機(jī)電一體化的新型壓力反饋式液壓沖擊器系統(tǒng)研究

周曉光，李 棟，程軍利

總參陸航部西安軍代室，陜西西安 710600

隨著18世紀(jì)水壓機(jī)的問(wèn)世，液壓系統(tǒng)就不斷地得到了應(yīng)用和創(chuàng)新，目前，已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)機(jī)械領(lǐng)域中，該系統(tǒng)的本體結(jié)構(gòu)具有很好的穩(wěn)定性，不僅滿(mǎn)足了動(dòng)力學(xué)要求，而且具有很大的工程應(yīng)用價(jià)值。因此，對(duì)機(jī)電一體化的新型壓力反饋式液壓沖擊器系統(tǒng)研究有其必要性。

1 新型壓力反饋式液壓沖擊器的工作原理

在對(duì)新型液壓沖擊器研究過(guò)程中，依據(jù)其內(nèi)部的活塞運(yùn)動(dòng)情況，將其分為兩個(gè)階段進(jìn)行研究，一是回程運(yùn)動(dòng)，一是沖程運(yùn)動(dòng)，以下進(jìn)行具體的說(shuō)明：

1）回路工作

對(duì)于回程運(yùn)動(dòng)的工作原理，在這里以圖1進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析：圖中中是高壓小流量泵，其在系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于低壓大流量泵來(lái)講，其主要用途是為了快速運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，由源自于液壓泵的油，會(huì)經(jīng)過(guò)單向閥，而此時(shí)，與液壓泵中的油，共同工作，進(jìn)而為系統(tǒng)動(dòng)作提供所需要的油。

另外，在工作進(jìn)給過(guò)程中，由于在外界因素和系統(tǒng)本身因素的影響下，系統(tǒng)的壓力會(huì)有效地提升，這時(shí)，就需要將將卸荷閥打開(kāi)，降低液壓泵的負(fù)荷，并且將單向閥關(guān)閉，這時(shí)，系統(tǒng)所需要的油的，只由液壓泵來(lái)完成和實(shí)現(xiàn)。

1-高壓小流量泵；2-低壓大流量泵；3-卸荷閥；4-單向閥；5-溢流閥

2）沖程工作

在回程工作過(guò)程中，由于系統(tǒng)的負(fù)載加大，系統(tǒng)壓力會(huì)有所上升，為此，需要在打開(kāi)溢流閥，在溢流閥的作用下，調(diào)整壓力值，等達(dá)到系統(tǒng)所要求的定值即可，這時(shí)，在壓縮氮和壓力差的作用下，活塞開(kāi)始加速?zèng)_程。

在工作一段時(shí)間后，整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載就會(huì)下降，當(dāng)達(dá)到某一定值時(shí)，必須要將溢流閥關(guān)閉，將換向閥復(fù)位，進(jìn)而接著進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)過(guò)程。

2 系統(tǒng)模型構(gòu)建

液壓沖擊器，簡(jiǎn)單來(lái)講，就是一個(gè)閥控活塞控制系統(tǒng)，是以液體為主要的能量傳遞介質(zhì)的，在通常情況下，在分析活塞所受的作用力時(shí)，是存在著很大困難的，一方面，是由于其所受的作用力比較復(fù)雜，另一方面，是由于其所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也比較復(fù)雜，所以，在實(shí)際工作中，要想建立數(shù)學(xué)模型，以液壓沖擊器的實(shí)際情況為依據(jù)，難度很大。因此，為了解決以下問(wèn)題，需要做到以下幾點(diǎn)：

首先，要構(gòu)建一個(gè)有效完善的系統(tǒng)模型，必須要明確液壓沖擊及其產(chǎn)生液壓沖擊的主要原因。在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因，液體壓力在一瞬間會(huì)突然升高，產(chǎn)生很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱(chēng)為液壓沖擊。經(jīng)過(guò)相關(guān)的理論和實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致液壓沖擊產(chǎn)生的因素大體有以下方面：一、液流通道迅速關(guān)閉或液流迅速換向使液流速度的大小或方向突然變化時(shí)，由于液流的慣力引起的液壓沖擊。二、運(yùn)動(dòng)著的工作部件突然制動(dòng)或換向時(shí)，因工作部件的慣性引起的液壓沖擊。三、某些液壓元件動(dòng)作失靈或不靈敏，使系統(tǒng)壓力升高而引起的液壓沖擊。

