液壓約束活塞發(fā)動(dòng)機(jī)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)間隙誤差影響分析

孫龍飛　霍煒　樊華敏　臧政

摘要：針對(duì)液壓型約束活塞發(fā)動(dòng)機(jī)（hydraulic constrained piston engine，HCPE）主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度對(duì)系統(tǒng)流量特性的影響，本文以液壓約束活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，利用ADAMS和AMESim建立主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和液壓模型，分析系統(tǒng)間隙誤差對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、運(yùn)動(dòng)副作用力和流量脈動(dòng)特性的影響。研究結(jié)果表明，間隙誤差對(duì)系統(tǒng)的位移、速度等運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響不大;在氣缸與動(dòng)子活塞-滑塊、連桿大頭與曲軸曲柄之間存在間隙誤差，對(duì)其產(chǎn)生的作用力有較大影響，且隨著間隙誤差的增大而增大，從而影響系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)的使用壽命;間隙誤差對(duì)系統(tǒng)流量脈動(dòng)影響較大，導(dǎo)致零部件振動(dòng)增強(qiáng)，影響整機(jī)的使用性能。該研究為HCPE的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：HCPE; 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型; 間隙誤差; 流量脈動(dòng)

中圖分類號(hào)： TH113.2+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 1006-9798（2020）02-0104-06; DOI： 10.13306/j.1006-9798.2020.02.016

目前，在汽車、輪船等領(lǐng)域廣泛采用以傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再利用柱塞泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能的方式[1-2]。在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和柱塞泵組合系統(tǒng)中，由于內(nèi)燃機(jī)和柱塞泵串聯(lián)在一起，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且存在能量傳輸線路長(zhǎng)、利用效率低等問(wèn)題[3-5]。因此，在2009年青島大學(xué)設(shè)計(jì)出一種新型熱能-液壓能轉(zhuǎn)換裝置——液壓約束活塞發(fā)動(dòng)機(jī)（HCPE），該系統(tǒng)將內(nèi)燃機(jī)和柱塞式液壓泵集成，可解決傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)-柱塞泵組所存在的問(wèn)題[6]。HCPE的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、流量脈動(dòng)特性等是系統(tǒng)的主要特性，氣缸與動(dòng)子活塞-滑塊、連桿大頭與曲軸曲柄、動(dòng)子活塞-滑塊與活塞銷間產(chǎn)生的間隙誤差對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、運(yùn)動(dòng)副的作用力及流量脈動(dòng)特性等產(chǎn)生重要影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可靠性進(jìn)行研究，趙竹青等人[7]針對(duì)內(nèi)燃機(jī)的活塞-曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)可靠性方面進(jìn)行研究;李昌等人[8]運(yùn)用ADAMS軟件，采用有效長(zhǎng)桿理論模型，研究了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的可靠性;馮元生等人[9-12]對(duì)不同機(jī)構(gòu)之間的摩擦磨損進(jìn)行了分析，指出了對(duì)于磨損可靠性中存在的三大重要問(wèn)題，建立失效判據(jù)，并提出關(guān)于機(jī)構(gòu)磨損可靠性的模糊算法等。國(guó)內(nèi)還有很多學(xué)者針對(duì)飛機(jī)的升降起落、升降舵的操作以及飛機(jī)貨倉(cāng)門鎖等機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化[13-15]。同時(shí)，國(guó)外許多學(xué)者利用計(jì)算機(jī)仿真理論對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度及可靠性進(jìn)行仿真分析[16-19]?；诖?，本文主要以HCPE為研究對(duì)象，分析主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的間隙誤差對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、運(yùn)動(dòng)副作用力及流量特性的影響。該研究為HCPE的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1HCPE工作過(guò)程分析

1.1HCPE工作原理

軸向HDPE由3個(gè)工作室組成。其中，第1工作室即是燃燒系統(tǒng)工作室，它的原理與普通內(nèi)燃機(jī)燃燒室相同，有進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣4個(gè)沖程，動(dòng)子活塞-滑塊運(yùn)行4個(gè)沖程通過(guò)燃料燃燒產(chǎn)生一個(gè)工作循環(huán)的

內(nèi)能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。

第2工作室為液壓系統(tǒng)工作室，其工作原理與普通柱塞泵相同，有吸水和壓水兩個(gè)工作過(guò)程，是將直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成柱塞泵的液壓能。

