CN109083873A - 一种呼吸式油气分离液压油箱及恒压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液压油箱技术领域，特别是一种油气分离液压油箱及恒压控制方法；本发明包括油箱外壳、加油孔、吸油口、回油口和排气螺钉，其特征在于，所述的液压油箱还包括呼吸缸缸筒、呼吸缸活塞、呼吸缸端盖、放气节流阀、充气节流阀、气泵和控制器，所述的呼吸缸缸筒与油箱外壳相连，所述的呼吸缸端盖与呼吸缸缸筒连接，所述的呼吸缸活塞将呼吸缸分为气体腔和液体腔；本发明采用呼吸缸活塞将空气与液压油隔离，同时采用可调式气体腔控制系统进行恒压控制，可以有效解决现有的液压泵和液压系统因为吸空出现损坏和故障的问题，并解决现有的液压油箱在高海清、海浪深沉较大的工况，船载压力油箱稳压效果差的问题。

Description

一种呼吸式油气分离液压油箱及恒压控制方法

技术领域

本发明属于液压油箱技术领域，特别是涉及到一种油气分离液压油箱及恒压控制方法。

背景技术

液压油箱常因油箱和油管设计、安装不合理，使得液压泵吸进的油液中混有过量的空气，导致气蚀和噪声的发生，同时还会导致泵的容积效率降低，使得油液变质，甚至损毁液压泵。其主要有以下一些原因：吸油管浸入液面深度不够，液压泵吸油位置太高；回油管没有浸入液压油液面下，油箱内液压油液面太低，从回油管路冲出的油液使油箱内液面剧烈地搅动，空气在搅动过程中混入油液内，吸油管即吸入带有气泡的油液；此外，油箱的倾斜和倾覆，也会导致油管伸出液压油液面以上，直接吸入空气。对于解决吸空这一问题，目前常用的解决方式除了注意液压系统中各处严格密封基础上，在油箱中加入隔板、加大油箱的体积，使混有气泡的液压油能够从回油到再次被液压泵吸入前，有效的析出液压油中的气泡。但是这些方法并不能有效的、从根本上的防止液压油与空气混合，也无法保证油管不会伸出到液面以上，并且油箱体积会相对过大、笨重，不适用于安装空间小，机动性较强的使用环境。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

此外，液压油箱广泛应用于行走机械、航空、船舶等闭式液压系统。由于应用载体的特殊性，液压油箱所处工作环境的稳定性受到巨大扰动，如泵的吸油效率、回油油路压力过高等情况，将直接影响设备性能，尤其涉及高精度控制要求的闭式系统，压力油箱的恒压特性对系统性能有着重要的影响。针对液压油箱中油液压力稳定性这一问题，目前的控制措施是采用结构优化设计来实现压力稳定。但对于船载压力油箱，由于舰船所处不同海况下，运动状态也不相同，液压油箱的压力稳定比较困难。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

针对上述内容，为解决现有技术之缺陷，本发明提供一种呼吸式油气分离液压油箱，可以有效解决现有的液压泵和液压系统因为吸空出现损坏和故障的问题。并提供一种呼吸式油气分离油箱恒压控制方法，可以有效解决现有的液压油箱在高海清、海浪深沉较大的工况，船载压力油箱稳压效果差的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是，一种呼吸式油气分离液压油箱，包括油箱外壳、加油孔、吸油口、回油口和排气螺钉，其特征在于：所述的液压油箱还包括呼吸缸缸筒、呼吸缸活塞、呼吸缸端盖、放气节流阀、充气节流阀、气泵和控制器；所述的加油孔、吸油口、回油口和排气螺钉均设置于油箱外壳上；所述的呼吸缸缸筒通过螺钉及密封结构与油箱外壳连接；所述的呼吸缸活塞设置在呼吸缸缸筒内，并且呼吸缸活塞与呼吸缸缸筒内壁滑动连接，呼吸缸活塞将呼吸缸缸筒分为气体腔和液体腔；所述的呼吸缸端盖通过螺钉及密封结构与呼吸缸缸筒连接，呼吸缸端盖上设置有放气节流阀和充气节流阀；所述的控制器与放气节流阀和充气节流阀电性连接，且通过压力传感器与液体腔连接，并且所述的充气节流阀还与一气泵相连。

