重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸脹孔特性研究

張家昌，肖志權(quán)，張海波，張明明，庹明偉

重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸脹孔特性研究

張家昌1，肖志權(quán)*1，張海波2，張明明3，庹明偉3

（1.武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.湖北文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053；3.東風(fēng)（十堰）汽車液壓動(dòng)力有限公司，湖北 十堰 442000）

為分析重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸異形孔脹孔流量特性，采用流場(chǎng)有限元分析的方法對(duì)不同溫度下的脹孔通流進(jìn)行數(shù)值分析，并對(duì)多組流場(chǎng)分析數(shù)值結(jié)果進(jìn)行函數(shù)擬合，得到不同溫度下脹孔的孔口流量特性方程，及溫度與孔口形狀系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系。運(yùn)用上述方法，針對(duì)某型重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸的缸筒尾部為4個(gè)異形孔的脹孔進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該脹孔符合短孔特征，其孔口形狀系數(shù)與溫度呈冪函數(shù)關(guān)系。進(jìn)而對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)進(jìn)行了基于AMESim仿真分析，分析結(jié)果顯示，仿真計(jì)算值與擬合公式計(jì)算值基本一致，故針對(duì)實(shí)例得出這種分析脹孔的方法是可行的。

液壓翻轉(zhuǎn)缸；重卡；脹孔；流場(chǎng)分析；擬合

隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)重卡需求量的急劇上升，2020年1-8月中國(guó)重卡累計(jì)銷量約108.35萬(wàn)輛，累計(jì)同比增幅擴(kuò)大到35%，重卡成為了長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ遊1]。每臺(tái)重卡都要配置一套駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通常有機(jī)械翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，考慮到可操作性、可靠性等因素，大多數(shù)重卡的駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)因其提供的翻轉(zhuǎn)力矩大、運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠而越來(lái)越多地應(yīng)用于商用車、自卸車、中型、重型卡車車型上。液壓翻轉(zhuǎn)缸作為運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件，以液壓為動(dòng)力使駕駛室繞駕駛室翻轉(zhuǎn)軸有限度的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)駕駛室的舉升、翻轉(zhuǎn)、下降、收回等動(dòng)作的完成[2]。針對(duì)駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及翻轉(zhuǎn)缸領(lǐng)域?qū)W術(shù)界已有一些相關(guān)研究，其中李偉等[3]對(duì)差動(dòng)液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了分析和測(cè)試，何嘉欣[4]、徐金志[5]對(duì)重卡駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，張懷亮[6]等針對(duì)基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)液壓缸動(dòng)態(tài)特性的影響進(jìn)行了分析，于保軍等和韓以倫等[7-8]針對(duì)翻轉(zhuǎn)缸的實(shí)際工況，設(shè)計(jì)出一種試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)系統(tǒng)，李偉等和蔣俊等[9-10]針對(duì)活塞與缸筒間的密封間隙進(jìn)行了流場(chǎng)仿真分析，薛旭華等和常凱等[11-12]通過(guò)有限元分析的方法對(duì)液壓缸密封圈的磨損進(jìn)行了研究。

盡管已有上述相關(guān)研究，但注意到鮮有關(guān)于液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸懸置狀態(tài)下，翻轉(zhuǎn)缸尾部脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系的研究。因所需的活塞與缸筒間脹孔流量值與脹孔兩端壓差值在實(shí)際運(yùn)用中不易測(cè)得，故本文針對(duì)重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸異形孔脹孔流量特性不清晰等問(wèn)題，以某重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸為例，在對(duì)其脹孔進(jìn)行Fluent流場(chǎng)仿真分析和擬合的基礎(chǔ)上，分析了不同溫度下脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系及溫度與孔口形狀系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，并對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)下進(jìn)行了AMESim仿真分析。

1 脹孔的描述和分析

為了滿足駕駛舒適性要求，液壓翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)下，駕駛室由懸置鎖緊缸可靠的鎖緊支撐。由于液壓翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)下，隨駕駛室做上下自由浮動(dòng)，液壓翻轉(zhuǎn)缸一般選用脹孔式液壓翻轉(zhuǎn)缸。液壓翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)下，脹孔作為有桿腔和無(wú)桿腔流量互通的主要通道。脹孔的大小對(duì)兩腔的油液能否及時(shí)的流入或流出起著重要的作用，其中，液壓翻轉(zhuǎn)缸無(wú)桿腔的油液因不能及時(shí)的流入或流出，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的兩腔壓力差，從而形成較大的懸置態(tài)阻力。所以需要針對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)缸脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行研究，因液壓翻轉(zhuǎn)缸尾部脹孔為多個(gè)異形孔，不能直接得到其流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系，所以針對(duì)這一類型的脹孔，主要的研究步驟如下：

