液压回路加注技术的研究和探讨

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编者按为实现密闭舱内的温湿度控制，液压回路加注和再加注工作是众多航天器均不可或缺的必备工作之一，因加注的技术流程复杂，针对不同的加注对象需确定的指标参数较多，本文分析了各指标参数确定的理论依据，给出了工质脱气和液压回路抽真空等指标制定的原则和方法，为后续工作有提供借鉴和指导。引言众多航天器通过换热器收集舱内废热，依靠冷却工质在液压回路中的流动将热量传输到舱外，从而实现对密闭舱内的温湿度控制。液压回路冷却工质的顺利加注是实现这一功能的首要条件，对该技术的研究和探讨具有重要的现实意义。按照目前的研制模式，各航天器在发射前须进行大量的测试工作，包括各舱段的分解和组合，每次舱段分解都会带来液压回路的工质排放和再加注工作，因此，在测试阶段会进行频繁的液压回路加注和再加注工作。对各航天器来说，液压回路加注和再加注工作均是不可或缺的必备工作之一。尽管液压回路加注的技术流程比较成熟，但其各参数指标的确定目前还缺乏比较完整的的理论依据。本文分析了液压回路加注的各指标参数确定的依据，给出了工质脱气和液压回路抽真空等指标制定的原则和方法，对后续工作有良好的借鉴和指导意义。1提出问题1.1液压回路加注的特点本节以某航天器为例，来说明液压回路和工质加注的特点。图1所示为某航天器的液压回路管路示意图，由此可知，液压回路是一个贯穿多舱的封闭回路，串联、并联混合结构，流道复杂，例如冷凝换热器由超过根的毛细列管组成；液压回路死腔多，缝隙多，接头多，工质排放时无法彻底排净；液压回路加注的要求很高，为了保证微重力下的换热效果，必须控制不可冷凝气体的残留量，气泡总量不得堵塞冷凝热交换器换热面积的5%，即残余气泡不超过50mL，占总容积的约0.4%。图1某航天器液压回路管路示意图图2所示为目前所用的加注设备和加注装置示意图，由此可知，加注设备众多，包括气瓶、储箱、真空泵、压力表、真空计、加注扳手等，涉及气路、液路、抽真空回路等，操作也非常复杂。图2液压回路加注装置和设备示意图1.2液压回路加注的流程及参数液压回路加注的技术流程为：首先对工质进行脱气处理；然后对液压回路抽真空，靠自吸将工质注入到液压回路中，同时加压，提供一个泵入口压力；最后保压。简言之，工质脱气——真空自吸——加压——保压。在这些步骤中，涉及很多参数的确定，也引伸出很多的学术问题。主要包括：1）为什么要工质脱气？脱多长时间？2）液压回路抽真空，抽到什么程度？指标由什么来决定？3）加注压力怎么确定？加注合格的标志是什么？4）为什么要保压？保压多长时间？本文通过研究和探讨，试图对以上问题进行阐释和解答。2分析问题2.1工质脱气处理该液压回路工质为乙二醇水溶液，在存放过程中必然会溶解空气。加注时真空自吸过程中这些气体会脱出。由于管路内接触面积小，气体难以再次溶解，将会形成不可冷凝气泡，从而影响换热效果。为保证微重力下换热效果，气泡总量不得堵塞冷凝热交换器换热面积的5%，即残余气泡不超过50mL。亨利定律阐释了空气在液体中的平衡溶解量，可表示为：V=KTp（1）式中：V—空气在液体中的溶解度，L/m3；p—溶液上方的空气平衡分压，kPa（绝压）；KT—溶解度系数，L/kPa·m3，不同温度下溶解度系数不同，KT值与温度的对应关系如表1所示。表1溶解度系数与温度的对应关系由此可见，气体平衡溶解量跟溶气压力成正比，且与温度有关。如果工质不进行脱气处理，可计算出20oC时一个大气压下平衡溶解量为18.18mL/L，这样液压回路最多将可能存在mL不可冷凝气体，无法满足要求。而进行了工质脱气后，气体压力将降低至饱和蒸汽压，可计算出20oC时饱和蒸汽压下平衡溶解量为0.42mL/L，这样液压回路最多仅可能存在13mL不可冷凝气体，可以满足要求。因此，工质脱气的目的是去除工质中溶解的空气，从而控制不可冷凝气体量。当环境压力降低时，气体会从液相一侧向气相一侧转移，转移的气体质量随时间的变化服从一阶动力学过程。过饱和溶解气体的释放过程公式为：积分后，结果为：式中：V、V0和Vm—当前的溶解量、初始溶解量和目标溶解量；k—释放系数，其经验公式为：可见，由初始溶解度到目标溶解度的过饱和溶解气体释放过程满足指数分布，主要由释放系数k决定，而释放系数与流动速度、深度（接触面积）有关，Φ可取为1×10-9s-1。对于工质脱气过程，初始溶解度为18.18mL/L，目标溶解度为0.42mL/L，此工况的计算结果如图3所示，部分计算数据见表2。