CN116108631B - 一种液压油箱瞬态除气过程的仿真方法及标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程机械液压技术领域的液压油箱瞬态除气过程的仿真方法及标定装置，旨在解决现有技术中对液压油箱瞬态除气过程进行仿真的手段精度较低，且实验验证方法只能进行简单的规律研究等问题，其包括一种液压油箱瞬态除气过程的仿真方法以及为仿真方法开展标定实验的标定装置。本发明可以真实地模拟油箱作业过程，复现油箱内实际流场及油箱内气泡产生的原因，从而方便对油箱结构的改进优化作出指导。

Description

一种液压油箱瞬态除气过程的仿真方法及标定装置

技术领域

本发明涉及一种液压油箱瞬态除气过程的仿真方法及标定装置，属于工程机械液压技术领域。

背景技术

工程机械液压系统的主要功能是以液压油为工作介质，先将发动机的机械能转化成液压能并进行传输，然后通过工作装置将液压能转化成机械能实现各种动作。

液压油作为工作介质，对系统的工作性能有较大的影响。当液压油中混入过多的空气时，会引起液压元件的气蚀从而减少液压元件的寿命，产生系统噪声、降低液压油的体积弹性模量、引起系统发热、导致油品变质等情况，最终影响传递效率和作业精准度。因此，液压油箱作为重要的液压油除气部件，它的除气效率对液压油的含气率有重要影响。

目前，工程机械行业对液压油的含气率关注度还比较低，对油品的检测还主要是抽取油液样本在实验室进行。现在常用的液压油箱除气效率验证方法有两个：

一个是采用仿真手段，建立油箱三维模型，采用多相流仿真方法，对油箱进行稳态的除气效果仿真。但是，其缺点是采用稳态仿真手段进行油箱除气效率分析只能分析稳定回油和吸油的简化工况，不能模拟实际作业过程中回油箱的油液对油箱内液面的冲击导致空气混入的过程，然而该过程是油液内气泡产生的主要原因，不可忽略。另外多相流仿真模型中很多相间相互作用进行了简化，仿真精度需要修正。

另一个是通过验证实验方法，采用有机玻璃制成油箱，搭建简单的液压循环系统，在系统中泵入定量空气，观测油箱内液面变化。该方法的缺陷是目前液压油箱除气效率实验主要采用有机玻璃制成的液压油箱，搭建简单的液压系统来进行测试，并不能模拟实际作业工况时油箱的进油和吸油量对油箱内流场的影响，因此仅能进行简单的规律研究，另外现有的有机玻璃油箱不可拼装，当进行多影响因素研究时需要定制多个试验件，成本过高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种液压油箱瞬态除气过程的仿真方法及标定装置，可以真实地模拟油箱作业过程，复现油箱内实际流场及油箱内气泡产生的原因，从而方便对油箱结构的改进优化作出指导。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一方面，本发明提供一种液压油箱瞬态除气过程的仿真方法，包括以下步骤：

建立液压油箱瞬态除气过程仿真模型；

开展标定实验，获得实验测试值，由实验测试值得出液压油箱除气过程的瞬态边界条件；

将瞬态边界条件输入仿真模型内，进行瞬态作业工况模拟，获得模拟值；

将模拟值和实验测试值作比较，若二者相对误差在指定范围内，则判断仿真模型可靠，若二者相对误差超出指定范围，则继续重复操作对仿真模型进行修订，直至判断仿真模型可靠。

进一步的，所述液压油箱瞬态除气过程仿真模型为基于瞬态VOF模型，所述瞬态边界条件以UDF或profile文件格式输入仿真模型内。

进一步的，所述瞬态边界条件包括液压油箱的进、出口的流量，含气率及温度压力，液压油箱内压力和液压油箱箱体加速度。

进一步的，对模拟值和实验测试值中的标定对象作比较，所述标定对象为液压油箱的出口含气率、关重部位流速以及一个作业周期内液压油箱出口含气率的变化趋势。

进一步的，所述模拟值和实验测试值的误差范围为15%以内。

另一方面，本发明提供一种为上述任一项所述的一种液压油箱瞬态除气过程的仿真方法开展测试实验的标定装置，其包括箱体、回油组件和吸油组件，所述回油组件和吸油组件均设于箱体内，所述回油组件与回油管路连接，所述箱体底部与吸油管路连接，并延伸至箱体内部与吸油组件连接，所述回油管路和吸油管路上均设有流量计、含气率测量装置和温度压力传感器。