进一步，所述的密封结构为O型密封圈。

进一步，所述的排气螺钉在油箱需要排气时通过旋转排气螺钉打开，配合呼吸缸活塞的挤压，以排出油箱中的空气。

进一步，所述的气体腔通过本体结构外的放气节流阀实现卸压，通过充气节流阀，由气泵进行充气实现增压。

一种呼吸式油气分离液压油箱液体腔恒压控制方法，利用如上所述的呼吸式油气分离液压油箱，包括以下步骤：

第一步，所述控制器根据检测到的液体腔油液压力数据控制气体腔，当油液压力大于所设定的恒压压力值时，气体腔放气；当油液压力小于所设定的恒压压力值时，气体腔充气；

第二步，所述液体腔压力小于恒压设定值时，所述控制器通过充气节流阀向气体腔充气增压，所述呼吸缸活塞在气压作用下推动液体增压；

第三步，所述液体腔压力大于恒压设定值时，所述控制器通过放气节流阀对气体腔进行放气卸压，所述呼吸缸活塞在液体压力推动下向上运动。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：采用呼吸缸活塞将空气与液压油隔离，使得油箱中的油液处于“真空”状态，液体腔中不存在“液面”，既避免了吸油管口伸出液面以上吸入空气，也避免了大量的空气与液压油混合的可能性，呼吸缸还可有效适应液压系统油箱油液体积变化。从根本上解决了液压油箱回油、油箱倾斜和倾覆等因素导致的油气混合、油管伸出液面吸入空气等情况。同时采用可调式气体腔控制器进行恒压控制，即通过控制气体腔压力变化来主动控制液体腔压力恒定在一定区间。

附图说明

图1为本发明呼吸式油气分离液压油箱剖面示意图。

图2为本发明呼吸式油气分离液压油箱原理示意图。

图3为本发明呼吸式油气分离液压油箱本体仿真模型图。

图4为本发明呼吸式油气分离液压油箱传统PID控制仿真模型图。

图5为本发明呼吸式油气分离液压油箱模糊PID控制联合仿真模型图。

图6为本发明呼吸式油气分离液压油箱模糊PID控制策略模型图。

图7为本发明呼吸式油气分离液压油箱位移曲线图。

图8为本发明呼吸式油气分离液压油箱液体腔压力变化图。

图9为本发明呼吸式油气分离液压油箱气体腔压力变化图。

图10为本发明呼吸式油气分离液压油箱恒压静态特性优化控制对比图。

图11为本发明呼吸式油气分离液压油箱正弦波位移曲线图。

图12为本发明呼吸式油气分离液压油箱液体腔容积高度变化图。

图13为本发明呼吸式油气分离液压油箱气体腔容积高度变化图。

图14为本发明呼吸式油气分离液压油箱油液压力变化曲线图。

图15为本发明呼吸式油气分离液压油箱气体压力变化曲线图。

图16为本发明呼吸式油气分离液压油箱不同频率下液体腔压力变化图。

图17为本发明呼吸式油气分离液压油箱不同幅值下液体腔压力变化图。

图18为本发明呼吸式油气分离液压油箱恒压动态特性优化控制对比图。

图中：1、油箱外壳，2、加油孔，3、吸油口，4、回油口，5、排气螺钉，6、气体腔，7、液体腔，8、呼吸缸缸筒，9、呼吸缸活塞，10、呼吸缸端盖，11、放气节流阀，12、充气节流阀，13、控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2所示，本发明呼吸式油气分离液压油箱，包括油箱外壳1、加油孔2、吸油口3、回油口4和排气螺钉5，其特征在于：所述的液压油箱还包括呼吸缸缸筒8、呼吸缸活塞9、呼吸缸端盖10、放气节流阀11、充气节流阀12、气泵和控制器13；所述的加油孔2、吸油口3、回油口4和排气螺钉5均设置于油箱外壳1上；所述的呼吸缸缸筒8通过螺钉及密封结构与油箱外壳1连接；所述的呼吸缸活塞9设置在呼吸缸缸筒8内，并且呼吸缸活塞9与呼吸缸缸筒8内壁滑动连接，呼吸缸活塞9将呼吸缸缸筒8分为气体腔6和液体腔7；所述的呼吸缸端盖10通过螺钉及密封结构与呼吸缸缸筒8连接，呼吸缸端盖10上设置有放气节流阀11和充气节流阀12；所述的控制器13分别与放气节流阀11和充气节流阀12电性连接，且通过压力传感器与液体腔7连接，并且所述的充气节流阀12还与一气泵相连。