第3工作室為輔助系統(tǒng)工作室，由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，限定了動(dòng)子活塞-滑塊運(yùn)動(dòng)的工作行程，因此確定動(dòng)子活塞-滑塊運(yùn)動(dòng)的上、下止點(diǎn)，以保證組件連續(xù)正常運(yùn)動(dòng)。此外，輔助系統(tǒng)還包括配氣、燃料供給、冷卻、潤(rùn)滑等多個(gè)系統(tǒng)，從而使整體工作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定時(shí)、配合、連續(xù)有效的運(yùn)行[20]。軸向HDPE工作原理如圖1所示。

1.2HCPE主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程

HCPE主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)受力圖如圖2所示。

工作的初始點(diǎn)在活塞的上止點(diǎn)，活塞的位移x為

因此，有

式中，h為動(dòng)子活塞-滑塊軸向長(zhǎng)度，m;r為曲軸曲柄半徑，m;l為連桿小頭和大頭的中心距，m;φ為曲軸轉(zhuǎn)角，rad;β為連桿擺角，rad。

2HCPE主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模型

首先給出HCPE的結(jié)構(gòu)參數(shù)，HCPE的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。其次利用ADAMS建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，ADAMS中的HCPE模型如圖3所示。利用AMESim建立液壓系統(tǒng)模型，AMESim中液壓系統(tǒng)模型如圖4所示。采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型可以對(duì)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、運(yùn)動(dòng)副之間的作用力、輸出流量脈動(dòng)特性進(jìn)行仿真。

3仿真分析

系統(tǒng)因設(shè)計(jì)、安裝等原因在氣缸與動(dòng)子活塞-滑塊、動(dòng)子活塞-滑塊與活塞銷、連桿大頭與曲軸曲柄間存在間隙誤差，本文討論上述間隙誤差對(duì)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、運(yùn)動(dòng)副之間作用力及流量脈動(dòng)特性的影響。

3.1間隙誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響

系統(tǒng)在氣缸與動(dòng)子活塞-滑塊產(chǎn)生的側(cè)向間隙誤差對(duì)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律產(chǎn)生影響。當(dāng)間隙誤差分別為0.04，0.16，0.22 mm，理想狀態(tài)時(shí)，動(dòng)子活塞-滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖5所示。

由圖5可以看出，氣缸與動(dòng)子活塞-滑塊之間的間隙誤差對(duì)動(dòng)子活塞-滑塊的位移、速度的影響較小，對(duì)組件的加速度影響較大，且間隙誤差越大，波動(dòng)越大，與理想狀態(tài)相比，在0.04，0.16，0.22 mm三個(gè)不同的間隙誤差下，加速度波動(dòng)幅值分別為6 213，8 041，11 911 m/s，波動(dòng)的平均值分別為1 104，1 477，2 252 m/s。由此可以說(shuō)明，間隙誤差的增大可導(dǎo)致較大的慣性力，影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

3.2間隙誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)副作用力的影響

系統(tǒng)在氣缸與動(dòng)子活塞-滑塊的間隙誤差，對(duì)其產(chǎn)生的側(cè)向力有影響，氣缸與動(dòng)子活塞-滑塊的側(cè)向力及波動(dòng)如圖6所示。同時(shí)，在連桿大頭與曲軸曲柄的間隙誤差，對(duì)曲軸曲柄豎直方向的作用力產(chǎn)生影響，連桿大頭與曲軸曲柄的豎直方向受力及波動(dòng)如圖7所示。

與理想狀態(tài)相比，在0.04，0.16，0.22 mm三個(gè)不同間隙誤差下，氣缸與動(dòng)子活塞-滑塊側(cè)向力的波動(dòng)幅值分別為2 922，4 038，5 533 N，波動(dòng)平均值分別為337.6，359.8，521.0 N;連桿大頭與曲軸曲柄在豎直方向上的受力波動(dòng)幅值分別為14 199，35 944，45 869 N。

由此表明，氣缸與動(dòng)子活塞-滑塊、連桿大頭與曲軸曲柄的間隙誤差增大，導(dǎo)致其受到的相互作用力增大，波動(dòng)增大，使構(gòu)件的使用壽命變短、使用可靠性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性降低。因此，需要提高主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度、使用壽命和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

