低温环境下液压元件及系统研究综述

陈英龙，郝新娟，宋甫俊，张增猛，弓永军

(大连海事大学船舶与海洋工程学院，辽宁大连 116026)

0 前言

习总书记在2017年联合国演讲中提出，要把深海、极地、外空、互联网等领域打造成各方合作的新疆域。人类正处在大发展、大变革、大调整时期，世界多极化、经济全球化深入发展，新一轮科技革命和产业革命正在孕育成长。随着现代科技的不断进步，很多机电液压系统开始应用到低温极寒地区。某些高纬度的高寒气候国家和地区，其温度一般在-30 ℃左右，在冬季则会更低。极地冰层覆盖减少推进北极航运海上航线的开通等，这些极端温度条件要求了传动系统应该能在-40 ℃甚至以下的极寒环境下正常运作，其设备的保存温度要求也降低到了-60 ℃，这就对整个系统提出了严峻的考验。

现今最常用于传动系统方法有电机传动和液压传动，电机驱动精确度高，调速方便，但其推力较小，在一些重型机器中就不适用了。与电机驱动相比，液压驱动虽然对环境要求高，但体积小，可以输出大的推力或大转矩，能够大大加快工作效率。综合比较来说，液压驱动可以实现低速大吨位运动，这是其他传动方式所不能及的突出优点，说明了低温环境下液压系统的研究是很有必要的。

在航空航天研究中，航空飞机完成任务时需要经常飞行在几千米之上的高空中，其所处的环境温度最低可达-55 ℃。然而，极低的温度会造成飞机上液压系统的故障发生，比如航空液压系统原材料的某些物理特性发生改变，以及液压油黏度的增大影响系统的正常运行等。为了解决故障以及优化飞机液压系统装置方案，杜芳莉等针对飞机用液压系统产品在-50 ℃左右时的低温特性进行研究；温育明等则研究了低温对飞机液压系统性能的影响，并提出PTC加热片给液压油箱加热的方案，解决了液压系统低温问题；陈经跃等根据液压泵在低温试验中出现的渗油故障进行低温分析研究。通过考虑在低温环境下航空航天领域的液压问题，为低温航空航天液压的研究提供帮助。

此外，随着极地区域的资源逐渐被开发，极地温度一般在-50 ℃左右，船舶在极地水域航行时危险系数将大大增加，在发生海难事故后，船员生存和获救的概率会大大降低。因此，对航行于极地水域船舶设备的配备要求更加严格。极地船舶的航行和运作的研究面对着巨大挑战的同时也成为新的发展研究趋势。王德岭和郑剑根据《极地规则》提出对于极地中船舶露天液压设备要求的应对措施。袁艳艳等主要针对低温环境以及大温差工况对液压马达密封性的影响，考虑了研究材料在极地环境下的压缩变形问题。在大温差的作用下，元件密封受到极大影响主要有4个方面：低温材料选型及关键摩副匹配性设计、大温差下关键摩擦副配合间隙设计、低温密封件选型以及低温液压油选型。

综上可知，诸多领域都有着对低温液压技术的需求，研究低温液压不仅能够拓展液压领域的研究范围，也是液压领域研究的一个新的方向。有关低温液压技术的需求日益增加，使极低温度下液压系统正常运作成为现在的热门研究话题，是亟需攻克的一大难题。

目前关于低温环境下液压元件及系统的研究，主要可以分为以下3个方面：

(1)液压介质及材料低温特性。实验验证各种类型的油液特性并分析，从而探讨其对整个液压系统的影响。液压元件材料的物理性质都具有热胀冷缩的特性，其体积在极低温度下会发生一定的收缩，影响配合精度甚至系统的正常运行，受到低温以及热冲击的影响，热膨胀率相似的材料作为有互相配合的元件，能够在一定程度上减小收缩影响元件配合的问题。

(2)液压元件低温特性。液压元件之间的间隙也会受到极低温度的影响而发生变化，对不同的液压元件如液压泵、液压马达、液压阀等进行低温状况下的理论与试验研究，根据摩擦副的配合间隙以及油液介质的黏温特性进行分析。

(3)液压系统低温启动特征。主要是研究液压系统在启动性方面的特性，即通过设计液压系统低温实验方案，根据不同的低温保护措施，将最能影响到液压系统在启动问题上的方案分别优化分析，进一步完善试验方案。其中，启动问题一般可分为液压系统受低温环境影响的冷启动问题和在运行后产生的热量对液压系统的启动造成的热冲击问题。

