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具有回油冷却结构的航空伺服作动器热力学建模与分析

訚耀保,刘小雪,李双路,李万业,陆畅,肖强

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訚耀保, 刘小雪, 李双路, 李万业, 陆畅, 肖强. 具有回油冷却结构的航空伺服作动器热力学建模与分析[J]. bob手机在线登陆学报自然版, 2023, 43(2): 143-150. doi: 10.15918/j.tbit1001-0645.2022.045
引用本文: 訚耀保, 刘小雪, 李双路, 李万业, 陆畅, 肖强. 具有回油冷却结构的航空伺服作动器热力学建模与分析[J]. bob手机在线登陆学报自然版, 2023, 43(2): 143-150.doi:10.15918/j.tbit1001-0645.2022.045
YIN Yaobao, LIU Xiaoxue, LI Shuanglu, LI Wanye, LU Chang, XIAO Qiang. Thermodynamic Modeling and Analysis of Aviation Servo Actuator with Return Oil Cooling Structure[J]. Transactions of Beijing institute of Technology, 2023, 43(2): 143-150. doi: 10.15918/j.tbit1001-0645.2022.045
Citation: YIN Yaobao, LIU Xiaoxue, LI Shuanglu, LI Wanye, LU Chang, XIAO Qiang. Thermodynamic Modeling and Analysis of Aviation Servo Actuator with Return Oil Cooling Structure[J].Transactions of Beijing institute of Technology, 2023, 43(2): 143-150.doi:10.15918/j.tbit1001-0645.2022.045

具有回油冷却结构的航空伺服作动器热力学建模与分析

doi:10.15918/j.tbit1001-0645.2022.045
基金项目:国家自然科学基金资助项目(52175059);国家重点研发计划项目(2018YFB2001100);
详细信息
    作者简介:

    訚耀保(1965—),男,博士,教授, E-mail:y-yin@tongji.edu.cn

  • 中图分类号:TH137

Thermodynamic Modeling and Analysis of Aviation Servo Actuator with Return Oil Cooling Structure

  • 摘要:航空矢量喷管作动器受发动机热辐射的影响严重,常采用回油冷却方式进行作动器及其部件的温度控制. 考虑发动机与伺服阀控作动器的对流、辐射以及作动器各部件之间的传热过程,建立真实工况下基于集总参数法的矢量喷管作动器热力学模型,取得了活塞在中位附近以及往复运动时作动器各部件的温度分布规律及其影响因素. 分析结果表明:活塞在中位附近时,油液流过冷却流道通过热传导作用带走热量,冷却效果显著. 活塞往复运动时,油液不断进出有杆腔和无杆腔,各节点温度达到稳定波动状态,较中位附近时的热平衡温度均有所降低. 作动器各节点温度随机闸辐射温度、环境温度和油液温度升高均升高,其中发动机机闸的辐射温度影响最为明显. 缸筒直接受机闸热辐射作用,某机闸温度从300 °C升至400 °C时,左、右两侧缸筒温度升高约40 °C. 通过对流换热作用,随环境温度、油液温度的升高作动器各节点的温度线性升高.

  • 图 1某型伺服作动器结构示意图

    1-作动器缸筒;2-传感器定子;3-活塞杆外筒;4-环形缝隙1;5-环形缝隙2;6-活塞杆内筒;7-传感器动子

    Figure 1.Structural diagram of a certain type of servo actuator

    图 2伺服阀控作动器结构原理示意图

    Figure 2.Simplified structure diagram of servo valve control actuator

    图 3有冷却时运动到中位作动器各个节点温度

    Figure 3.The temperature of each node when the moving piston is in the middle position of the actuator with cooling structure

    图 4有冷却时往复运动作动器各个节点温度

    Figure 4.The temperature of each node of the reciprocating actuator with cooling structure

    图 5不同辐射温度下作动器热平衡温度

    Figure 5.Thermal equilibrium temperature of actuator under different radiation temperatures

    图 6不同环境温度下作动器热平衡温度

    Figure 6.Thermal equilibrium temperature of actuator under different ambient temperatures

    图 7不同油液温度下作动器热平衡温度

    Figure 7.Thermal equilibrium temperature of actuator under different oil temperatures

    图 8伺服作动器温度分布云图

    Figure 8.Cloud diagram of temperature distribution of servo actuator

    表 1伺服阀控作动器主要结构参数及数学表达式

    Table 1.Main structural parameters and mathematical expressions of servo valve controlled actuator