所述的密封结构为O型密封圈。

所述的排气螺钉5在油箱需要排气时通过旋转排气螺钉5打开，配合呼吸缸活塞9的挤压，以排出油箱中的空气。

所述的气体腔6通过本体结构外的放气节流阀11实现卸压，通过充气节流阀12，由气泵进行充气实现增压。

如图2所示，准备加液压油前，打开油箱盖和加油孔盖，将排气螺钉5旋开，呼吸缸活塞9压至最低位置。关闭两个截止阀后，开始注油，待油液接近注满时将呼吸缸活塞9向上拉动至实际系统需要油箱容积大小位置，此时通过加油孔2观察液面应有明显下降。继续加油至液压油接近加油孔2边缘。拧紧已安装O型密封圈的加油孔盖。慢慢下压呼吸缸活塞9，直至排气螺钉5顶端有少量液压油溢出，以确保油箱内的空气已排出。拧紧排气螺钉5，安装油箱盖。打开两油口的截止阀。油箱可以参与液压系统工作。

本发明呼吸式油气分离液压油箱液体腔恒压控制方法，利用如上所述的呼吸式油气分离液压油箱，包括以下步骤：

第一步，所述控制器13根据检测到的液体腔7油液压力数据控制气体腔6，当油液压力大于所设定的恒压压力值时，气体腔6放气；当油液压力小于所设定的恒压压力值时，气体腔6充气。

第二步，所述液体腔7压力小于恒压设定值时，所述控制器13通过充气节流阀12向气体腔6充气增压，所述呼吸缸活塞9在气压作用下推动液体增压；

第三步，所述液体腔7压力大于恒压设定值时，所述控制器13通过放气节流阀11对气体腔6进行放气卸压，所述呼吸缸活塞9在液体压力推动下向上运动。

针对呼吸式油气分离液压油箱，利用AMESim软件搭建液压油箱本体结构仿真模型，如图3所示，利用AMESim软件搭建液压油箱传统PID控制仿真模型，如图4所示。利用AMESim软件和Simulink软件建立模糊PID控制联合仿真模型，如图5所示，模糊控制策略模型如图6所示。

结合图7、图8、图9和图10所示，本实施例针对液压油箱在静态条件下的恒压特性进行控制优化，此时设定液压邮箱上下升降为匀速运动，位移曲线如图7所示。为便于分析气、液压力对活塞的耦合作用规律，将模型中呼吸缸活塞9质量设为极小值，气、液腔压力设定为10bar恒定。压力邮箱气、液腔容积高度设定初始值为500mm，气、液腔容积高度和压力变化曲线如图8、9所示。

通过对图8、9仿真曲线进行分析，油箱运动形式及气液腔体积和压力变化规律可归纳如下表1、表2所示。

表1压力油箱液体腔压力变化和容积高度变化

时间	运动	体积变化	压力变化
				0～1s	静止不动	不变	不变
1s	临界点	增加到500.6mm	瞬间降低到9.76bar
				1～2s	匀速下降6m	保持500.6mm不变	保持9.76bar不变
2s	临界点	降低到499.4mm	瞬间升高到10.24bar
				2～3s	匀速上升6m	保持499.4mm不变	保持10.24bar不变
3s	临界点	增加到499.9mm	瞬间降低到10.03bar
				3～4s	静止不动	不变	不变

表2压力油箱气体腔压力变化和容积高度变化

时间	运动形式	体积变化	压力变化
				0～1s	静止不动	不变	不变
1s	临界点	降低到499.39mm	升到11.01325barA
				1～2s	匀速下降6m	保持499.39mm不变	匀速降低到11.01323barA
2s	临界点	升高到500.608mm	降低到11.01274barA
				2～3s	匀速上升6m	保持500.608mm不变	匀速上升到11.01276barA
3s	临界点	降低到500.0012mm	升高到11.01297barA
				3～4s	静止不动	不变	不变