虽然低温环境下液压元件及系统的研究已经取有了一定的进展，但目前低温液压相关试验台和实验方案仍需不断完善，还存在控制复杂及效率低等问题。同时，目前尚缺少系统性介绍液压介质、液压元件、液压系统低温工作特性的综述性文献。本文作者首先总结了低温环境对液压油性质的改变以及油液黏度对整个液压系统的影响情况，再从液压元件出发，分别介绍了低温下的摩擦副间隙和液压元件的摩擦磨损，最后针对低温液压现存的问题，展望了未来的研究趋势。

1 低温环境下液压油的研究

1.1 低温液压油的低温特性

随着低温环境下液压油液研究的逐渐增多，现阶段低温液压油的种类有了更多的选择。低温液压油的流动性是一个重要性质，判断流动性能的指标为油液的凝点和倾点。液压油的凝点越低，越不容易在低温环境下凝固；其倾点越低，油液在低温下的流动性越好。

航空液压油一般适用于航空液压系统中，倾点可达-60 ℃左右；低凝抗磨液压油，如L-HV和L-HS，具有良好的黏温特性和低温特性；多级液压油则有较高的黏度指数，低温性能优良，一般通过加入黏度指数改进剂来提高黏度指数。通过对比不同液压油的黏度随温度的变化，特别是在极低温度下的黏度大小，来选择合适的型号。

由表1和表2可知，不同型号的液压油在低温环境下的黏度也不同，一般会随着温度的降低而提高。当温度低于-20 ℃时，油液的黏度急剧增大，随着温度继续降低，在-40 ℃及-50 ℃左右，油液的黏度成倍增大。选用时，不能只通过油液的凝固点或倾点来判断是否符合低温用油标准，例如选出来的液压油虽有较低温度的凝固点，但其黏温特性较差，仍会影响系统的正常运作。针对上述情况，在选择低温液压油时，其低温黏度一般不要超过1 000 mm/s，具体应结合泵的类型及液压系统工作部件的运动来考虑。

表1 航空液压油部分参数

表2 其他类型液压油的部分参数

1.2 液压油的低温特性测试方法

液压油的低温特性主要表现在黏度上，即温度升高，黏度降低，液压油流动性好，但与此同时会减小其润滑的作用；温度降低时，黏度增大，液压油流动性差，在管路或者液压元件中流动时阻力增大，甚至导致整个液压传动系统滞停。例如在低温条件下，液压阻尼器中的油流动性也随着变差，导致阻尼力在阻尼器运动开始时急剧增大，影响系统的正常运行。根据此特性，为了找出更适合在低温环境中应用的液压油型号，研究人员主要从黏度的角度着手实验研究。

图1 YH-15航空液压油的黏温变化趋势[19]

黄河等人提出一种液压油的黏温特性测试方法，通过在常压下测试YH-15航空液压油在-55～135 ℃内某些温度点的黏度，分段计算出YH-15航空液压油的黏温特性曲线公式，如图1所示。孙玉清等则从液压系统管路内层流流动、湍流流动出发，研究液压系统管路内的速度分布。陈新峰提出一些改进措施和方法以减少低温工作时出现的故障。刘淑真和付洪瑞通过测定在-10～-40 ℃内不同温度时单种油样以及混合油样低温运动黏度,研究了低温对润滑油性能的影响。LIU等在研究超低温下高速轴承的液压伺服加载系统时，使用了编号为10的航空液压油作为系统的介质，它可以承受-70 ℃的低温。

研究结果表明:低温环境下的液压油，不论是作为介质还是润滑，其黏度会随着温度的降低逐渐增大，流动性逐渐变差，这对于整个系统的运行都极为不利。这就表明：在选择低温液压油时，应将其黏温特性的优良作为第一准则。当然，如果考虑液压系统的低温启动问题考虑，应结合液压油的低温黏度和凝固点的特性。

2 低温环境下液压元件工作特性的研究

液压系统在低温环境下工作时，其液压元件也会受到温度变化的影响。液压元件材料具有热胀冷缩的性质，即温度升高，元件体积会相对增大，温度降低体积则会相对缩小。根据这一物理特性，可以研究低温环境液压元件的配合间隙变化，还可以分析低温实验中几何测量发生误差的问题，并在元件材料选型上提前做好准备，进而避免或减少温度因素带来的干扰。

2.1 低温环境下摩擦副的间隙特性

极低温度时启动液压系统，由于整个液压系统和油的温度与环境温度不同，液压油在输送到冷却装置前被加热到比环境温度高得多的温度，会出现热冲击现象。这种热膨胀现象会引起组件元件尺寸的动态变化，元件之间的间隙大小也会随着热油和冷液压装置之间的温差发生变化，其中之一是在液压缸体孔中移动的活塞之间的有效间隙()，如图2所示。元件之间的间隙、还会受到元件所用材料种类和形状的影响。

图2 有效间隙变化的示意图[14]

