液压系统油液有效体积模量的在线软测量

　　0 前言

　　有效体积模量是液压系统中油液的一项重要物理参数，它对液压设备的稳定性和动态品质有着显著影响^[1]。在液压设备的使用过程中，油液的有效体积模量随着系统工况转换、油液温度、工作压力、含气量等因素的变化而实时改变，其中含气量对油液有效体积模量的影响尤为突出^[2-4]。实际上，液压油中的气体一般以混入和融入两种方式共存于油液之中。混入空气通常以游离气泡形式悬浮在液压油中，这种气泡对液压系统的动态特性影响很大。而溶解空气对油液的有效体积模量没有直接的影响，且油液中气体的溶解度服从亨利定律，即在一定的温度下溶解到液体中的气体体积分数和绝对压力成正比。研究表明，在常温常压下，饱和状态时矿物油中溶解空气的体积分数约为8%～9%^[5]。由于液压油中这两种气体存在形式可以随着系统工况改变而相互转换，因此，油液的有效体积模量是动态变化的。无论在液压系统的设计建模阶段还是在实际使用过程中，人们都非常关注油液有效体积模量的取值以及在线监测问题。

　　已有的油液有效体积模量在线测量方法按照物理模型可分为定义法、波速法和压力差法等。定义法是根据油液体积模量的定义设计的一种测量方法。例如文献[6]利用压电材料的压力与形变的关系特性设计了一种流体体积模量传感器，可以实现油液体积模量的在线测量。文献[7]在油液正割体积模量定义的指导下，研发了一套基于油液在线取样的油液体积模量测量装置。波速法是根据油液有效体积模量对油液中压力波传播的影响规律设计的一种测量方法。例如文献[8]通过建立油液压力、含气量与有效体积模量的关系模型，提出了基于压力波的互相关测速方法间接测量油液的有效体积模量。压力差法是根据油液体积模量与其油液管路进出口压力差呈线性关系而提出的一种测量方法。该方法是文献[9]在文献[8]的研究基础上，通过在等温条件下分析控制容积内压力与流量的变化规律，得出系统工作压力在7～42 MPa范围时油液体积模量与其压力差呈线性关系的结论，并据此提出通过流量和压力差的监测来动态获取油液体积模量的方法。

　　上述三种测量方法各有特点。定义法中提及的文献[6]的测量装置设计简单、动态特性好，但由于压电传感器形变量小使得测量精度较差;文献[7]的测量装置实现了油液体积模量的自动化测量，测量精度高，但由于在取样过程中测试腔中的油液需要与被测液压系统中的油液充分交换，而使得测量系统的动态特性变差。波速法的测量简单易行，但后期的文献[10]试验结果显示，在较为复杂的液压试验平台上，压力波速在相同系统压力下没有明显的规律性。压力差法需要监测较多的物理量，文献[11]的作者指出，文献[9]中所提及的弹性模量测量方法昂贵且可靠性差，但并未提出改进的方法。