可选的，所述吸油组件内部设有吸油滤芯，所述回油组件包括回油筒、安装盘和扩散筒，所述回油筒与回油管路连接，所述安装座焊接于回油筒下方，所述扩散筒与安装盘螺纹连接。

可选的，所述回油管路和吸油管路之间设有隔板，所述箱体相对的两侧内部设有卯部，所述隔板由多块小隔板拼装而成，且两侧均设有与卯部相适配的榫部，所述卯部与榫部之间过盈配合。

可选的，所述箱体顶部通过螺栓连接有上盖板，所述上盖板上设有测压安装座和呼吸阀，所述测压安装座上设有压力传感器，所述压力传感器用于监测箱体内的压力，所述呼吸阀用于平衡箱体内的压力。

可选的，所述箱体的关重部位均设有用于监测油液流速的3D热膜流场速度传感器，所述关重部位包括扩散筒、隔板顶部以及吸油滤芯的附近。

可选的，所述箱体侧部开设有可视化窗口，所述可视化窗口用于观察箱体内液面变化及液面泡沫积聚情况。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明的油箱瞬态除气过程仿真模型可以将真实的边界条件输入仿真模型进行实际工况的模拟，以油箱出口含气率数值及变化趋势作为标定对象，比传统的液面标定更准确，标定过后的仿真模型可以复现油箱内实际流场及油箱内气泡产生的原因，指导对油箱结构的改进优化；

本发明提供的标定装置的隔板是拼装结构，因此可以灵活改变隔板高度；扩散筒和安装盘是螺纹连接，可以方便更换不同的扩散筒来验证扩散筒的结构对液压油箱除气率的影响等等，所以通过改变隔板高度、扩散筒结构形式、油箱内液面高度、回油和吸油流量等参数可以验证多种工况，极大地提升了标定装置的灵活性。

附图说明

图1为本发明的一种实施例中液压油箱瞬态除气过程的仿真方法的流程示意图；

图2为本发明的一种实施例中液压油箱瞬态除气过程的标定装置的主视结构示意图；

图3为本发明的一种实施例中液压油箱瞬态除气过程的标定装置的外部结构示意图；

图4为本发明的一种实施例中液压油箱瞬态除气过程的标定装置的内部结构示意图；

图5为本发明的一种实施例中液压油箱瞬态除气过程的标定装置的侧部内壁的结构示意图；

图6为本发明的一种实施例中液压油箱瞬态除气过程的标定装置的隔板的结构示意图；

图7为本发明的一种实施例中液压油箱瞬态除气过程的标定装置的小隔板的结构示意图；

图8为本发明的一种实施例中液压油箱瞬态除气过程的标定装置的回油组件的结构示意图；

图中：1箱体、2上盖板、21测压安装座、22呼吸阀、3回油管路、4吸油管路、5安装座、6可视化窗口、7连接螺栓、8回油组件、81回油筒、82安装盘、83扩散筒、9隔板、91小隔板、911侧边榫部、912连接榫部、913连接卯部、92榫部、10吸油组件、11有机玻璃、12螺栓、13安装槽、A1出口含气率测量装置、A2进口含气率测量装置、Q1出口流量计、Q2进口流量计、PT1出口温度压力传感器、PT2进口温度压力传感器、P1测压传感器、V1加速度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例提供一种液压油箱瞬态除气过程的仿真方法，包括以下步骤：