1.1 脹孔模型的建立

如圖1所示，脹孔式液壓翻轉(zhuǎn)缸尾部脹孔的尺寸大于活塞的直徑1，尾部脹孔的長(zhǎng)度大于活塞上下浮動(dòng)量，這樣可以避免活塞與缸筒產(chǎn)生干涉[4]。尾部脹孔實(shí)際的形狀如圖2所示。

圖1 脹孔式液壓翻轉(zhuǎn)缸

圖2 尾部脹孔模型

1.2 流場(chǎng)分析

為研究脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系，采用Fluent仿真軟件對(duì)脹孔流體域進(jìn)行仿真分析。Fluent在進(jìn)行仿真分析時(shí)，首先應(yīng)該對(duì)建立的流體計(jì)算域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和流體邊界條件的設(shè)置，前處理完成后對(duì)流體計(jì)算域模型進(jìn)行仿真參數(shù)的設(shè)置，然后利用求解器對(duì)流體模型進(jìn)行求解計(jì)算，最后對(duì)所求出的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理。液壓翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)下，活塞的運(yùn)動(dòng)速度較小，液體在液壓翻轉(zhuǎn)缸兩腔壓差作用下而在脹孔中流動(dòng)[4]。故采用流場(chǎng)分析的方法，對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)缸的活塞和缸筒相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下，脹孔的流量和壓差特性進(jìn)行研究，得到不同流量下脹孔進(jìn)出口的壓差，考慮到溫度對(duì)脹孔流量與壓差特性的影響，對(duì)不同溫度下脹孔的流量與壓差特性進(jìn)行研究，得到不同溫度下脹孔流量與壓差的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)學(xué)模型擬合分析

為得到符合數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而更好的理解數(shù)據(jù)背后的數(shù)學(xué)、物理意義。孔口的流量壓力方程為：

式中：為流量；為孔口形狀系數(shù)；為孔口截面面積；△為孔口前后的壓力差；為由孔口形狀決定的指數(shù)。

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)關(guān)系的擬合，通過(guò)擬合的方法，得出脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系式。并對(duì)溫度與脹孔孔口形狀系數(shù)進(jìn)行擬合，通過(guò)多次擬合發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)擬合效果最好，進(jìn)而得到溫度與脹孔孔口形狀系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

1.4 液壓翻轉(zhuǎn)缸懸置狀態(tài)下仿真分析

建立基于AMESim液壓翻轉(zhuǎn)缸的仿真模型，方式一將脹孔等效簡(jiǎn)化為AMESim阻尼孔模型，輸入Fluent仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；方式二將脹孔擬合公式輸入到AMESim液壓翻轉(zhuǎn)缸仿真模型中，進(jìn)行AMESim仿真，將AMESim仿真計(jì)算值與脹孔擬合公式計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，確保AMESim仿真計(jì)算值的準(zhǔn)確性，同時(shí)能夠確保仿真模型的合理性。下面針對(duì)某重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸，進(jìn)行實(shí)例仿真分析。

2 某液壓翻轉(zhuǎn)缸脹孔流場(chǎng)分析

2.1 流體模型的建立

以某重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸的尾部脹孔為例，脹孔的大小如圖3所示，對(duì)其流體計(jì)算域進(jìn)行建模，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，創(chuàng)建的流體計(jì)算域模型如圖4所示。

圖3 二維脹孔模型

圖4 脹孔計(jì)算模型

2.2 仿真設(shè)置

針對(duì)此種類型液壓翻轉(zhuǎn)缸的脹孔中10號(hào)航空液壓油的參數(shù)，設(shè)置材料屬性為fluid，液壓翻轉(zhuǎn)缸10號(hào)航空液壓油，密度為850 kg/m3，40 ℃動(dòng)力粘度為0.0105 Pa·s[13]，穩(wěn)態(tài)求解，層流。仿真時(shí)，流場(chǎng)入口條件采用質(zhì)量流動(dòng)入口邊界，出口條件采用自由出流邊界，流量權(quán)重設(shè)置為1，默認(rèn)壁面無(wú)滑移。

2.3 計(jì)算仿真模型

根據(jù)對(duì)工況的了解，液壓翻轉(zhuǎn)缸處于懸置狀態(tài)下，振動(dòng)頻率為1Hz，流過(guò)脹孔的流量變化范圍為0-6 L/min，本文均勻取13個(gè)入口流量值，間隔為0.5 L/min，考慮到溫度對(duì)脹孔流量與壓差特性的影響，分別對(duì)30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃下的流量與壓差特性進(jìn)行仿真分析，將4種溫度下脹孔的流量與壓差變化值整理成表，具體的流量與壓差變化如表1所示。

