液壓波形器動(dòng)態(tài)特性分析及波形控制方法研究

摘要：制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展對(duì)國防建設(shè)、航空航天技術(shù)研究及農(nóng)業(yè)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展都具有重大意義?；谝簤汗?jié)流耗能原理，建立描述波形器動(dòng)態(tài)特性的非線性數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值仿真，同時(shí)對(duì)影響波形器性能的幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行了討論分析，探究如何通過有規(guī)律地對(duì)波形器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使所產(chǎn)生的波形幅值和脈寬符合沖擊實(shí)驗(yàn)所需的脈沖波形要求并使末端平穩(wěn)歸零，以此來提高加速度波形的置信度。液壓波形器的波形調(diào)節(jié)簡單，實(shí)現(xiàn)了對(duì)波形器的多樣化設(shè)計(jì)，可保證實(shí)際生產(chǎn)的需要。

關(guān)鍵詞：液壓波形器；沖擊脈沖；數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：S663.9；F326" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1674-1161（2024）02-0031-05

在沖擊試驗(yàn)中，為了可以按預(yù)先設(shè)定的加速度曲線對(duì)運(yùn)動(dòng)負(fù)載實(shí)施緩沖制動(dòng)，并符合試驗(yàn)要求，所以對(duì)各種結(jié)構(gòu)的緩沖設(shè)備及性能的研究十分受到重視。液壓波形器的波形發(fā)生器可以通過流體等各種節(jié)流形式組合產(chǎn)生阻尼力并作用在運(yùn)動(dòng)負(fù)載上，使運(yùn)動(dòng)負(fù)載產(chǎn)生所需要的加速度波形，還可以很方便地通過調(diào)節(jié)節(jié)流孔的通流面積來調(diào)節(jié)阻尼力的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)加速度波形。調(diào)節(jié)裝置的緩沖結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大流量的緩沖制動(dòng)，而且緩沖加速度的峰值與脈寬可大范圍調(diào)節(jié)，特別是在不同的初始速度下能夠?qū)崿F(xiàn)與脈寬相同的緩沖制動(dòng)。因此對(duì)波形器加速度波形控制的方法進(jìn)行研究具有重要意義。王貢獻(xiàn)等[1]基于液壓節(jié)流耗能原理，提出一種被動(dòng)式液壓波形發(fā)生器，它的沖擊臺(tái)在0 ms內(nèi)動(dòng)量變化量很大的條件下，要想得到理想的加速度負(fù)波波形，可基于前饋控制策略的液壓波形發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。該被動(dòng)式液壓波形器的波形調(diào)節(jié)簡單可行，通過調(diào)整節(jié)流孔的通流截面就可實(shí)現(xiàn)對(duì)阻尼力的調(diào)節(jié)。王貢獻(xiàn)等[2]還提出一種并聯(lián)結(jié)構(gòu)式液壓波形器，試件加速度波形的幅值和脈寬對(duì)徑向間隙的變化非常敏感，哪怕后者有微小變化，波形變化就會(huì)非常大。通過改變可調(diào)阻尼孔的直徑而得到的加速度波形，其相對(duì)于阻尼孔通流面積的變化非常明顯。因此，可以通過調(diào)節(jié)阻尼孔的通流面積來達(dá)到調(diào)節(jié)沖擊波形的目的。但速度曲線在低速區(qū)有很長的 “尾巴”，這表明波形發(fā)生器在高速區(qū)對(duì)試件有很好的制動(dòng)效果，而在低速區(qū)的性能則較差。王成龍等[3]提出一種多孔式液壓波形器，基于仿真模型來調(diào)整部分參數(shù)并分析這些參數(shù)對(duì)波形的影響，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量越大，碰撞后期的加速度值就越高，而且合適質(zhì)量的質(zhì)量塊波形平緩，形狀近似矩形，緩沖效率也較高。

不同質(zhì)量塊對(duì)波形有不同的影響。隨著速度的增加，質(zhì)量塊的加速度峰值、加速度平均值均會(huì)增加，但響應(yīng)時(shí)間會(huì)縮短。

綜上對(duì)波形有影響的參數(shù)主要有節(jié)流直徑、載荷速度、徑向間隙、改變阻尼腔的阻尼孔的等效直徑、負(fù)載速度等，但是調(diào)節(jié)活塞與節(jié)流環(huán)之間的間隙在實(shí)際操作中非常麻煩。針對(duì)上述問題，提出一種被動(dòng)式液壓波形器，該波形器采用內(nèi)置阻尼孔與外接節(jié)流閥的聯(lián)合作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的制動(dòng)?；谝簤汗?jié)流耗能原理，建立了描述波形器動(dòng)態(tài)特性的非線性數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了數(shù)值仿真，同時(shí)對(duì)影響波形器性能的幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行了討論分析，最后通過AMESIM仿真對(duì)上述模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的新型液壓波形器，通過有規(guī)律地對(duì)波形器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，所產(chǎn)生的波形幅值和脈寬均符合沖擊實(shí)驗(yàn)所需的脈沖波形要求并使末端平穩(wěn)歸零，這有利于提高加速度波形的置信度。

