13.5MN液壓機(jī)緩沖減振系統(tǒng)的設(shè)計與仿真分析

周加永，孟小凈，紀(jì)平鑫

（西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099）

1 設(shè)置緩沖減振系統(tǒng)的必要性

本文所研究的13.5MN液壓機(jī)屬于下傳動式液壓機(jī)，該液壓機(jī)的工作缸安裝在下橫梁上，工作行程為柱塞向上運(yùn)動。該液壓機(jī)工作時首先需要施加相應(yīng)的壓力，而后才實(shí)現(xiàn)特殊運(yùn)動。該液壓機(jī)主要完成上下往復(fù)直線運(yùn)動，整個工作循環(huán)過程包括上升過程、加壓過程、保壓過程、卸壓過程和下降過程。

圖1為液壓機(jī)回程過程中柱塞速度和行程變化曲線。其中，0～x1為柱塞開始加速運(yùn)動的階段，在此過程中動梁從相對于地面的最高位置開始向下運(yùn)動，速度逐漸增大；x1～x2為柱塞的運(yùn)動平衡階段；x2～x3為柱塞減速運(yùn)動的階段，在此階段柱塞進(jìn)入到緩沖行程，隨著阻力的增加動梁的速度減小，并在規(guī)定位置停止運(yùn)動。

圖1 柱塞速度v和行程的變化曲線

為避免動梁在向下運(yùn)動過程中由于速度過大對工作缸的缸底產(chǎn)生過大的沖擊，因此為13.5MN液壓機(jī)設(shè)計了節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)，由于該節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)的緩沖減振效果不是很理想，在此基礎(chǔ)上對工作缸以及緩沖系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，得到緩沖減振效果較為理想的蓄能器節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)。

2 節(jié)流緩沖減振過程仿真分析

圖2為工作缸結(jié)構(gòu)簡圖，其最大緩沖行程為60 mm。圖3為13.5MN液壓機(jī)節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)簡圖，它由溢流閥、工作缸和節(jié)流閥等元件所組成，其中節(jié)流閥是電液比例插裝閥的等效元件。液壓機(jī)工作缸的柱塞開始進(jìn)入到緩沖行程時，給電液比例插裝閥通電，閥芯開始動作，當(dāng)閥芯的開度達(dá)到預(yù)設(shè)開度時，斷電使電液比例插裝閥的閥芯停止運(yùn)動，這時電液比例插裝閥具有節(jié)流閥的作用。

圖2 工作缸結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)簡圖

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

（1）工作缸的流量方程為：

其中：q1為節(jié)流閥流量；E為油液體積模量；V1為工作缸工作容積；p1為工作缸內(nèi)油液的壓力；k1為工作缸的泄漏系數(shù)；x為柱塞位移；A為柱塞有效面積。

（2）機(jī)架的受力方程為：

其中：M為液壓機(jī)機(jī)身質(zhì)量；K2為機(jī)身等效剛度；u為機(jī)架的相關(guān)變形量；μ為阻尼系數(shù)。

（3）柱塞的受力方程為：

其中：B為油液的黏性阻尼系數(shù)；m為工作缸的柱塞質(zhì)量。

（4）柱塞的位移方程為：

其中：xl為柱塞相對地面的距離。

（5）插裝閥閥口處的流量方程為：

其中：α為閥口處的指數(shù)；p2為出口壓力；AT為節(jié)流口的有效面積；C為閥口處的流量系數(shù)。

現(xiàn)將式（1）～式（5）進(jìn)行拉氏變換，得到：

2.2 仿真模型的建立與分析

根據(jù)拉氏變換后的式（6）～式（10）在MATLAB/Simulink中建立13.5MN液壓機(jī)節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示。