其次，采有假設(shè)法進(jìn)行問(wèn)題分析。在系統(tǒng)工作過(guò)程中，可以進(jìn)行以下幾點(diǎn)假設(shè)：一、系統(tǒng)內(nèi)油量恒定，沒(méi)有變化；二、整個(gè)工作過(guò)程，溫度保持一致，沒(méi)有變化；三、時(shí)間忽略和氣態(tài)變態(tài)為理想的絕熱狀態(tài)。在這樣的假設(shè)條件下，可以得到的數(shù)學(xué)模型為：

1）活塞動(dòng)力

2）溢流閥模型

其中，m-活塞的質(zhì)量；d-活塞密封圈直徑；P-回油壓力

3 數(shù)值仿真分析

經(jīng)過(guò)以上數(shù)學(xué)模型的分析，在這里建立仿真數(shù)學(xué)模型，具體如圖所示。在仿真模型中，既有換向閥的仿真，也是活塞的仿真，與此同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了回程運(yùn)動(dòng)和沖程運(yùn)動(dòng)的循環(huán)與轉(zhuǎn)換：

圖中液壓回路，液壓泵流量為25L/min，油液密度可達(dá)900kg/m3，閥的調(diào)定壓力為0.5N，負(fù)載可以達(dá)到80000N，而液壓缸無(wú)桿腔面積=50cm2，有桿腔面積=25cm2，節(jié)流閥通流截面積=0.2cm2，節(jié)流閥前后壓差=0.4MPa，油液密度=900kg/m3，節(jié)流閥開(kāi)口面積AT=0.62cm2，忽略管路其它損失。

3.1 活塞力平衡方程

3.2 活塞向右的運(yùn)動(dòng)速度

通過(guò)節(jié)流閥的流量：

3.3 通過(guò)溢流閥2的溢流量

3.4 回路效率

那么假定圖中液壓泵，在某一工作狀態(tài)下，所承受的工況壓力達(dá)到了4N，而泵的實(shí)際流量為50L/min，那么此時(shí)，液壓泵的總效率為：

當(dāng)泵的輸入功率=4KW時(shí)，液壓泵的總效率：

若是泵壓力為0時(shí)，泵的流量=54，液壓泵的容積效率和機(jī)械效率則為：

4 結(jié)果分析

1）在仿真過(guò)程中，由于所設(shè)定的不同壓力值，那么活塞的頻率、位移、速度這些參數(shù)值都發(fā)生了變化，若是調(diào)定壓力值增加，那么沖擊力也會(huì)增大，而頻率卻會(huì)降低，當(dāng)增加到某一個(gè)值時(shí)，進(jìn)而就會(huì)發(fā)生系統(tǒng)異常；

2）在液壓系統(tǒng)中，如果沖擊器受到單次沖擊，那么其所對(duì)應(yīng)的頻率一定會(huì)發(fā)生變化，尤其是流量不斷增加的情況下，系統(tǒng)的沖擊頻率更加迅速提升，可以活塞末速度以及活塞行程卻沒(méi)有明顯的變化，因此，根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析，可以知道，在充氣壓力不變的情況下，若是流量發(fā)生了改變，那么頻率就會(huì)發(fā)生變化，并且可以得到很好的改善，這樣，整個(gè)系統(tǒng)的損失也會(huì)明顯下降；

3）在保證供油量以及壓力值不變的情況下，使得充氣壓力發(fā)生改變，這時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)沖擊器的各項(xiàng)參數(shù)發(fā)生變化，其性能也發(fā)生了變化，在充氣壓力不斷增大的過(guò)程中，所對(duì)應(yīng)的沖擊頻度不斷上升，而對(duì)于單次沖擊的效果卻沒(méi)有明顯的變化，而且還有了一定的減小。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，要想達(dá)到所預(yù)期的設(shè)計(jì)結(jié)果，就要控制壓力充氣范圍，以實(shí)際系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)，否則也會(huì)發(fā)生異?，F(xiàn)象，甚至于發(fā)生死機(jī)以及無(wú)力的現(xiàn)象。