表1 4種溫度下脹孔的流量與壓差變化

通過(guò)上述4種溫度下脹孔的流量與壓差變化的數(shù)據(jù)表格可以發(fā)現(xiàn)，同一通流量下，隨著油液的溫度由30 ℃上升到60 ℃，脹孔進(jìn)出口的壓差將不斷地減小，從表格縱向看，同一溫度下，隨著脹孔通流量的增加，脹孔進(jìn)出口的壓差將不斷地增大。

根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，嘗試將表格中的數(shù)據(jù)圖形化，從而更加形象的表達(dá)數(shù)據(jù)中的規(guī)律[14]。

2.4 仿真結(jié)果擬合分析

式（2）中：為流量；為壓差△；為孔口形狀系數(shù)與面積的乘積；為孔口形狀決定的指數(shù)。

擬合得出的曲線如圖5所示。

圖5 不同溫度下脹孔流量與壓差關(guān)系

根據(jù)上述擬合的結(jié)果，可以看出通過(guò)脹孔的流量與脹孔進(jìn)出口的壓差呈冪函數(shù)關(guān)系，該脹孔的0.5<<1，所以該脹孔符合短孔特征[15]。通過(guò)Origin擬合得出4種溫度下脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系式，其30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃擬合效果評(píng)價(jià)值R分別為0.99978、0.99974、0.99971、0.99969，說(shuō)明脹孔的流量與壓差關(guān)系非常符合冪函數(shù)關(guān)系，即30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃擬合后的數(shù)學(xué)關(guān)系式如表2所示：

表2 不同溫度下脹孔的數(shù)學(xué)關(guān)系式

經(jīng)計(jì)算，進(jìn)一步的擬合公式，在m值確定的情況下，進(jìn)一步擬合得出的曲線如圖6所示：

在值確定的情況下，通過(guò)Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步擬合得出4種溫度下脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系式，其30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃擬合效果評(píng)價(jià)值2分別為0.99961、0.99979、0.99974、0.99958，將進(jìn)一步擬合得出的數(shù)學(xué)關(guān)系式整理成表，如表3所示。

表3 m一定時(shí)不同溫度下脹孔的數(shù)學(xué)關(guān)系式

由于不同溫度下，各流量與壓差特性曲線是不同的，4種溫度值將會(huì)有4個(gè)關(guān)系式反映脹孔的通流量與脹孔進(jìn)出口的壓差變化，為了綜合考慮溫度對(duì)脹孔通流量與脹孔進(jìn)出口壓差關(guān)系的影響，需要將溫度對(duì)脹孔孔口形狀系數(shù)的影響整合成一個(gè)關(guān)系式，經(jīng)計(jì)算30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃分別對(duì)應(yīng)的孔口形狀系數(shù)為0.00074、0.00089、0.00102、0.00114，為了形象的表示溫度與孔口形狀系數(shù)之間的關(guān)系，通過(guò)多次擬合嘗試發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)擬合效果最好，擬合得出的曲線如圖7所示。

圖7 溫度與孔口形狀系數(shù)的關(guān)系

由上述擬合曲線可知，溫度與孔口形狀系數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系，其擬合效果評(píng)價(jià)值2等于0.99984，說(shuō)明溫度與孔口形狀系數(shù)關(guān)系非常符合冪函數(shù)關(guān)系，即：

（4）

上述擬合得出的規(guī)律公式僅適用于此種大小、尺寸、結(jié)構(gòu)相同的脹孔。

3 AMESim仿真分析

3.1 AMESim建模

在AMESim仿真建模中，因液壓翻轉(zhuǎn)缸尾部脹孔的形狀為不規(guī)則圓環(huán)，為了分析脹孔的形狀和尺寸對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)缸的影響：

建模方式一：將脹孔等效簡(jiǎn)化為 AMESim 阻尼孔模型，將 10 號(hào)航空液壓油 40 ℃下 的流場(chǎng)分析得到的仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到 AMESim 表格編輯器中，保存為 data 文件，然后以數(shù)據(jù)表格的形式設(shè)置到 AMESim 阻尼孔子模型參數(shù) filenameq 中，AMESim數(shù)據(jù)表格如圖8所示，液壓翻轉(zhuǎn)缸的建模如圖9所示。

