高速重載液壓撞擊試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

， (河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 河南 洛陽(yáng) 471003)

引言

撞擊試驗(yàn)裝置主要用于模擬外界沖擊載荷(如爆炸、地震、碰撞等)，以檢測(cè)各種機(jī)械設(shè)備和建筑物的抗沖擊性能。隨著對(duì)抗沖擊性能要求的不斷提高，撞擊試驗(yàn)裝置向著高速重載方向發(fā)展。但傳統(tǒng)擺錘重力做功的方法由于其能量?jī)?chǔ)存方式所限以及自身體積龐大等缺陷，發(fā)展改進(jìn)空間已經(jīng)很小，無(wú)法滿(mǎn)足人們的需求。燃燒和爆炸等方法由于其現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制，無(wú)法得到真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)且爆炸過(guò)程可控性差，安全性也無(wú)法得到保證。液壓傳動(dòng)具有功率密度大、能量?jī)?chǔ)存方便以及安全性高等優(yōu)點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)高速重載撞擊試驗(yàn)裝置的首選方案。

撞擊試驗(yàn)裝置需在短時(shí)間、短行程內(nèi)獲得撞擊所需的巨大能量，系統(tǒng)瞬時(shí)流量可達(dá)每分鐘上萬(wàn)升。傳統(tǒng)的流量控制閥必須采用多級(jí)控制，但隨著控制級(jí)數(shù)的增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，響應(yīng)速度無(wú)法滿(mǎn)足要求。電液伺服閥雖然響應(yīng)速度快，但無(wú)法滿(mǎn)足撞擊試驗(yàn)裝置瞬間大流量的要求。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本研究提出一種采用快速開(kāi)啟的高速大流量控制裝置，為系統(tǒng)提供瞬時(shí)大流量，并在短時(shí)間、短行程內(nèi)獲得巨大能量的液壓撞擊試驗(yàn)裝置。

1 高速重載液壓撞擊試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

高速重載液壓撞擊試驗(yàn)裝置主要由壓力源、蓄能器、高速大流量控制裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。高速大流量控制裝置由快速開(kāi)啟的活塞式先導(dǎo)閥芯和調(diào)節(jié)高速大流量控制開(kāi)口量的缸式主閥芯組成，如圖2所示。四個(gè)大容量蓄能器分別與高速大流量控制裝置4個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的入口通道連接，當(dāng)壓力源向活塞式先導(dǎo)閥芯控制腔提供壓力流體時(shí)，與蓄能器連接的入口通道內(nèi)的流體作用在活塞式先導(dǎo)閥芯內(nèi)外側(cè)環(huán)形臺(tái)階上的力很小，不能克服控制腔流體作用在閥芯上的阻力，閥處于關(guān)閉狀態(tài)。一旦控制腔卸荷通道打開(kāi)，活塞式先導(dǎo)閥芯在上下端壓差作用下沿著控制腔向下滑動(dòng)，直到撞到緩沖彈簧為止。調(diào)節(jié)高速大流量控制裝置開(kāi)口度的缸式主閥由蓄能器、伺服閥、位移傳感器和缸式主閥芯組成，通過(guò)控制缸式主閥芯的位移來(lái)調(diào)節(jié)高速大流量控制裝置的開(kāi)口量，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大工作速度的調(diào)節(jié)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是具有快速卸荷和緩沖復(fù)位功能的氣液兩相液壓缸，包括缸體、活塞桿組件、充氣閥、排氣閥和卸荷閥。無(wú)桿腔與高壓流體相通，有桿腔與氮?dú)庀嗤?。活塞桿組件由活塞、空心活塞桿、質(zhì)量可變的撞擊塊和緩沖裝置組成。

壓力源向蓄能器充液以?xún)?chǔ)存工作工程所需的能量，通過(guò)控制缸式主閥芯的位移來(lái)改變高速大流量控制裝置的開(kāi)口度，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大工作速度的調(diào)節(jié)。大容量蓄能器作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)活塞式先導(dǎo)閥芯快速開(kāi)啟，通過(guò)缸式主閥為系統(tǒng)提供大流量的壓力流體，這樣避免了技術(shù)不成熟的大流量閥的使用。返程時(shí)，充氣閥向液壓缸有桿腔沖入氮?dú)猓够钊嘶氐匠跏嘉恢?，卸荷回路可以及時(shí)釋放無(wú)桿腔內(nèi)的流體壓力，以避免撞擊塊與試件的二次撞擊。

1.蓄能器 2.位移傳感器 3.伺服閥 4.活塞式先導(dǎo)閥芯 5.閥體 6.緩沖彈簧 7.卸荷閥 8.充液閥 9.卸荷閥 10.充液閥 11.閥體 12.控制腔 13.缸式主閥芯

1.2 工作過(guò)程

高速重載液壓撞擊試驗(yàn)裝置的工作過(guò)程分為準(zhǔn)備階段、加速撞擊階段和返回階段，如圖3所示。

圖3 撞擊塊工作過(guò)程速度示意圖

如圖1所示，準(zhǔn)備階段：打開(kāi)充液閥10向控制腔12沖入壓力流體，將活塞式先導(dǎo)閥芯壓在閥座上，切斷大容量蓄能器與液壓缸無(wú)桿腔的連接通道；通過(guò)充液閥8向液壓缸無(wú)桿腔充液以調(diào)整活塞15的初始位置；通過(guò)蓄能器1、位移傳感器2、伺服閥3和缸式主閥芯13組成的伺服回路調(diào)整缸式主閥芯的開(kāi)口，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大工作速度。關(guān)閉充液閥8，打開(kāi)排氣閥20和截止閥23，準(zhǔn)備階段完成。