由图表可知，释放过程很快，开始时效果明显，后面逐步趋近；现有工况下，2min即可达到同等量级，6min满足要求。表2溶解度随时间的变化数据图3空气溶解量随时间的变化曲线图上述从理论上解释了工质脱气过程，试验验证结果也证实了这一规律。工质脱气试验所用的抽真空设备为机械真空泵，一种变容式的旋片式真空泵，工作原理图见图4所示，主要由泵体、转子、旋片、弹簧、端盖等组成。转子偏心安装在泵体内，外圆与泵体内表面相切。转子开槽，槽内装有旋片。当转子旋转时，旋片靠离心力和弹簧张力使其顶端与泵体内壁保持接触，沿泵体内壁滑动。旋片把转子、泵体、端盖形成的月牙形空间分割成A、B、C三部分。若转子按图中箭头方向旋转时，A空间的容积增大，压力降低，气体经泵入口被吸入，此时处于吸气过程；B空间容积减小、压力增加，处于压缩过程；C空间的容积进一步缩小，压力进一步增加，当压力超过排气压力时，压缩气体推开泵油密封的排气阀，处于向大气中的排气过程。在泵的连续运转过程中，不断进行着吸气、压缩和排气过程，从而达到连续抽气的目的。图4旋片泵工作原理图试验选定的真空泵抽气速率SC为4L/s。根据工作原理，可建立常抽速的抽气方程如下：积分后，结果为：对于这样的大抽速真空泵，抽真空效果是很明显的。计算结果显示，40L的容器，抽到Pa仅需46s，抽到1Pa需s。工质脱气试验所用的真空度测量设备为电阻真空计，属于一种热传导真空计，其结构原理图见图5所示，在一个由玻璃或金属制成的圆形管壳内，其中心线处设置一根用两个边杆支撑的热丝。当热丝通电加热后，其温度高于周围气体和管壳的温度，于是在热丝和管壳间产生因气体分子热运动而引起的热传导。热传导速率的大小与管内气体分子密度的多少有关。当达到热平衡时，热丝的温度即取决于气体的热传导，因此也就取决于气体的压力。图5电阻真空计规管结构原理图由工作原理可知，真空计测量的是容器内气体的总压力。当容器内有大量水蒸气时，测量值将会是空气和水蒸气混合气体的总压力。因此，测量值与所要得到的不可冷凝气体的真空度有很大差别。同时，测量也会受以下两方面的影响而使测量产生误差，①气体种类对测量的影响（一般均以纯净空气为基准标定）；②安装位置对测量的影响（原则上应尽可能地把真空计规管安装在接近被测量的部位，连接管道应尽量短而粗）。工质脱气试验的结果如图6、图7所示。对工质进行脱气时，储箱内的真空度很快将达到工质的饱和蒸汽压，继续抽真空，工质会不断汽化，随着时间的进行，工质汽化速率和真空泵抽速接近平衡，抽真空过程将会成为工质的不断汽化过程，脱气后期不可冷凝气体的释放效果已逐渐丧失，但作为一种裕度设计，脱气时间的延长，并不会对工质浓度产生实质影响。由结果可知，储箱质量每分钟减少大约2g，与理论值每分钟抽走1.93g水蒸气相吻合。现有指标脱气20min，将会抽走44g水蒸汽，对工质浓度影响不超过0.2%。由于真空计安装位置的原因，真空计读数显示约1kPa，实际上工质液面处为饱和蒸汽压（约2kPa），而储箱内留存的不可冷凝气体分压很低。图6储箱质量随时间的变化曲线图图7储箱内真空度随时间的变化曲线图以上从理论分析和试验验证两方面对工质脱气处理问题进行了解释。①为控制不可冷凝气体量，必须进行工质脱气处理；②脱气时间指标与加注工质、液压回路容积、储箱容积、真空泵抽速有关。2.2液压回路抽真空从上节中可知，对液压回路抽真空的目的不仅是要提供一个低压真空环境方便工质自吸注入，更重要的是要控制回路中不可冷凝气体的量。对于首次加注状态，液压回路处于干燥环境。指标为抽真空至Pa继续稳定20min。认为液压回路平均为Pa真空度，折算成1个大气压下不可冷凝气体量为25mL，可以满足要求。对于再加注状态，由于液压回路排放时工质无法排净，造成回路中留存部分工质，液压回路处于潮湿环境。统计历次加注量，可知首次加注和再加注差约1.2kg，为留存在液压回路中的工质量，试验结果证实主要存储在冷凝换热器中。指标为抽至Pa稳定20min。如果认为液压回路平均为Pa真空度，折算成1个大气压下不可冷凝气体量为62.5mL，将不满足要求。而实际上，因为液压回路中留存大量工质，抽真空至饱和蒸汽压时，工质必然汽化。此时的抽真空过程类似工质脱气过程。差别在于，液压回路管路很长、流道很细、结构复杂，导致阻力很大，影响了气体的流动和扩散速度，使得抽真空较慢。由20oC时水蒸气和空气的动力粘性分别为8.84×10-6Pa·s和18.1×10-6Pa·s可知，水蒸气更易流动。随着抽真空的不断进行，留存工质会不断汽化，水蒸气的汽化、扩散和流动会带动周围不可冷凝气体的扩散和流动，回路留存的不可冷凝气体必然会越来越少。