以上分析可知，液压油箱在上下匀速升降工况下，液体腔7恒压油液压力会发生微小变化，压力突变点为油箱开始或结束运动的时刻。

综合分析原因，考虑油箱呼吸缸活塞9与箱体间的摩擦力，主要包括静摩擦力、库伦摩擦力和粘性摩擦力，在由静止突然开始向下运动时，液压油箱中油液由于惯性，导致呼吸缸活塞9与油箱本体发生相对向上的微小运动，气体腔7容积高度变小，压力略微升高，液体腔7容积高度增大，压力降低；油箱在匀速运动过程中，呼吸缸活塞9在静摩擦力、油液压力、气体压力作用下保持力平衡；当油箱由下降突然转为上升运动时，由于油液质量的惯性，呼吸缸活塞9相对油箱本体发生向下的微小运动，导致液体腔7容积高度减小，压力升高，气体腔6的容积高度增大，压力降低；当油箱上升到初始位置时，突然停止运动，在油液惯性的影响下呼吸缸活塞9相对油箱本体发生向上的微小运动，导致液体腔7容积高度增加，压力降低，气体腔6的容积高度减小，压力升高，呼吸缸活塞9与油箱本体相对移动过程中，由于油液重力、呼吸缸活塞9所受粘性摩擦力和库伦摩擦力综合作用，所以活塞未恢复到初始位置，从而出现液体腔7压力略高于初始压力，气体腔6压力略低于初始压力。

针对液压油箱在静态条件下的恒压特性进行控制优化，分别采用传统PID控制和模糊PID控制进行恒压控制。液压油箱恒压值设定为9bar，静态条件下升降运动为如图7所示的三角波运动。静态条件下的两种控制方法和无控制的压力变化对比曲线如图10所示。

如图10可知，静态条件下，在无控制时的油箱压力出现0.23bar的恒定压力偏差，采用传统PID控制后，在油箱运动开始和结束时刻出现0.23bar的压力冲击现象，并快速收敛于9bar，采用模糊PID控制后，在油箱运动开始和结束时刻压力冲击减小到0.1bar，且收敛速度很快，控制效果明显。

结合图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17和图18所示，本实施例针对液压油箱在动态条件下的恒压特性进行控制优化，设定液压油箱恒压值为9bar，气、液腔容积高度为500mm，液压油箱所处平台升降运动为正弦波，如图11所示，运动频率为1，幅值为6m。

液压油箱做正弦波升降运动，液体腔容积高度变化如图12所示，气体腔容积高度变化如图13所示，油液压力变化曲线如图14所示，气体压力变化曲线如图15所示。

通过对图12、13、14、15仿真曲线进行分析，油箱运动形式及气液腔体积和压力变化规律可归纳如下表3、表4所示。

表3液体腔容积高度变化及油液压力变化

时间	运动形式	体积变化	压力变化
				开始运动	平衡位置临界点	增大到503.8mm	降低到7.7bar
0～0.25s	向下运动到-6m位置	逐渐降低到500mm	逐渐升高到9bar
				0.25～0.5s	向上运动到平衡位置	逐渐降低到496.2mm	逐渐升高到10.3bar
0.5～0.75s	向上运动到最高点6m处	增大到500mm	降低到9bar
				0.75～1s	下降到平衡位置	增加到503.8mm	降低到7.8bar

表4气体腔容积高度变化及气体压力变化

时间	运动形式	体积变化	压力变化
				开始运动	平衡位置临界点	降低到496.2mm	升高到9.0013bar
0～0.25s	向下运动到-6m位置	逐渐升高到500mm	逐渐降低到9bar
				0.25～0.5s	向上运动到平衡位置	逐渐增加到503.8mm	降低到8.9988bar
0.5～0.75s	向上运动到最高点6m处	降低到500mm	升高到9bar
				0.75～1s	下降到平衡位置	降低到496.2mm	升高到9.0013bar

以上分析可知，液压油箱升降运动为正弦运动时，升降速度随时间不断变化，液压油箱的液体腔7容积高度变化为同频率的余弦波，气体腔6容积高度变化也为同频率的余弦波，且二者余弦波相位角差为180度。液体腔7压力变化为同频率的余弦波，气体腔6压力变化也为同频率的余弦波，且相位角差180度。综上分析，当液压油箱在做正弦升降运动时，油液压力出现同频率的浮动变化。

当液压油箱上下升降正弦波运动幅值相等(6m)、频率分别为0.5Hz、1Hz、1.5Hz、2Hz、2.5Hz时，液体腔7压力变化如图16所示；当压力油箱上下升降正弦波运动频率相等(1Hz)、幅值分别为3m、4m、5m、6m时，液体腔7压力变化如图17所示。仿真模型中气、液腔压力值为9bar,

