要求:相变温度:相变焓值/导热率./循环稳定性良好在 次循环相变温度变化量 相变焓值下降 数学模型.相变复合材料传热模型相变换热系统的性能取决于相变材料的相变过程相变材料在相变时的传热速率直接关系整个系统与外界换热的性能 在设计相变换热系统时材料的选取、厚度以及系统的供热功率等参数需要求解计算本文采用焓法模型进行求解:整个区域:()()进行求解过程中首先对焓场进行求解其次对温度场求解设初始温度 具有第 类或第 类边界条件方程为 ()()定义无量纲为 ()()()式()中:为比热为相变温度为饱和液相焓为饱和固相焓为固相导热系数 为相变潜热 为斯蒂芬数 为傅里叶数 为毕渥数即通过焓法模型推导可得方程:()将式()方程离散化得:()()()()()().稳态传热数学模型稳态传热是热能流动不随时间改变的传热其代表方式是热传递 其热能流动不随时间变化即温度和热载荷也不随时间变化 所以稳态传热适用热力学第一定律控制稳态传热的热平衡微分方程为()()()()有限元平衡方程为()().瞬态传热数学模型瞬态分析是计算温度随时间变化的温度场以及其他参数的分析 在实际工程中瞬态分析是十分重要的其分析的温度场可以作为热载荷对系统的应力分析 跟稳态分析不同瞬态分析的温度场是随着时间变化而变化的时间参数不仅是计数功能而是有着实际的意义分析相变材料的储能效应时也要用到瞬态分析瞬态分析的控制方程跟稳态的不同其矩阵形式为()()式()中:()为热存储项瞬态分析中载荷随时间变化:()()()()对于非线性瞬态分析:()()()()数值仿真结果及分析.未加相变复合材料的液压油箱仿真分析将上述模型利用 转换后导入软件 中进行三维模型的传热仿真 仿真包括油箱的稳态温度场、瞬态温度场、复合因素对温度场的影响以及改变材料对油箱散热性能的影响等 热分析模块基于能量守恒原理的热平衡方程用有限元法计算各节点温度并导出其他热物理参兵 器 装 备 工 程 学 报:/./数 利用 进行热力学分析步骤如下:建模:利用 的命令建立三维模型定义基本属性:首先需要定义模型的单元类型模型选用“”三维八节点六面体单元可以准确的反应模型在瞬态和相变时的传热过程 然后定义材料属性其中普通油箱采用 钢的材料属性已经在表 中给出划分网格:利用划分网格需定义单元密度然后选择划分方式 模型整体单元密度为.油箱上部的传热方向为.划分方式选择六面体为单体整体统一划分设置边界条件:选择求解方式以及对应的输出设置时间步长为 定义求解时间为 求解设置:定义求解结果的径向路径即选择路径上的点模型的径向路径为油箱的传热方向 根据不同的需求获得不同的求解结果:依照上述步骤和参数划分网格施加载荷和边界条件计算结果如图、图 所示图 温度云图.图 径向温度.从计算结果可以看出:油箱传热是均匀的向外传热径向方向的热量呈阶梯状分布 通过图 可以分析:普通油箱的热量传递是均匀的热量通过侧板传递到外界空气中热量传递以热传导为主 表 为油箱稳态传热的参数值、传热速率和传热量上半部分的参数值给出了初始温度、载荷温度以及导热率下半部分给出稳态传热时热量传递速率为.(由于是散热所以为负后面的热量同理)共散出热量 .表 参数及计算结果 参数数值参数数值.瞬态传热仿真分析瞬态分析划分网格跟稳态分析一样根据上述步骤结算可得 时油箱的径向曲线图(如图 所示)以及不同时间的温度云图如图 所示图 云图与径向曲线.张 列等:基于相变复合材料的新型液压油箱设计及研究图 不同时间的温度云图.从计算结果可知:油箱的散热是随着时间从内到外从上方均匀散热到下方并且温度的传递方向也是均匀的从内到外传热由传热模型图可以看出油箱的上方散热较快下方散热较慢油箱中温度最高点为内侧最下方的 点温度最低点为外侧最上方的 点 个点在图中均有标出把、温度云图结合 的云图可以的得出 个节点的温度曲线如图 所示图 不同时间节点温度曲线.从图 中曲线可以分析得出:在 之前 节点比 节点温度跨度大油箱内部存在温差导致 节点的温度向 节点传递减缓了 节点的散热速率在 之后 个节点温度下降趋势基本一致 从曲线趋势可以看出油箱并未达到平衡(热平衡分析会在下文给出)油箱会随着时间继续散热.添加复合相变材料的液压油箱仿真分析仿真步骤同上在参数设定时需要定义 种材料参数在分别赋予各个材料采用强化后的高导热相变材料参数如表 所示 划分网格根据相变材料的厚度选择.的单元密度径向的网格图如图 所示表 相变复合材料性质 参数数值初始温度/密度/()比热/().导热系数/().总导热系数/().图 油箱径向网格划分.相变传热所需焓值变化可以通过 的仿真中得到(如表 所示)填充有相变材料的液压油箱的温度云图和径向曲线图如图 所示表 相变材料焓值 温度/焓值/()温度/焓值/().图 相变材料油箱云图.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./从计算结果可以分析:在 时 比普通油箱低了.比普通油箱低了.可见相变材料可以快速吸收油液的热量相比于普通油箱增加了油箱的散热效率在 时散热效果优于普通油箱)油箱传热影响因素分析分析环境温度、载荷温度、有无挡板、材料厚度、油箱材料等复合因素对油箱传热的影响分析不同因素影响油箱温度不同的参数得出一套完整的复合因素对油箱传热影响的仿真结果)油箱材料对 钢、铝合金、相变材料、硅胶导热片建模成大小相同的板材对其在 的散热进行有限元的温度场分析室内温度为 比较材料与空气的换热系数 根据温度云图(如图 所示)可以分析 种材料的温度分布方式相同图 不同材料的板材传热.