除此之外，液压元件之间的间隙还受到元件材料的影响，主要表现为不同材料的热膨胀系数不一样，受温度影响时，材料体积变化也不同，导致间隙发生变化。就相匹配的元件而言，在热冲击条件下启动时，不同材料的液压元件会影响它们之间有效间隙的大小，相对应的不同材料，线性膨胀可能也有很大差异。在低温环境的研究中选择线膨胀系数相近的、较小的材料，这对于减小因膨胀系数不同而产生轴系间隙变化量尤为重要。然而，如今材料的热膨胀计算和应用方式已成体系，导致计算方法不适用低温情况下变形及装配问题。为了解决这个问题，严不渝提出了在低温下材料热膨胀计算的方法并应用验证。

低温环境下，元件材料也影响到系统的运行，因此选择耐低温的元件材料也是必要的。LIU等在研究超低温下高速轴承的液压伺服加载系统时提出，温度是材料从韧性到脆性转变的重要因素。目前所知的两种低温钢为低温奥氏体钢和低温铁素体钢。

2.2 低温环境下液压元件的摩擦磨损

低温环境下，由于液压元件的力学性能受到不同程度的影响，以致部分液压元件的摩擦副之间的摩擦增大，从而影响其磨损特性。WAN等在不同温度下施加不同大小的负载，对甲板机械液压叶片电机中的片头和定子进行了低温磨损试验，分析得出：低温下摩擦副材料的硬度比常温下要大，同时液压油黏度增大，使摩擦因数和磨损质量损失减小，当温度降至-40 ℃或更低时，它们趋于稳定。

袁柳樱等通过对柱塞-缸体间的油膜厚度进行理论计算与分析，进一步分析柱塞-缸体间的倾角、供给压力、柱塞自转及偏心距等相关因素对油膜压力分布的影响，得出一般转速提高、摩擦热加大，引起黏度变大、摩擦力和磨损也增加的结论。所以为提高摩擦副接触面之间的润滑性能，应合理控制滑动面间形成的液体润滑膜厚度，防止摩擦副磨损或烧坏。

在液压元件的机构中存在着大量间隙配合，这些间隙主要是流体引起的，即配合间隙中为流体摩擦。邓江洪等对于液压元件结构中配合间隙展开研究，通过仿真研究了间隙内油液温度变化对元件性能的影响，发现液压元件配合间隙的流体动压润滑机制中润滑与摩擦之间的关系(见图3)，为液压元件摩擦副设计提供参考。

图3 润滑与摩擦关系图[30]

而为了可以测量发动机或其他类似的不同型号摆动摩擦副的摩擦磨损特性，赵俊生等则设计一种摆动摩擦副的摩擦磨损试验台，它由摆动机构、液压加载系统、数据采集和 PC控制系统三大部分组成。该试验台为低温环境下的摩擦副研究提供了理论基础和经验。

3 低温环境下液压系统的研究

3.1 液压系统的低温启动特性

从低温环境液压系统工作特性的角度分析，常见的挑战是冷启动问题：处于极低温度下的液压油受到温度影响，黏度大，直接影响泵的自吸能力，严重时可能会引起液压泵不能启动的问题，从而影响整个液压系统的正常工作。

然而有些工况条件下，为了保证油液能够顺利流动，油箱或油箱中的油液会被加热，而此时执行元件仍处于极低的环境温度下(如极地船舶的甲板机械液压系统)。当加热后的液压油液进入冷部元件中时，就会出现热冲击现象。在热冲击条件下，油液从液压泵到执行元件的流动会形成热传递，流动的液压油液会逐渐改变液压元件内零部件的温度。由于液压元件内外部件温度的不均衡，会引起元件摩擦副配合间隙的变化。工作介质和低温液压元件之间的温差越大，在启动期间摩擦副间隙的变化就会越明显，当温差达到一定值时，摩擦副配合间隙可能完全消失，直接导致阀芯等运动部件卡死，进而导致液压元件和系统的故障。

如图4所示；是几何间隙，是装配间隙，是有效间隙。热冲击条件下，液压装置配合元件的实际尺寸决定了几何间隙。在液压单元的组装过程中，由于组装夹具时产生的弹性变形Δ，从而使变小。此时的几何间隙变为装配间隙。油压作用引起的液压元件的弹性变形Δ和子系统中协作元件的线性热膨胀差值Δ也都影响着有效间隙。其中，当液压单元在热冲击条件下供油时，单元腔内的压力越高，液压元件弹性变形产生的有效间隙增加越多。

图4 热冲击条件下确定液压装置配合元件间有效间隙的尺寸分析[15]