建立液压油箱瞬态除气过程仿真模型，液压油箱瞬态除气过程仿真模型为基于瞬态VOF模型；

开展测试实验，获得实验测试值，并得出液压油箱除气过程的瞬态边界条件，瞬态边界条件包括液压油箱的进、出口的流量，含气率及温度压力，液压油箱内压力和液压油箱箱体加速度，但不限于此，也可以包括其他会影响液压油箱除气过程的特征参数；

将瞬态边界条件以UDF或profile文件格式输入仿真模型内，进行瞬态作业工况模拟，获得模拟值；

将模拟值和实验测试值作比较，选择其中的出口含气率、油箱关重部位的油液流速以及一个业周期内液压油箱出口含气率的变化趋势作为标定对象：

若二者相对误差在15%以内且变化趋势一致，则判断仿真模型可信度高，就可采用仿真模型进行液压油箱的改进优化，并开展验证实验；

若二者相对误差超出15%或变化趋势不一致，则需重复上述操作对仿真模型进行修订，直至能够判断仿真模型可靠。

实施例2：

如图2~4所示，本实施例提供一种用于为实施例1所述的液压油箱瞬态除气过程的仿真方法开展测试实验的标定装置。

标定装置包括箱体1、回油组件8和吸油组件10，箱体1顶部通过螺栓连接有上盖板2，上盖板2设有测压安装座21和呼吸阀22，通过测压安装座21安装有测压传感器，测量传感器用于监测箱体1内的压力，呼吸阀22能够平衡箱体1内的压力，当箱体内压力过高时向外排气，压力过低时向内进气。在箱体底部还设有安装座，通过安装座可以将标定装置安装在所要测试的车辆上，并且在安装座上设有加速度传感器，其用于监测液压油箱箱体的加速度。

如图5所示，在箱体1前侧板上开设有用于观察箱体内液面变化及液面泡沫积聚情况的可视化窗口6，可视化窗口6采用高强度、耐压有机玻璃11，其通过螺栓12与箱体1前侧板连接。可视化窗口6的尺寸可根据实际需要决定，只需在保证箱体1耐高压的前提下，通过可视化窗口6可观测到液面波动的整体范围即可。

回油组件8和吸油组件10均设于箱体1内，回油管路3延伸至箱体1内与回油组件8连接，回油管路3上设有出口流量计Q1、出口含气率测量装置A1和出口温度压力传感器PT1。

吸油管路4与箱体1底部连接，并延伸至箱体1内部与吸油组件10连接，吸油管路4上设有进口流量计Q2、进口含气率测量装置A2和进口温度压力传感器PT2。流量计用于监测进、出口的流量，含气率测量装置用于监测进、出口的含气率，温度压力传感器用于监测进、出口的温度压力值。

吸油组件10内部设有吸油滤芯，结合图8，回油组件8包括回油筒81、安装盘82和扩散筒83，回油筒81的上方一侧与回油管路3连接，下方与安装盘82焊接，扩散筒83与安装盘82通过密封螺纹连接。

箱体1内的关重部位包括扩散筒83、隔板9顶部以及吸油滤芯的附近，为监测关重部位的油液流速，需在这些关重部位设3D热膜流场速度传感器，3D热膜流场速度传感器的数量和箱体1尺寸相关，箱体1尺寸越大，3D热膜流场速度传感器的数量越多。

结合图6，在吸油组件10和回油组件8之间设有隔板9，隔板9与箱体1的连接方式为卯榫连接，具体为，在箱体1的前侧板和后侧板对应设有安装槽13（即卯部），隔板9的两侧设有与卯部相适配的榫部92，将卯部和榫部92过盈配合即可。结合图7，隔板9由多块小隔板91拼装而成，拼装方式同样为卯榫连接，在小隔板91的顶部设有连接榫部912，底部设有连接卯部913，两侧设有侧边榫部911，多个侧边榫部911组成了榫部92，将连接榫部912和连接卯部913相过盈配合进行拼装组合即撑一整个隔板9。