加速撞擊階段：打開(kāi)卸荷閥9，將控制腔12內(nèi)的流體排出，大容量蓄能器17內(nèi)的壓力流體作用在活塞式先導(dǎo)閥芯4內(nèi)外側(cè)的環(huán)形臺(tái)階面上，活塞式先導(dǎo)閥芯4在上下端壓力差作用下沿著控制腔向下滑動(dòng)，大容量蓄能器17內(nèi)的壓力流體通過(guò)閥芯縫隙作用在閥芯頂部推動(dòng)閥芯迅速向下滑動(dòng)，直到撞到緩沖彈簧為止?；钊较葘?dǎo)閥打開(kāi)后，大容量蓄能器17內(nèi)的壓力流體進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔，推動(dòng)活塞15加速運(yùn)動(dòng)撞擊試件，有桿腔內(nèi)的氮?dú)饨?jīng)排氣閥20排出；當(dāng)撞擊塊撞擊試件的同時(shí)，打開(kāi)卸荷閥7，及時(shí)釋放無(wú)桿腔內(nèi)的流體壓力，避免二次撞擊。

回程階段：撞擊完成后，關(guān)閉缸式主閥芯13，通過(guò)充氣閥21向液壓缸有桿腔沖入氮?dú)猓瑢⒒钊?5復(fù)位，無(wú)桿腔內(nèi)的流體經(jīng)卸荷閥7排出；關(guān)閉截止閥23，向大容量蓄能器17充液，達(dá)到設(shè)定壓力為止。

2 高速重載液壓撞擊試驗(yàn)裝置建模仿真

高速重載液壓撞擊試驗(yàn)裝置主要由壓力源、蓄能器、高速大流量控制裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其快速性主要取決于高速大流量控制裝置提供瞬時(shí)大流量的能力。根據(jù)高速重載液壓撞擊試驗(yàn)裝置的原理，構(gòu)建AMESim仿真模型，如圖4所示。

圖4 高速重載液壓撞擊裝置仿真模型

在AMESim/Parameter參數(shù)模式中，根據(jù)系統(tǒng)選定的元件設(shè)定具體參數(shù)，主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真主要參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

高速重載液壓撞擊試驗(yàn)裝置的最大速度取決于缸式主閥芯的開(kāi)口量，撞擊塊質(zhì)量為100 kg時(shí)，缸式主閥芯的開(kāi)口量設(shè)置為20 mm，從圖5可以看出，由蓄能器、位移傳感器、伺服閥和缸式主閥芯組成的伺服系統(tǒng)可以精確地控制缸式主閥芯的開(kāi)口量，誤差不超過(guò)0.001 mm，且開(kāi)啟時(shí)間可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

圖5 缸式主閥芯開(kāi)口量控制曲線(xiàn)

高速重載液壓撞擊試驗(yàn)裝置能否在短時(shí)間短行程內(nèi)獲得撞擊所需的速度主要取決于活塞式先導(dǎo)閥芯的開(kāi)啟時(shí)間。從圖6可以看出，活塞式先導(dǎo)閥芯可以在2 ms內(nèi)完全開(kāi)啟，大容量蓄能器內(nèi)的壓力流體迅速進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔，為系統(tǒng)提供瞬時(shí)大流量。

圖6 活塞式先導(dǎo)閥芯位移響應(yīng)曲線(xiàn)

由圖7和圖8可以看出，當(dāng)撞擊塊質(zhì)量為100 kg，缸式主閥芯開(kāi)口量為20 mm時(shí)，在液壓缸1 m有效行程內(nèi)，撞擊塊最大速度可達(dá)60 m/s，加速時(shí)間僅為24 ms， 撞擊能量達(dá)180 kJ。由圖8可以看出，通過(guò)高速大流量控制裝置進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔的流量最高可達(dá)65000 L/min，如圖9所示。

圖7 質(zhì)量100 kg撞擊塊速度響應(yīng)曲線(xiàn)

圖8 質(zhì)量100 kg撞擊塊位移響應(yīng)曲線(xiàn)

圖9 質(zhì)量100 kg撞擊塊液壓缸無(wú)桿腔流量曲線(xiàn)

由圖10可以看出，隨著撞擊塊質(zhì)量不斷增加，加速時(shí)間依次增長(zhǎng)，但均能在60 ms內(nèi)達(dá)到指定速度。質(zhì)量為100 kg、200 kg、400 kg和800 kg的撞擊塊在液壓缸1 m有效形成內(nèi)獲得的撞擊速度依次減小，分別為60 m/s、53 m/s、42 m/s和32 m/s,但撞擊塊獲得的撞擊能量依次增加分別為180 kJ、280 kJ、350 kJ和410 kJ。質(zhì)量800 kg撞擊塊在液壓缸1 m有效形成內(nèi)所獲得的能量相當(dāng)于同等質(zhì)量的物體在45 m高空墜落所獲得的能量。

圖10 不同質(zhì)量撞擊塊行程1 m內(nèi)速度曲線(xiàn)

4 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的高速重載液壓試驗(yàn)裝置由高速大流量控制裝置為系統(tǒng)提供大流量，能夠在短時(shí)間、短行程內(nèi)獲得撞擊巨大能量。通過(guò)配置不同質(zhì)量的撞擊塊或多個(gè)高速重載液壓撞擊試驗(yàn)裝置協(xié)調(diào)控制，以滿(mǎn)足不同的撞擊能量要求，為今后高速重載撞擊試驗(yàn)裝置提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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