低温环境下冷启动时，为了保证液压泵的启动安全，有研究人员在泵内集成了一种冷启动阀进行调节，在液压泵工作后用于检测液压泵吸油口的油压，当吸油负压达到了设定值，冷启动阀就会开启，补油泵驱动液压油溢流，此时液压泵不输出，一直处于溢流加热，保证油液温度满足设定条件后液压泵开始工作；还可以在油箱内安装加热器或者通过氮气加压装置以及专门设计自吸能力强的齿轮泵等方案来解决泵吸油困难的问题。

而对于油液的热冲击问题，通过试验和计算，确定热冲击条件下液压组件的允许启动参数，可以解决热冲击下的启动问题。而允许启动参数的基本设计因素又是有效间隙，有效间隙定义了协作元件表面之间间隙的尺寸。在热冲击条件下影响液压组件正确启动的参数包括：工作介质(液压油)的流速、油温和对应环境温度的部件的初始温度。

在热冲击条件下，如果启动液压部件时计算的有效间隙值为适当的正值(即大于最小间隙)，那么该部件将无故障工作。为提升低温环境下液压系统无故障启动性能，常用一些辅助手段进行分析。在低环境温度下确定液压组件无故障启动的参数的3种方法为：试验方法、分析方法和计算机模拟方法。这3种方法对于低温环境下无故障启动的研究具有重要参考意义。

3.2 低温液压系统实验分析

在极地和高寒环境下液压研究的趋势下，为了满足在极低温度下液压系统的应用需求，制定不同应用领域液压系统的原理方案，增强系统的可靠性。相关科研人员已经针对低温环境设计相应的液压系统，并通过试验进行分析验证，补充了现有低温液压系统研究的盲区。

在低能耗飞机的低温试验方案设计中，杜芳莉等对液压系统进行低温测试试验，其设计原则是把需要测试的部分放到低温环境中，而把非测试元件放在测试环境之外，这样可以减少试验误差，保证试验的可靠性。对所提出的2种设计方案进行了优化设计进而提出通过物理隔离2个不同温度的系统，同时通过设计流量整流桥提高效率。该试验方案就其他液压系统低温试验的可靠性验证而言具有重大参考价值。

木兰溪的流域面积约为1732km2，河道总长为105km，在当地享有“母亲河”的美誉。木兰溪的源头位于仙游西苑乡，出海口位于涵江三江口。此河流不仅孕育了莆仙的水利文化、农耕文化，还孕育了当地的民俗特色文化，该地区的两岸风光较为秀美，具有多种类型的观光景点，旅游资源较为丰富。与此同时，木兰溪还是莆田市经济、政治以及文化中心，并且是重要的交通枢纽，该地区经济较为发达，且人口较为集中。

在超低温环境下，LIU等为了测试空气轴承的疲劳性能，设计并分析了超低温下高速轴承的液压伺服加载系统。根据加载环境的要求，首先设计了一种可以克服高频干扰影响的液压伺服加载系统；然后在计算出的液压系统中选择具有相关参数的组件；最后，通过AMESim软件对液压系统进行了仿真和分析，验证了设计的可行性。为低温试验设计研究方法，指导了低温试验的研究方向。

4 低温环境液压加热研究

改善低温环境下的液压系统工作状况的重要方法是加热方法。研究人员经常通过加热液压系统的部分装置或部件，来达到保障系统正常运作的目的。

陈新峰提出对长时间暴露在低温环境中的液压管路和液压缸采用电伴热保温，通过伴热媒体发热进行热交换，液压管路和油缸的油液能迅速提温，达到系统的工作要求。高立全和王佳在关于极寒地区中甲板机械装置的研究中，同样对受低温影响大的部件设计了电伴热装置，通过加热保温保证了系统的正常运行。

但对于低温环境下的液压系统而言，加热并不能解决所有的问题(如处在极低温度下工作的甲板机械装备)，因此还需要做更深入的研究。

5 结论

随着现实中对液压的低温下性能的要求越来越紧迫，如何将液压技术应用到低温环境是当前的关注热点。众所周知，了解低温对液压的影响及处理低温液压问题则是当前首要，然而，国内在这方面还未有完整的叙述。因此，通过归纳低温度环境下液压材料、元件以及整个系统的国内外研究现状，详细阐述了低温对液压油、液压元件、液压系统方案造成的影响和机制，并对当前所提出的解决方案做整理总结。解决方案主要包括处于低温中的装置的保温设计、油液循环流动系统原理的设计、耐低温的实验材料的选用等。

文中虽然归纳了低温的液压特性和解决措施的研究现状，实际上尚有较多的相关研究并未考虑，例如，低温下振动对液压的影响、低温下泄漏对液压的影响及低温下温差变化对液压的影响等。总而言之，低温液压的研究终究要与现实接轨，尤其是随着北极航道的研究价值与日俱增，如何实现低温液压的实际需求具有极大的研究意义。可见，低温液压的研究和发展将迎来一个黄金时代。