结合各节点温度(如图 所示)分析发现 种材料中 钢的散热效率较好这可能是因为 钢与空气的换热系数大于其他 种材料所以在温度云图中显示 钢散热速率高于其他 种材料 在相变材料的云图中相变材料的散热慢于上述的 种材料分析相变材料本身的原因是由于相变材料的导热率较小材料内部相变潜热从而导致散热效率较慢 在本文的主要研究中我们只讨论了未强化的相变材料的散热效率针对于此缺陷将进行强化的相变材料进行相关性研究)环境温度环境温度分别设置为、对相变材料油箱在 时进行瞬态分析(如图 所示)将云图中的信息整理可得图 从计算结果可以分析:温度场分布情况大体相同环境温度影响液压系统的散热效率对 节点的温度影响大于 节点即环境温度主要影响油箱散热时的最低温度环境温度升高导致 节点温度上升降低 节点向 节点的传热效率而本身 节点向外散热的效率不会影响太多图 板材温度折线图.图 初始温度对温度场的影响.图 不同环境温度节点温度曲线.)载荷温度环境温度设置为、对相变材料油箱在 时进行瞬态分析(如图 所示)将图 中的信息整张 列等:基于相变复合材料的新型液压油箱设计及研究理可得图 从计算结果可以分析:载荷温度影响液压系统的散热效率对 节点的温度影响大于 节点即载荷温度主要影响油箱散热时的最高温度载荷温度升高导致 节点温度上升加大两节点温度差加快 节点向 节点传热的效率而本身 节点向外散热的效率不会影响太多图 载荷温度对温度场的影响.图 不同载荷节点温度曲线.)挡板设计研究油箱内挡板对油箱的散热影响分别增加 块和 块挡板对普通油箱在 时进行瞬态分析(如图 所示)将云图中的信息整理可得图 从计算结果可以分析:温度差云图显示有挡板的位置更利于油箱散热挡板周围温度梯度变化明显可以有效增加散热效率 从数据上分析挡板可以降低油箱在 时的节点温度但总体降温幅度不大 节点在 左右 节点在 左右可见挡板温度对 节点温度影响较大增加挡板数目并不能有效的快速降低温度挡板之间的散热存在相互影响如果油箱体积很大则可以选择较多的挡板图 有无挡板对温度场的影响.图 有无挡板节点温度曲线.)材料尺寸从计算结果可以分析:温度差云图显示温度场分布基本不变 从数据上分析相变材料可以降低油箱在 时的节点温度但总体降温幅度不大最高温度在 左右最低温度在 左右改变厚度为 油箱的 节点上升 最低温度下降 由此表明 厚度的相变材料的潜热足够该模型在 的储放热 厚度的材料在潜热不会提供多余的帮助研究油箱内材料尺寸对油箱散热变化的影响改变油箱材料厚度大小进行油箱散热仿真分析得到温度云图 将云图数据信息整理可得图 图 材料厚度对温度场的影响.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 材料厚度节点温度曲线.实验验证采用 节设计的传统方形液压油箱进行对比实验验证有无相变复合材料填充的液压油箱散热性能 具体试验步骤如下:)找到规格相似的 个液压油箱装入相同体积的液压油)在环境温度相同的条件下加入规格相同的加热棒模拟液压系统油液的温升过程)采用温度传感器测量油液的温度每隔一段时间测量 个不同位置取平均值记录油液温度和加热时间)对结果进行分析油液温度较低的油箱证明散热性能更好一些选用 的液压油箱采用 切片石蜡膨胀石墨相变复合材料灌装总质量为.具体灌装前后实物照片如图 所示图 油温自动控制油箱实物照片.当环境温度为 采用的加热棒功率为 每隔 记录油液温度将得到的数据绘制折线图如图 所示 从折线图 中可以看出:普通油箱的油液随着加热时间的延长温度逐渐上升而且开始的上升速率慢后面的速率大而带相变材料的油箱在 以前油液温度的上升规律和普通油箱一样并且温度上升的速度要比普通油箱高这是由于相变材料在相变之前对散热有一定影响但达到相变材料的相变温度时相变材料开始迅速吸热保证温度缓慢升高能够维持约 当相变材料吸热饱和后温度又快速升高 因此相变材料能够实现快速的散热但当达到饱和后散热效果也会降低图 油箱散热效果对比.结论采用 斜片石蜡与膨胀石墨复合后制备的相变复合材料设计的新型液压油箱对液压油箱散热过程的仿真测试分析得出以下结论:)选择的相变复合材料满足相变温度:相变焓值/导热率./()循环稳定性良好等性能要求)油箱传热方向是均匀的向外传热且径向方向的热量呈现阶梯状分布油箱稳态传热过程中传热速率为./释放热量 .在瞬态传热过程中新型油箱内侧温度由外侧进行均匀传递)添加复合相变材料后新型结构油箱在 时最高温度比未加复合相变材料油箱低.最低温度比未加复合相变材料低.)经过相变复合材料填充后的油箱油液温度比未填充的液压油箱温度低且能够实现快速的散热但当散热温度达到峰值时散热效率也会随之降低 相变复合材料与液压机构所组成的相变温控组件具有良好的力学性能和热学性能为后期开展相变传热装置的设计、封装、性能分析、优化等奠定了基础参考文献:刘涛朱遴李志成等.发射车液压油缸应力分析与弱磁损伤探测技术研究.兵器装备工程学报():.张 列等:基于相变复合材料的新型液压油箱设计及研究 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