3.3間隙誤差對(duì)流量脈動(dòng)的影響

1）動(dòng)子活塞-滑塊與活塞銷間隙誤差的影響。動(dòng)子活塞-滑塊和活塞銷間隙誤差對(duì)流量的影響如圖8所示。由圖8a可以看出，動(dòng)子活塞-滑塊與活塞銷間隙誤差的增大，使輸出流量脈動(dòng)也不斷增大;由圖8b可以看出，在0.04，0.06，0.08 mm的間隙誤差下，達(dá)到瞬時(shí)流量的差值分別為0.353，0.793，0.818 L/min。

2）氣缸與動(dòng)子活塞-滑塊間隙誤差的影響。氣缸與動(dòng)子活塞-滑塊的間隙誤差對(duì)流量的影響如圖9所示。由圖9a可以看出，氣缸與動(dòng)子活塞-滑塊間隙誤差的增大，使輸出流量脈動(dòng)的變大;由圖9b可以看出，在0.04，0.16，0.22 mm的間隙誤差下，達(dá)到瞬時(shí)流量差值的分別為0.953，1.668，2.046 L/min。

3）連桿大頭與曲軸曲柄間隙誤差的影響。連桿大頭與曲軸曲柄的間隙誤差對(duì)流量的影響如圖10所示。由圖10a可以看出，連桿大頭與曲軸曲柄間隙的誤差增大，使輸出流量脈動(dòng)也增大;由圖10b可以看出，在0.04，0.12，0.18 mm不同的間隙誤差下，達(dá)到的瞬時(shí)流量差值分別為1.016，1.293，2.178 L/min。

4結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)液壓約束活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)建立運(yùn)動(dòng)方程，利用ADAMS和AMESim建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型和液壓模型，對(duì)氣缸與動(dòng)子活塞-滑塊、動(dòng)子活塞-滑塊與活塞銷及連桿大頭與曲軸曲柄間隙誤差對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、運(yùn)動(dòng)副作用力及流量脈動(dòng)的影響進(jìn)行了仿真。在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面，系統(tǒng)的間隙誤差增大對(duì)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響較小，但加速度產(chǎn)生較大波動(dòng);在受力方面，隨著系統(tǒng)間隙誤差的增大，氣缸與動(dòng)子活塞-滑塊、連桿大頭與曲軸曲柄運(yùn)動(dòng)副之間受到的作用力也隨之增大，使構(gòu)件磨損加快，使用壽命降低;在流量脈動(dòng)方面，隨著間隙誤差不斷增大，流量脈動(dòng)也隨之增大，使液壓系統(tǒng)在使用過(guò)程中振動(dòng)增加，噪聲增大，降低了系統(tǒng)的使用壽命，影響整機(jī)使用性能。液壓約束活塞發(fā)動(dòng)機(jī)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性還受尺寸誤差、綜合誤差等影響，考慮尺寸誤差運(yùn)動(dòng)學(xué)輸出方程、尺寸誤差影響方式等原因，本文未解決尺寸誤差對(duì)主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可靠性的影響。該研究為以后雙元?jiǎng)恿Φ难芯刻峁┝烁由詈竦睦碚摶A(chǔ)。

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Influence Analysis of Clearance Error in Main Constraint System of Hydraulic Confined Piston Engine

SUN Longfei， HUO Wei， FAN Huamin， ZANG Zheng

（School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：Aiming at the influence of the motion accuracy of the main motion system of the hydraulic constrained piston engine （HCPE） on the flow characteristics of the system， this paper the hydraulic constrained piston engine as the research object. The kinematics model of main kinematics system using ADAMS and the hydraulic model of the main kinematics system using AMESim are established to analyze the effect of the system clearance error on the system motion law， motion side-effect force and flow pulsation characteristics. The research results show that： the clearance error has little effect on the movement laws of the system's displacement and speed， etc; the clearance error between the cylinder and the mover piston-slider， the connecting rod head and the crankshaft has a large effect on the force produced by it and it increases with the increase of the clearance error， which affects the system's motion stability and reduces the service life of the system; the clearance error has a greater effect on the system flow pulsation， resulting in increased vibration of parts and components and affecting the performance of the entire machine. The research provides a theoretical basis for the optimal design of HCPE.

Key words：HCPE; Kinematics model; Clearance Error; flow pulse

收稿日期： 2019-12-18; 修回日期： 2020-02-10

基金項(xiàng)目： 山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017GGX50106）

作者簡(jiǎn)介： 孫龍飛（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v節(jié)能減排與新能源技術(shù)。

通信作者： 霍煒，女，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檐囕v節(jié)能減排與新能源技術(shù)。 Email： qdhuowei@126.com