1 液壓波形器的數(shù)學(xué)建模

1.1 液壓波形器的工作原理

液壓波形器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

液壓波形器的主要功能是通過油液運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的阻尼力來對(duì)質(zhì)量塊進(jìn)行制動(dòng)，進(jìn)而使質(zhì)量塊獲得制動(dòng)加速度。液壓波形器由活塞、活塞桿、阻尼腔、回油腔、節(jié)流孔和串聯(lián)的兩個(gè)可調(diào)節(jié)流孔組成。質(zhì)量塊以初速度撞擊活塞桿，活塞桿帶動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng)，并擠壓無桿腔內(nèi)的油液，一部分油液通過活塞和外殼內(nèi)壁形成的環(huán)形間隙流回有桿腔，另一部分油液從節(jié)流孔經(jīng)過可調(diào)節(jié)流孔流回有桿腔。這一過程可使油液獲得阻尼力，吸收和消耗動(dòng)能，并使質(zhì)量塊減速直至停止，最終獲得一個(gè)制動(dòng)加速度曲線。

1.2 液壓波形器的數(shù)學(xué)模型

為了建立液壓波形發(fā)生器的數(shù)學(xué)模型，需要對(duì)其內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)及每個(gè)通道中的流體流量和壓力之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。

1.2.1 壓力方程

1） 在環(huán)形間隙處引起的局部壓力損失：

[?p1=12μlπDδ3Q1]

D為活塞直徑；μ為流體動(dòng)力粘度；l為環(huán)形間隙長度；δ為環(huán)形間隙；Q1為通過環(huán)形間隙流量。

2）由于通流面積突縮，引起的局部壓力損失：

[?p2=ρξ12（Q1A1）2]

[ξ1=0.5（1-A1A2）]

[A1=π[D2-（D-2δ）2]4]

[A2=14πD2]

ρ為流體密度；ζ1為局部壓力損失系數(shù)；A1為環(huán)形間隙通流面積；A2為有效作用面積。

1.2.2 流量方程

1）總流量

[Q=A2X]（6）

2）通過環(huán)形間隙的流量Q1：總壓力損失

[p=?p1+?p2=p1-p2]

[R1=12μlπDδ3" " "R2=ρξ12A12]

[Q1=R12+4R2（p1-p2）-R12R2]

3）可調(diào)節(jié)流口的流量Q2：

[Q2=2Cd22Cd22Ad12Ad22ρ（Cd12Ad12+Cd22Ad22）p1-p2]

[Ad1=14πdd12" "Ad2=14πdd22]

其中，K為節(jié)流系數(shù)；Cd1、Cd2為流量系數(shù)；Ad1為節(jié)流孔面積；Ad2為可調(diào)節(jié)流孔的面積。

4）由于液體壓縮性，引起的流量：

[Qc=A2（L-X）βedpdt]

L為活塞行程；βe為油液體積彈性模量；K為節(jié)流系數(shù)；Cd1、Cd2為流量系數(shù)；Ad1為節(jié)流孔面積；Ad2為可調(diào)節(jié)流孔的面積。

1.2.3 運(yùn)動(dòng)方程

[mx=p2A3-p1A2-Ff]

[A3=14πd2]

d為活塞桿直徑；m為質(zhì)量；Ff為液壓缸摩擦力；βe為體積彈性模量。

數(shù)學(xué)模型為：

[dvdt=1m（p2A3-p1A2-Ff）dp1dt=4βeπD2L-x（Q-Q1-Q2）dxdt=v]

2 基于MATLAB液壓波形器工作過程的仿真分析

2.1 沖擊速度對(duì)波形的影響

不同沖擊速度下的活塞特性曲線如圖2所示。

選定的質(zhì)量塊質(zhì)量為2 000 kg。分析質(zhì)量塊以不同的速度撞擊活塞，對(duì)液壓波形器的活塞特性曲線的影響。結(jié)果表明，在控制波形器其他物理參數(shù)不變的情況下，隨著沖擊速度的增大，脈沖峰值也隨之增大，但達(dá)到脈沖峰值的時(shí)間會(huì)延后，脈寬也會(huì)減小。