本发明的标定实验的过程如下：

将标定装置通过安装座5安装在所需测试的车辆上，标定装置的回油管路3和吸油管路4分别和测试车辆的回油管路和吸油管路连接，形成闭环的循环系统。

在标定装置的测压安装座21上安装压力传感器，在回油管路3上安装出口流量计Q1、出口含气率测量装置A1和出口温度压力传感器PT1。在吸油管路4上安装进口流量计Q2、进口含气率测量装置A2和进口温度压力传感器PT2。在安装座5处安装加速度传感器V1，并在关重部位安装上3D热膜流场速度传感器。将以上传感器与数据采集设备相连，用于实时采集数据。

启动被测试车辆，建立正常的液压循环，并让车辆运行至平衡状态后，开始数据采集，数据采集时间不少于10min。

当需要进行多工况采集时，例如不同隔板高度工况、不同扩散筒的工况等，可以打开标定装置的上盖板2，进行隔板9、扩散筒83的更换，再重复以上步骤进行测试即可。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种液压油箱瞬态除气过程的标定装置，其特征在于：包括箱体、回油组件和吸油组件，所述回油组件和吸油组件均设于箱体内，所述回油组件与回油管路连接，所述箱体底部与吸油管路连接，并延伸至箱体内部与吸油组件连接，所述回油管路和吸油管路上均设有流量计、含气率测量装置和温度压力传感器；

所述吸油组件内部设有吸油滤芯，所述回油组件包括回油筒、安装盘和扩散筒，所述回油筒与回油管路连接，所述安装盘焊接于回油筒下方，所述扩散筒与安装盘螺纹连接；

所述回油管路和吸油管路之间设有隔板，所述箱体相对的两侧内部设有卯部，所述隔板由多块小隔板拼装而成，且两侧均设有与卯部相适配的榫部，所述卯部与榫部之间过盈配合；

所述标定装置用于对液压油箱瞬态除气过程的仿真方法开展测试实验，其包括以下步骤：

建立液压油箱瞬态除气过程仿真模型；

开展标定实验，获得实验测试值，由实验测试值得出液压油箱除气过程的瞬态边界条件，所述瞬态边界条件包括液压油箱的进、出口的流量，含气率及温度压力，液压油箱内压力和液压油箱箱体加速度；

将瞬态边界条件输入仿真模型内，进行瞬态作业工况模拟，获得模拟值；

将模拟值和实验测试值作比较，若二者相对误差在指定范围内，则判断仿真模型可靠，若二者相对误差超出指定范围，则继续重复操作对仿真模型进行修订，直至判断仿真模型可靠。

2.根据权利要求1所述的一种液压油箱瞬态除气过程的标定装置，其特征在于：所述箱体顶部通过螺栓连接有上盖板，所述上盖板上设有测压安装座和呼吸阀，所述测压安装座上设有压力传感器，所述压力传感器用于监测箱体内的压力，所述呼吸阀用于平衡箱体内的压力。

3.根据权利要求1所述的一种液压油箱瞬态除气过程的标定装置，其特征在于：所述箱体的关重部位均设有用于监测油液流速的3D热膜流场速度传感器，所述关重部位包括扩散筒、隔板顶部以及吸油滤芯的附近。

4.根据权利要求1所述的一种液压油箱瞬态除气过程的标定装置，其特征在于：所述箱体侧部开设有可视化窗口，所述可视化窗口用于观察箱体内液面变化及液面泡沫积聚情况。

5.根据权利要求1所述的一种液压油箱瞬态除气过程的标定装置，其特征在于：所述液压油箱瞬态除气过程仿真模型为基于瞬态VOF模型，所述瞬态边界条件以UDF或profile文件格式输入仿真模型内。

6.根据权利要求1所述的一种液压油箱瞬态除气过程的标定装置，其特征在于：对模拟值和实验测试值中的标定对象作比较，所述标定对象为液压油箱的出口含气率、关重部位流速以及一个作业周期内液压油箱出口含气率的变化趋势。

7.根据权利要求1所述的一种液压油箱瞬态除气过程的标定装置，其特征在于：所述模拟值和实验测试值的误差范围为15%以内。