圖8 AMESim數(shù)據(jù)表格

圖9 液壓翻轉(zhuǎn)缸的AMESim仿真模型

圖10 信號(hào)庫(kù)形式的模型

圖11 包含輸入輸出符號(hào)的翻轉(zhuǎn)缸模型

3.2 仿真分析

為確保AMESim仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究選擇將AMESim仿真計(jì)算得到的壓差值與擬合公式計(jì)算出的壓差值進(jìn)行對(duì)比。在1.8 L/min-3.6 L/min間均勻的取4組，間隔0.6 L/min，將脹孔等效簡(jiǎn)化為AMESim阻尼孔模型，通過(guò)AMESim仿真分析，仿真得出壓差值與擬合公式計(jì)算得出壓差值對(duì)比如表4所示。

表4 AMESim仿真值與公式計(jì)算值對(duì)比

將脹孔擬合公式輸入到AMESim液壓缸仿真模型中，通過(guò)AMESim仿真分析，仿真得出壓差值與擬合公式計(jì)算得出壓差值對(duì)比如表5所示。

表5 AMESim仿真值與公式計(jì)算值對(duì)比

通過(guò)表4、表5對(duì)比分析可以看出：方式一將脹孔等效簡(jiǎn)化為AMESim阻尼孔模型，方式二將脹孔擬合公式輸入到AMESim仿真模型中，兩種建模方式仿真計(jì)算得到的壓差值與擬合公式計(jì)算得到的壓差值數(shù)量級(jí)相同，誤差基本上在1%左右，說(shuō)明AMESim仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而說(shuō)明AMESim仿真模型能夠反映真實(shí)的脹孔通流情況，同時(shí)能夠保證仿真模型的合理性。

4 結(jié)論

針對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸的脹孔為異形孔，為了分析其流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系，采用流場(chǎng)分析和擬合的方法，得到脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系。通過(guò)這種方式對(duì)某液壓翻轉(zhuǎn)缸尾部脹孔進(jìn)行了Fluent流場(chǎng)分析，考慮到溫度對(duì)脹孔流量與壓差特性的影響，進(jìn)一步對(duì)4種溫度下的脹孔的流量與壓差特性進(jìn)行了仿真分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析得到了4種溫度下脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系式，進(jìn)而得到溫度與孔口形狀系數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。為確保AMESim仿真結(jié)果準(zhǔn)確性，將AMESim仿真結(jié)果與擬合公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差基本上在1%左右，說(shuō)明針對(duì)翻轉(zhuǎn)缸為異形孔脹孔，采用流場(chǎng)分析和擬合的方法，這種分析方法是可行的。

[1] 2020年8月中國(guó)重卡行業(yè)市場(chǎng)分析：市場(chǎng)需求依舊旺盛累計(jì)銷量突破100萬(wàn)輛[EB/OL]. https://bg. qianzhan. com/report/detail/300/200903-e84088d0.html.

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Research on Expansion Orifice Characteristics of Overturning Cylinder of Heavy Truck Cab's Hydraulic Turnover Mechanism

ZHANG Jia-chang1, XIAO Zhi-quan1, ZHANG Hai-bo2, ZHANG Ming-ming3, TUO Ming-wei3

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200,China; 2.School of Mechanical Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang Hubei 441053,China;3.Dongfeng (Shiyan) Automobile Hydraulic Power Co., Ltd, Shiyan Hubei 442000,China)

Towards the noncircular expanded orifices of overturning cylinder of the hydraulic turning mechanism of heavy truck cab, flow field finite element analysis is adopted to numerically analyze the flow characteristics of the expanded orifices at different temperatures at suspension state. Fitting analysis is then carried out on the numerical results. As a result, the orifice flow characteristic equation of the noncircular expanded orifices can be obtained, together with the mathematical relationships between temperature and orifice shape coefficient. With this method, a special case, an overturning cylinder of the hydraulic turning mechanism of heavy truck cab with 4 noncircular expanded orifices, is studied. The results show that the expanded orifices conforms to short orifice characteristics, and there is a power function relationship between orifice shape coefficient and working temperature. Furthermore, a simulation analysis based on AMESim is conducted at the suspension state of the hydraulic overturning cylinder. The simulation results show that the calculated value of the simulation is basically the same as the calculated value of the fitting formula, which validates the analytical method.

hydraulic overturning cylinder; heavy truck cab; expanded orifice; flow field analysis; fitting

肖志權(quán)（1971-），男，副教授，博士，研究方向：流體傳動(dòng)與控制.

湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目（B2020142）.

TH137.51；U463.8

A

2095－414X(2022)02－0021－06