2.2 負(fù)載質(zhì)量對(duì)波形的影響

不同負(fù)載質(zhì)量下的活塞特性曲線如圖3所示。

選定速度為2.5 m/s。分析以不同質(zhì)量的負(fù)載撞擊活塞，對(duì)液壓波形器的活塞特性曲線的影響。結(jié)果表明，在控制波形器其他物理參數(shù)不變的情況下，隨著負(fù)載質(zhì)量的增大，脈沖峰值也隨之增大，但達(dá)到脈沖峰值的時(shí)間會(huì)延后，脈寬也會(huì)減小。此外，還發(fā)現(xiàn)在其他參數(shù)不變的情況下，負(fù)載質(zhì)量存在理想值，可以實(shí)現(xiàn)加速度、速度在沖擊脈沖結(jié)束時(shí)同時(shí)降至0，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理想脈沖波形。若沖擊負(fù)載質(zhì)量低于理想值會(huì)出現(xiàn)回彈波動(dòng)的現(xiàn)象，若沖擊負(fù)載質(zhì)量高于理想值會(huì)出現(xiàn)加速度波形末尾不能快速降至為0的現(xiàn)象。

2.3 節(jié)流孔直徑的大小對(duì)波形的影響

不同節(jié)流孔直徑下的活塞特性曲線如圖4所示。

負(fù)載質(zhì)量為2 000 kg。分析不同的節(jié)流孔直徑對(duì)液壓波形器的活塞特性曲線的影響。結(jié)果表明，在控制波形器其他物理參數(shù)不變的情況下，隨著節(jié)流孔直徑的增大，脈沖峰值也隨之增大，但達(dá)到脈沖峰值的時(shí)間會(huì)延后，脈寬也會(huì)減小。此外，還發(fā)現(xiàn)在其他參數(shù)不變的情況下，節(jié)流孔直徑存在理想值，可以實(shí)現(xiàn)加速度、速度在沖擊脈沖結(jié)束時(shí)同時(shí)降至0，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理想脈沖波形。若節(jié)流孔直徑低于理想值會(huì)出現(xiàn)回彈波動(dòng)的現(xiàn)象，若節(jié)流孔直徑質(zhì)量高于理想值會(huì)出現(xiàn)加速度波形末尾不能快速降至為0的現(xiàn)象。

2.4 環(huán)形間隙直徑的大小對(duì)波形的影響

不同環(huán)形間隙下的活塞特性曲線如圖5所示。

選定的可調(diào)節(jié)流孔直徑為4.5 mm。分析不同的環(huán)形間隙直徑對(duì)液壓波形器的活塞特性曲線的影響。可以看出，環(huán)形間隙直徑的變化，導(dǎo)致了阻尼孔通流面積的變化，而這一變化對(duì)脈沖波形的影響非常顯著，負(fù)載脈沖的幅值和脈寬對(duì)環(huán)形間隙的變化非常敏感，哪怕后者有微小變化，波形變化也會(huì)非常大。

3 液壓波形器AMESIM動(dòng)態(tài)特性分析

使用AMESIM軟件建立仿真模型。將所選元件進(jìn)行合理連接，組成液壓波形器的仿真模型，如圖6所示。

選定負(fù)載質(zhì)量為2 000 kg，以不同的沖擊速度撞擊活塞，液壓波形器會(huì)產(chǎn)生活塞加速度特性曲線。不同負(fù)載質(zhì)量下的活塞加速度時(shí)間曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，沖擊速度每增加1 m/s，活塞特性曲線的加速度幅值就會(huì)增加50 m/s2，活塞所受的阻力也會(huì)增大，但脈沖曲線達(dá)到峰值的時(shí)間被延長，脈寬也隨之增大。因此，沖擊速度不能取得過小，否則脈寬偏大，加速度無法快速減為0。

速度曲線在低速區(qū)有很長的“尾巴”，這表明脈沖發(fā)生器在運(yùn)動(dòng)負(fù)載的高速區(qū)具有很好的耗能制動(dòng)效果，而在運(yùn)動(dòng)負(fù)載的低速區(qū)制動(dòng)性能則較差。

選定沖擊速度2.5 m/s，用不同負(fù)載質(zhì)量的質(zhì)量塊撞擊活塞，使液壓波形器產(chǎn)生活塞特性曲線，如圖8所示。

從圖8可以看出，負(fù)載質(zhì)量的增加，導(dǎo)致加速度的波形幅值減小、脈寬增大，活塞所受的阻尼力也隨之減小，加速度曲線會(huì)更晚達(dá)到峰值。因此，負(fù)載質(zhì)量不能取得過大，否則脈寬偏大，加速度無法快速減為0。