    作动器主要结构参数 数学表达式
    无杆腔油液体积$ {V}_{1} $ $ {V}_{1}=\left(x+{x}_{10}\right)\cdot {A}_{1} $
    有杆腔油液体积$ {V}_{2} $ $ {V}_{2}=\left(L-x-{x}_{10}\right)\cdot {A}_{2} $
    无杆腔油液质量$ {m}_{1} $ $ {m}_{1}={V}_{1}\cdot \rho $
    有杆腔油液质量$ {m}_{2} $ $ {m}_{2}={V}_{2}\cdot \rho $
    左侧缸筒质量$ {m}_{\mathrm{t}1} $ ${m}_{\mathrm{t}1}=\dfrac{\pi { {r}_{1} }^{2}+2\pi {r}_{1}x}{2\pi { {r}_{1} }^{2}+2\pi {r}_{1}L}{m}_{\mathrm{t} }$
    右侧缸筒质量$ {m}_{\mathrm{t}2} $ $ {m}_{\mathrm{t}2}={m}_{\mathrm{t}}-{m}_{\mathrm{t}1} $
    无杆腔油液与左侧
    缸筒接触面积$ {A}_{1-\mathrm{t}1} $
    $ {A}_{1-\mathrm{t}1}=\pi \left({{r}_{1}}^{2}-{{r}_{3}}^{2}\right)+2\pi {r}_{1}x $
    有杆腔油液与右侧缸
    筒的接触面积$ {A}_{2-\mathrm{t}2} $
    $ {A}_{2-\mathrm{t}2}=\pi \left({{r}_{1}}^{2}-{{r}_{2}}^{2}\right)+2\pi {r}_{1}\left(L-x\right) $
    无杆腔与传感器
    接触面积$ {A}_{1-c} $
    $ {A}_{1-\mathrm{c}}=2\pi {r}_{2}{L}_{\mathrm{c}} $
    有杆腔与活塞杆
    接触面积$ {A}_{2-\mathrm{h}} $
    $ \begin{gathered} {A}_{\text{2-h}}=2\pi \left({R}_{\mathrm{h}1}+{R}_{\mathrm{h}2}+{R}_{\mathrm{h}3}\right){L}_{\mathrm{h}1}+\\ 2\pi {R}_{\mathrm{h}3}\left({L}_{\mathrm{h} }-{L}_{\mathrm{h}1}\right)+\pi { {R}_{\mathrm{h}3} }^{2} \end{gathered} $
    左侧缸筒与空气
    接触面积$ {A}_{\mathrm{t}1-\mathrm{k}} $
    $\begin{gathered} {A}_{\mathrm{t}1-\mathrm{k} }=\pi {\left({r}_{1}+2\delta \right)}^{2}+\\2\pi \left({r}_{1}+2\delta \right)\left(x+{x}_{10}\right) \end{gathered}$
    右侧缸筒与空气
    接触面积$ {A}_{\mathrm{t}2-\mathrm{k}} $
    $\begin{gathered}{A}_{\mathrm{t}2-\mathrm{k} }=\pi {\left({r}_{1}+2\delta \right)}^{2}+\\2\pi \left({r}_{1}+2\delta \right)\left(L-x-{x}_{10}\right) \end{gathered}$
    活塞杆与空气
    接触面积$ {A}_{\mathrm{h}-\mathrm{k}} $
    $ {A}_{\mathrm{h}-\mathrm{k}}=2\pi {r}_{3}\left({x}_{0}+x\right)+\pi {{r}_{3}}^{2} $
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    表 2伺服阀控作动器主要结构参数

    Table 2.The main structural parameters of servo valve controlled actuator

    参数 符号 数值 参数 符号 数值
    缸筒半径/m r1 4×10−2 油液黏度/(N·s·m−2) μ 1.14×10−3
    传感器半径/m r2 1.2×10−2 缸筒质量热容/(J·Kg−1·K−1) cpt 620
    活塞杆半径/m r3 2.05×10−2 传感器质量热容/(J·Kg−1·K−1) cpc 450
    冷却孔直径/m d0 0.4×10−3 活塞杆质量热容/(J·Kg−1·K−1) cph 620
    油液密度/(kg·m−3) ρ 778.0 流量系数 Cd 0.61
    供油压力/ MPa ps 10.0 油液体积膨胀系数 $ {\alpha }_{\text{p}} $ 9×10−4
    回油压力/ MPa p0 0.0 缸筒发射率 ε1 0.8
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    表 3活塞运动到中位附近作动器各节点温度

    Table 3.The temperature of each node of actuator near the middle position °C

    结构 左侧缸筒 右侧缸筒 无杆腔 有杆腔 传感器 活塞杆
    有冷却 121.17 134.52 70.90 86.21 70.90 84.03
    无冷却 353.00 353.00 352.97 352.98 352.95 352.98
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    表 4作动器各部件温度范围

    Table 4.Temperature range of actuator components °C

    结构 传感器定子 传感器动子 活塞杆外筒 活塞杆内筒 缸筒
    无冷却 248~250 248~250 248~250 248~250 248~250
    有冷却 142~149 143~160 143~168 142~143 142~186
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