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液压舵机温升的分析与解决
在某型号液压舵机研制中，为了提高液压舵机设计指标，采用了恒压源电液伺服阀式液压舵机。舵机动力源采用单齿轮泵，并合理设计了各部件的密封形式，有效地控制了液压舵机温升，使液压舵机空载连续工作时间在1h以上，最大负载连续工作时间达30min，保证了液压舵机在各种技术要求下的良好使用。
1．液压舵机组成和工作原理
 液压舵机主要由以下部分组成：电动机、齿轮泵、定压溢流阀、电液伺服阀、本体组合、曲柄活塞等，液压舵机的组成和工作原理如图13所示。
当电动机通电后，电动机驱动齿轮泵转动，齿轮泵从油箱中吸油，并通过定压溢流阀作用，建立起液压舵机所需的压力。当有控制信号给电液伺服阀时，伺服阀就会控制齿轮泵给本体液压缸腔中的流量，推动曲柄活塞运动，在舵电位计的反馈作用下，实现控制舵面有规律地摆动。
2．液压舵机产生温升的主要因素
液压舵机工作中，舵机温升的主要原因有：①电动机和齿轮泵由于机械功率损失、泄漏和液压损失；②舵机因溢流阀溢流和伺服阀节流造成的功率损失；③舵机因活塞运动，活塞和活塞缸摩擦造成的功率损失；④液压舵机由于油管阻力造成功率损失。这些因素产生热量，导致舵机温度上升。
在本液压舵机中，由于采用的电动机机械效率较高，电动机发热量较少，可忽略不计；舵机活塞密封采用了氟塑料组合密封圈，活塞和活塞缸摩擦很小，摩擦功率损失可忽略；另外，舵机管路较少且管路短而粗，管路损失也可忽略不计。液压舵机发热主要由于齿轮泵功率损失、溢流阀溢流和伺服阀节流损失造成的。
当舵机空载时，可认为舵机齿轮泵输出的流量均从伺服阀流出。计算舵机温升时，只计算齿轮泵功率损失和伺服阀压力损失。根据舵机实际设计参数可知，伺服阀压力损失为2×106Pa左右。
当舵机负载最大时，可认为舵机齿轮泵输出的流量均从溢流阀流失。计算舵机温升时，只计算齿轮泵功率损失和溢流阀压力损失。此时，溢流阀压力损失可按4.7×106Pa计算。
3．空载液压舵机温升计算
齿轮泵功率损失Pb计算公式如下
Pb=Nb(1-ηb) (4-1)
式中：Pb为齿轮泵的功率损失；Nb为齿轮泵的输入功率；ηb为齿轮泵的总效率。
已知齿轮泵输出压力p=4.7×106Pa，齿轮泵输出流量Q=0.03×10-3m3/s，齿轮泵的总效率吼ηb=0.765，则
Pb=Nb(1-ηb)=pQ(1-ηb)/ηb=43.3(J/s)
电液伺服阀节流的功率损失Pd计算公式如下
Pd=△pQd (4-2)
式中：Pd为电液伺服阀节流的功率损失；△p为电液伺服阀节流的压力损失；Qd为电液伺服阀流量。
舵机空载时，电液伺服阀节流压力损失△pd=2×106Pa；电液伺服阀流量Qd等于齿轮泵输出流量，即
Qd=Q=0.03×10-3m3/s
则
Pd=△pdQd=60(J/s)
舵机空载时，总功率损失P0计算公式为
P0=Pb+Pd=103.3 (4-3)
所以 P0=Pb+Pd=103.3(J/s)
液压舵机散热面积主要由电动机表面积和舵机本体表面积组成，所以舵机总散热功率为
Ps=(K1A1+K2A2)△ti (4-4)
式中：P0为舵机总散热功率；K1为电动机散热系数；A1为电动机散热面积；K2为本体散热系数；A2为本体散热面积；△t1为舵机油温和环境温度之差。
在实际中，取K1=K2=12W/(m2℃)，A1+A2=0.35(mz℃)，则舵机总散热功率
Ps=4.2△ti(J/s)。
液压舵机温升为舵机总功率损失同舵机总散热功率之差，计算公式为