5 注意事項(xiàng)

1）在液壓系統(tǒng)中，還有一個(gè)重要的部件，那就是蓄能器。在系統(tǒng)中，蓄能器容積大小與液壓系統(tǒng)密切的關(guān)系，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行有著直接的影響。為此，需要加強(qiáng)對(duì)蓄能器的全面了解：首先，蓄能器在液壓系統(tǒng)的主要作用：儲(chǔ)蓄能量，供系統(tǒng)良好運(yùn)行，同時(shí)，為液壓系統(tǒng)提供所需要的瞬間能量；吸收液壓沖擊，穩(wěn)定液壓壓力。其次，對(duì)于蓄能器而言，在液壓系統(tǒng)中，不僅與其作用有關(guān)，而且與其大小有著密切的關(guān)聯(lián)，比如就皮囊充氣壓力而言，并不是越大越好，而是要在滿(mǎn)足系統(tǒng)正常工作及其需求的情況下，越小越好，只是這樣，才能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。三、合理選擇蓄能器，在選擇蓄能器的過(guò)程中，主要是根據(jù)其用途進(jìn)行選擇，一方面，要保證系統(tǒng)運(yùn)行所需要壓力，為系統(tǒng)提供強(qiáng)大的應(yīng)急動(dòng)力源，另一方面，要在較短的時(shí)間內(nèi)，為系統(tǒng)提供大量的壓力油；

2）在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，可能會(huì)經(jīng)常遇到液壓系統(tǒng)的壓力經(jīng)常瞬間達(dá)到很高的情況，這樣，會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)中的原件和儀表造成很大的沖擊力，從而造成對(duì)原件的損壞，因此，為了減少這種沖擊力，可以采用用定量泵以及換向閥，換向閥最好是O型，這種閥的特點(diǎn)就是動(dòng)作靈敏，與此同時(shí)，還需要在輸入、輸出口疊加溢流閥來(lái)提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這樣，不僅可以有效地釋放系統(tǒng)運(yùn)行的壓力，加強(qiáng)對(duì)原件的保護(hù)，而且提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度；

3）在液壓系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)維持系統(tǒng)壓力、減小氣動(dòng)沖擊或壓力脈動(dòng)、補(bǔ)償泄漏等功能，就需要對(duì)系統(tǒng)的功能和構(gòu)造進(jìn)行分析，為其系統(tǒng)和實(shí)際情況為基礎(chǔ)，完善各項(xiàng)功能，提供系統(tǒng)的運(yùn)行效率，進(jìn)而創(chuàng)造更大的效益。比如液壓囊式儲(chǔ)能器，由于在里面沒(méi)有內(nèi)囊，所以，通常情況下，其體積要比儲(chǔ)能器的體積大，而對(duì)于氣體的壓力而言，也只有10公斤，所以，與液壓壓力相比，有一定的差距，而要想進(jìn)行氣體壓縮量，也是存在一定的限制的，因此，只有靠體積來(lái)彌補(bǔ)；

4）系統(tǒng)要保證足夠的潤(rùn)滑油，否則會(huì)導(dǎo)致沖擊器系統(tǒng)磨損或損壞，這是由于在系統(tǒng)中，若是潤(rùn)滑油達(dá)不到?jīng)_擊器的沖擊結(jié)構(gòu)（氣缸），就會(huì)產(chǎn)生巨大的摩擦，因此，需要加強(qiáng)檢修和維護(hù)，認(rèn)真檢查潤(rùn)滑裝置，從沖擊器頂部往下注油或增大壓氣含油量，加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。

6 結(jié)論

總而言之，新型壓力反饋式液壓沖擊器系統(tǒng)是建立在多種力學(xué)原理和數(shù)學(xué)原理上的一體化平臺(tái)和體系，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，一定要從實(shí)際出發(fā)，認(rèn)真分析本體結(jié)構(gòu)的載荷情況，提高設(shè)計(jì)的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。

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