当抽至Pa稳定20min时，实际留存的不可冷凝气体会远小于Pa（Pa为工质蒸汽和不可冷凝气体混合物的总压）。对于正常的加注和再加注工况，这样的指标是能够满足要求的。但是对于非正常工况，例如再加注时更换了产品，将有可能出现问题。表3以更换冷凝换热器为例，对正常工况和非正常工况的再加注进行了对比。表3不同工况的再加注对比由此可知，对于非正常的比较苛刻的工况，需要加严控制指标，例如增加抽真空时间，使真空计读数至Pa再稳定1h。同时要采取更高效的抽真空方法，例如对于并联段，可采取关闭一路，单独抽另一路的方法。从上述分析可知，无论是首次加注还是再加注，实际上抽真空的效果不取决于真空计的读数，而是取决于抽真空的时间。一方面，真空计离测量区域较远，测量值误差较大；另一方面，对于抽速一定的真空泵，抽气时间从根本上和源头上决定了抽气的效果。因此，抽真空应该以时间为指标。抽真空具体时间指标的确定需要理论计算和试验测量共同作用。首先由控制目标不可冷凝气体量推算液压回路应该达到的真空度；然后首次加注时在回路末端安装真空计，以此来测算达到目标真空度时的抽真空时间。后续加注以此时间为指标进行控制。试验结果证实，对该航天器的正常工况，以抽真空时间1h为指标能够满足任务的要求，真空计读数可作为参考值。只要使液压回路中留存的不可冷凝气体量控制在要求范围内，启动液压回路循环泵，液压回路压力就不会产生波动，液压回路加注即满足要求。因此，液压回路加注合格的标志为：启动液压回路循环泵，液压回路压力稳定。2.3加注压力加注压力即为储能器压力，为液压回路泵提供一个稳定的入口压力，使液压回路工作稳定。控制参数为加注排放阀处压力表数值。首先，自吸要保证加满。1atm下工质理论自吸高度9.8m，该航天器液压回路总高度约7m，自吸能够达到最高端，加注后不会形成空腔，系统能够加满。其次，防止出现空气自外向内的泄漏。要控制好加注压力，慢慢升高，不要超过指标再泄压（储箱内泻出的气泡也会留存于液压回路最高端）；加注排放阀a处压力表高度与液压回路最高端高度差约4.5m，折合成压差0.MPa。确定加注压力0.05~0.07MPa。保证了工质加注后液压回路各个部分绝压大于大气压，杜绝了空气自外向内泄漏的情况出现。当然，提高加注压力对工质加注有很多好处，但也会对液压回路系统提出很高的要求。2.4加注后保压抽真空过程中，管路内存留的工质会蒸发出大量饱和蒸汽；工质注入过程中，高速流体进入液压回路低压环境，会产生大量蒸汽；蒸气为可冷凝气体，随着压力的升高会重新凝结成液态；由于流道复杂，冷凝需要持续一段时间，因此需要对回路持续保压补充液体，直至冷凝过程结束。回路中留存的不可冷凝气体，在保压过程中也会慢慢溶解。目前，保压时间指标为6h，每间隔1h启动液压回路循环泵一次。而对历次加注保压数据的统计结果证明，冷凝过程较快，保压1h后，液压回路压力稳定。此时即可停止保压。3解决问题根据上一章对问题的理论分析和试验验证结果，本章对问题进行回答和总结。工质脱气的目的是使工质中溶解的气体析出，从而控制液压回路中的不可冷凝气体量。脱气时间取决于加注工质、液压回路容积、储箱容积和真空泵抽速。对研究的该航天器，建议脱气时间为10min。液压回路抽真空不仅是要提供一个低压真空环境方便工质自吸注入，更重要的是要控制回路中不可冷凝气体的量。对于抽速一定的真空泵，抽气时间决定了抽气的效果。因此，抽真空应该以时间为指标。对研究的该航天器，建议改为以抽真空时间为指标，时间为1h。加注压力为液压回路泵提供一个稳定的入口压力，使液压回路工作稳定。为防止出现空气自外向内的泄漏，同时不给系统带来过高的要求，对研究的该航天器，加注压力为0.05~0.07MPa比较合适。为保证真空自吸过程中汽化的可冷凝气体重新凝结成液态，需对回路持续保压补充液体，直至冷凝过程结束。经验证明冷凝过程较快，保压1h后，液压回路压力稳定。对研究的该航天器，建议保压时间缩减为1h。4结论1）本文从亨利定律、过饱和溶解气体释放公式、抽气方程、气体动力粘性等方面分析了液压回路加注的各指标参数确定的理论依据，给出了工质脱气和液压回路抽真空等指标制定的原则和方法。2）本文从理论依据和试验验证两方面对某航天器液压回路加注的指标进行了分析和确定，并对现用指标提出了改进建议。3）从现有工程问题中提出学术问题，进而解决，不仅能对工程实践提出改进建议，还对后续工作有良好的借鉴和指导意义。专家简介李森，中国航天员科研训练中心，男，硕士，研究方向：环境控制与生命保障技术。

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