圖4 節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)仿真模型圖

通過運(yùn)行圖4中的仿真模型，可得到柱塞缸底的壓力和位移仿真曲線，如圖5和圖6所示。

圖5 節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)中缸底壓力曲線

由圖5可知，在0s～0.025s雖然油液壓力的振幅在逐漸減小，但是振蕩次數(shù)依舊很頻繁；在0.025s以后雖然油液的壓力達(dá)到了平衡狀態(tài)，但是達(dá)到平衡狀態(tài)后壓力的波動依然存在。由圖6可以看出，位移的變化量比較大。通過以上分析我們可以看出節(jié)流減振的效果不是很理想，因此為了得到更好的緩沖減振效果，可采用以下方案：①進(jìn)一步改進(jìn)該液壓機(jī)的緩沖減振系統(tǒng)，在原來的節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)中增加一蓄能器，設(shè)計新的蓄能器節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)；②改變液壓機(jī)工作缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且保證緩沖行程仍為60mm。

圖6 節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)中柱塞位移曲線

3 蓄能器節(jié)流緩沖減振過程仿真分析

圖7為13.5MN液壓機(jī)的工作缸改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)簡圖，其緩沖行程最大仍為60mm。圖7中的工作缸采用能量緩沖減振法，先把工作缸中需要排回油箱的油液封裝，再使被封裝的油液經(jīng)過節(jié)流小孔流出，這樣就會對柱塞產(chǎn)生更大的阻力，使柱塞在下落時的速度降低。

圖8為蓄能器減振系統(tǒng)簡圖，它由蓄能器、節(jié)流閥和溢流閥等組成，蓄能器的主要作用是吸收存儲工作過程中多余的油液。

圖7 改進(jìn)后的工作缸結(jié)構(gòu)簡圖

圖8 蓄能器減振系統(tǒng)簡圖

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

（1）工作缸的流量連續(xù)性方程、機(jī)架的受力方程、柱塞的受力方程、柱塞的位移方程和節(jié)流閥的流量特性方程與節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相同，在此不再列出。

（2）蓄能器入口處的流量方程為：

其中：KA為氣體的壓縮系數(shù)；vA為蓄能器內(nèi)氣體的體積；qA為進(jìn)入到蓄能器的流量。

（3）蓄能器中液壓油的受力方程為：

其中：pA為蓄能器內(nèi)氣體的壓力；pp為短管中液壓油的壓力，pp＝p1；Bb為蓄能器油腔中的阻尼系數(shù)；Ca為氣體的阻尼系數(shù)；ka為蓄能器油腔中氣體的等效彈簧剛度；ma為蓄能器油腔中油液的質(zhì)量；Ag為短管的橫截面積。

將式（11）與式（12）進(jìn)行拉氏變換，再結(jié)合節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型得到：

3.2 仿真模型的建立與分析

根據(jù)拉氏變換后的式（13）～式（19）在MATLAB/Simulink中建立13.5MN液壓機(jī)蓄能器節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)的仿真模型，如圖9所示。

圖9 蓄能器節(jié)流緩沖系統(tǒng)仿真模型

通過運(yùn)行圖9中的仿真模型，可以得到柱塞缸的壓力和位移仿真曲線，如圖10、圖11所示。

圖10 蓄能器節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)中缸底壓力曲線

圖11 蓄能器節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)中柱塞位移曲線

由圖10可以看出，在0s～0.017s雖然油液的壓力振幅比較大，但是振蕩次數(shù)明顯減少，并且在0.017 s左右時工作缸的壓力達(dá)到平衡狀態(tài)。通過圖11可以看出，柱塞位移的變化量比較小，變化比較平穩(wěn)。通過分析可以看出蓄能器節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)的減振效果比較好，基本上能夠滿足實(shí)際工況的需要。

4 總結(jié)

本文為13.5MN液壓機(jī)設(shè)計了節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)，通過對節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)的仿真分析，發(fā)現(xiàn)其緩沖減振效果不是很理想。為此，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在液壓系統(tǒng)中增加了蓄能器，并把工作缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了相應(yīng)修改。接著對蓄能器節(jié)流緩沖減振系統(tǒng)進(jìn)行了建模，通過仿真分析論證了改進(jìn)后減振系統(tǒng)的正確性和可行性。

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