如图16所示，正弦波频率为0.5Hz时，液体腔8压力浮动最大偏差值为0.6bar，频率为1Hz时，液体腔7压力浮动最大偏差值为1.31bar，频率为1.5Hz时，液体腔7压力浮动最大偏差值为1.95bar，频率为2Hz时，液体腔7压力浮动最大偏差值为2.59bar，频率为2.5Hz时，液体腔7压力浮动最大偏差值为3.23bar。如图17所示，正弦波幅值为3m时，液体腔7压力浮动最大偏差值为0.67bar，波幅值为4m时，液体腔7压力浮动最大偏差值为0.88bar，波幅值为5m时，液体腔7压力浮动最大偏差值为1.09bar，波幅值为6m时，液体腔7压力浮动最大偏差值为1.31bar。

由以上分析可知，随着压力油箱升降运动的频率不同，油液压力出现同频率的波动，且压力浮动与恒定压力9bar偏差值随着升降频率的增大而增大；随着压力油箱升降运动的幅值不同，油液压力出现同频率的波动，且压力浮动与恒定压力9bar偏差值随着升降幅值的增大而增大。

针对压力油箱在动态条件下的恒压特性进行控制优化，分别采用传统PID控制和模糊PID控制进行恒压控制。压力油箱恒压值设定为9bar，动态条件下升降运动为幅值6m、频率1Hz的正弦运动；动态条件下的两种控制方法和无控制的压力变化对比曲线如图18所示。

如图18可知，动态条件下，在无控制时的压力油箱出现较大的压力波动，压力偏差最大值为1.3bar，且压力波动出现周期性变化。

传统PID控制下，压力油箱的压力波动明显减弱，压力偏差最大值为0.3bar，控制效果较无控制时压力偏差降低了77％。

模糊PID控制下，压力油箱的压力波动进一步减弱，压力偏差最大值为0.1bar，控制效果较无控制时压力偏差降低了92％。

由上述两个实施例分析可知，在动静态条件下，压力油箱均出现压力偏差，通过传统PID和模糊PID进行优化控制，效果明显，且模糊PID控制效果更好。

以上所述仅为本发明的两种实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种呼吸式油气分离液压油箱，包括油箱外壳(1)、加油孔(2)、吸油口(3)、回油口(4)和排气螺钉(5)，其特征在于：所述的液压油箱还包括呼吸缸缸筒(8)、呼吸缸活塞(9)、呼吸缸端盖(10)、放气节流阀(11)、充气节流阀(12)、气泵和控制器(13)；所述的加油孔(2)、吸油口(3)、回油口(4)和排气螺钉(5)均设置于油箱外壳(1)上；所述的呼吸缸缸筒(8)通过螺钉及密封结构与油箱外壳(1)连接；所述的呼吸缸活塞(9)设置在呼吸缸缸筒(8)内，并且呼吸缸活塞(9)与呼吸缸缸筒(8)内壁滑动连接，呼吸缸活塞(9)将呼吸缸缸筒(8)分为气体腔(6)和液体腔(7)；所述的呼吸缸端盖(10)通过螺钉及密封结构与呼吸缸缸筒(8)连接，呼吸缸端盖(10)上设置有放气节流阀(11)和充气节流阀(12)；所述的控制器(13)与放气节流阀(11)和充气节流阀(12)电性连接，且通过压力传感器与液体腔(7)连接，并且所述的充气节流阀(12)还与一气泵相连。

2.根据权利要求1所述的呼吸式油气分离液压油箱，其特征在于：所述的密封结构为O型密封圈。

3.根据权利要求1所述的呼吸式油气分离液压油箱，其特征在于：所述的排气螺钉(5)在油箱需要排气时通过旋转排气螺钉(5)打开，配合呼吸缸活塞(9)的挤压，以排出油箱中的空气。

4.根据权利要求1所述的呼吸式油气分离液压油箱，其特征在于：所述的气体腔(6)通过本体结构外的放气节流阀(11)实现卸压，通过充气节流阀(12)，由气泵进行充气实现增压。

5.一种呼吸式油气分离液压油箱液体腔恒压控制方法，利用如权利要求1所述的呼吸式油气分离液压油箱，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，所述控制器(13)根据检测到的液体腔(7)油液压力数据控制气体腔(6)，当油液压力大于所设定的恒压压力值时，气体腔(6)放气；当油液压力小于所设定的恒压压力值时，气体腔(6)充气；

第二步，所述液体腔(7)压力小于恒压设定值时，所述控制器(13)通过充气节流阀(12)向气体腔(6)充气增压，所述呼吸缸活塞(9)在气压作用下推动液体增压；

第三步，所述液体腔(7)压力大于恒压设定值时，所述控制器(13)通过放气节流阀(11)对气体腔(6)进行放气卸压，所述呼吸缸活塞(9)在液体压力推动下向上运动。