液壓波形器在負(fù)載為2 000 kg、以2.5 m/s的速度進(jìn)行沖擊的情況下，取不同的節(jié)流孔直徑的波形發(fā)生器所產(chǎn)生的活塞加速度波形曲線如圖9所示。

從圖9可以看出，加速度波形曲線在0.015 s左右達(dá)到峰值，隨著節(jié)流孔直徑的增大，加速度幅值會(huì)減小，活塞所受的阻力也會(huì)減小，且脈沖曲線會(huì)更早達(dá)到峰值，脈寬也隨之增大。因此，節(jié)流孔的直徑不宜取得過大，否則脈寬偏大，加速度無法快速減為0。

取可調(diào)節(jié)流孔的直徑為4.5 mm，不同環(huán)形間隙下的波形發(fā)生器所產(chǎn)生的活塞加速度波形曲線如圖10所示。

從圖10可以看出，加速度波形曲線在0.015 s左右達(dá)到峰值，隨著環(huán)形間隙直徑的增大，加速度幅值減小至10 m/s2，活塞所受的阻力也會(huì)減小，且脈沖曲線會(huì)更早達(dá)到峰值，脈寬也隨之增大。由此可知。環(huán)形間隙不宜取得過大，否則脈寬偏大，加速度無法快速減為0。

4 結(jié)論

基于液壓波形器的工作原理，建立了波形器制動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真分析，結(jié)論概括如下：

1）該被動(dòng)式液壓波形發(fā)生器適用于動(dòng)量變化大、無法用主動(dòng)方式控制阻尼力的工程場(chǎng)合及農(nóng)業(yè)機(jī)械對(duì)耕深和仿形機(jī)構(gòu)的微量調(diào)節(jié)等方面。對(duì)于沖擊速度提高或負(fù)載減小的工況，可通過增大節(jié)流閥的通流截面直徑或減小活塞到缸底的初始距離來獲取平穩(wěn)波形，反之亦然。

2）所設(shè)計(jì)的液壓波形器的波形調(diào)節(jié)簡單可行，通過調(diào)整節(jié)流閥的通流截面和缸內(nèi)活塞的初始位置可實(shí)現(xiàn)對(duì)阻尼力的調(diào)節(jié)；在保證產(chǎn)生理想波形的條件下，該波形器的加速度脈沖的脈寬和峰值可以在30～70 ms和5～20 g的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3）該液壓波形器可用于低速或高速?zèng)_擊試驗(yàn)，對(duì)運(yùn)動(dòng)負(fù)載的制動(dòng)效果好，能夠很好地控制波形，并使系統(tǒng)平穩(wěn)有效地正常工作。同時(shí)在沖擊實(shí)驗(yàn)過程中，可以根據(jù)實(shí)際工況的需要來改變節(jié)流閥閥口的大小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)波形器的多樣化設(shè)計(jì)，可保證實(shí)際生產(chǎn)的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 王貢獻(xiàn)， 褚德英， 沈榮瀛.被動(dòng)式液壓沖擊波形發(fā)生器動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)建模與仿真[J].振動(dòng)與沖擊， 2007，26（7）：63-69.

[2] 王貢獻(xiàn)， 胡吉全， 汪玉， 等. 并聯(lián)結(jié)構(gòu)液壓波形發(fā)生器的動(dòng)態(tài)特性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版）， 2008，32（3）： 533-536.

[3] 王成龍，魏學(xué)謙，王雪亭，等.一種多孔式液壓緩沖器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].機(jī)床與液壓，2021，49（16）：82-86+97.

Dynamic Characteristic Analysis and Waveform Control Method Research of Hydraulic Waveform Device

WANG Yuqi，MENG Xiansong

（School of mechanical engineering， Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China）

Abstract： The development of braking technology is of great significance to the construction of national defense， the research of aerospace technology and the further development of agricultural industry technology. Based on the principle of hydraulic throttling energy consumption， a nonlinear mathematical model describing the dynamic characteristics of the waveform device is established and numerical simulation is carried out. Meanwhile， several important parameters affecting the performance of the waveform device are discussed and analyzed， and how to adjust the parameters of the waveform device regularly is explored. The amplitude and pulse width of the generated waveform meet the requirements of the pulse waveform required by the impact experiment and the end is smoothly zeroed， so as to improve the confidence of the acceleration waveform. The waveform adjustment of the hydraulic waveform device is simple， which realizes the diversified design of the waveform device and can ensure the needs of actual production.

Key words：" hydraulic waveform; impact pulse; numerical simulation