d△ti/dτ+[(K1A1+K2A2)/∑CiGi]△ti=P0/∑CiGi (4-5)
式中：△ti为舵机温升；τ为时间；Ci为舵机各部分比热容；Gi为舵机各部分质量。
设舵机开始工作时温度和环境温度一样，解式(4-5)得
△ti=[P0/(K1A1+K2A2)](1-e-aτ) (4-6）
式中：a=(K1A1+K2A2)/∑CiGi
由于舵机主要部分为铝材料制成，可将铝比热容C=0.8883[J/(g·℃)]作为舵机各部分平均比热来计算舵机温升。舵机质量按Gi=8000g计算，代人已知条件，计算得a=0.00059，所以
△ti=[P0/(K1A1+K2A2)]·(1-e-aτ)=24.6×(1- e-0.00059τ)℃
按上式计算，当τ=0.5h=1800s，△ti=-16.1℃；当τ=1h=3600s，△ti=21.66℃。
如果舵机工作时间足够长，可得到舵机的平衡湿升△tmax=24.6℃。若已知环境温度为25℃，则空载时舵机最高工作温度为
T=25+△tmax=49.6℃
4．最大负载时液压舵机温升
齿轮泵功率损失Pb计算公式和空载时一样
Pb=Nb(1-ηb)-43.3(J/s)
溢流阀溢流的功率损失计算公式为
Py=△pyQy (4-7)
式中：Py为溢流阀溢流的功率损失；△py为溢流阀溢流的压力损失；Qy为溢流阀溢流量。
当舵机负载最大时，溢流阀溢流的压力损失等于齿轮泵输出压力，即△py=p=4.7×106Pa，溢流阀溢流量Qy等于齿轮泵输出流量，即
Qy=Q=0.03×10m/s
则 Py=△py·Q=141(J/s)
所以，舵机最大负载时舵机总功率损失为
Pf=Pb+Py=184.3(J/s)
最大负载时，液压舵机总散热功率和空载时一样为
Ps=(K1A1+K2A2)△ti=4.2△ti(J/s)
液压舵机温升为舵机总功率损失同舵机总散热功率之差，即
d△ti/dτ+(K1A1+K2A2)/∑CiGi/△ti=Pf/∑CiGi (4-8)
设舵机开始工作时温度和环境温度一样，对上式积分计算得
△ti=[P0/(K1A1+K2A2)](1-e-aτ)=43.88(1- e-0.00059τ)℃ (4-9)
按上式计算，当τ=0.5h=1800s △ti=28.54℃
当τ=1h=3600s △ti=-43.25℃
如果舵机工作时间足够长，可得到舵机的平衡温升△timax=-43.88℃。若已知环境温度为25℃，则液压舵机正常蛀高工作温度为
T=25+△timax=68.88℃
5．液压舵机温升的实际测试结果及分析
使用测试仪器是点温计，测试环境温度为28℃，测试结果为：液压舵机空载时平衡温升仅为51℃，最大负载时平衡温升为72℃。
按环境温度为25℃计算，液压舵机空载时平衡温升为49.6℃，最大负载时平衡温升为68～88℃。从实际测试数据看，液压舵机空载时平衡温升为51℃，最大负载时平衡温升为72℃，均大大低于航空10号液压油最高工作温度，满足设计使用要求。理论计算和实际测试结果基本一致，理论计算和实际测试结果有一定偏差，主要是实际舵机散热面积和理论计算用散热面积有一定偏差造成的。另外，通过以上分析也可以看出，液压舵机温升主要原因是舵机齿轮泵功率损失和阀门压力损失造成的。
为避免舵机温升太快，应合理选择齿轮泵参数和阀门的压力损失，提高齿轮泵效率。为更有效减少舵机温升，可增大舵机散热面积；若舵机体积有限，可在舵机表面上设计一定的散热槽，增大舵机散热面积，可有效降低舵机平衡温升。
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