车用液压缓冲器动态特性研究

2013-12-14马星国顾婷婷尤小梅

机床与液压 2013年17期

马星国，顾婷婷，尤小梅

(沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159)

履带车辆常用的行程限位装置为弹性限制器和液压缓冲器［1］。与弹性限制器通过弹性元件变形来储存和释放能量的工作方式相比，液压缓冲器是利用液体通过小孔和缝隙时，将冲击能量转化为热能耗散掉。液压缓冲器可以消除二次振动现象，有效地限制负重轮的动行程，改善车辆的行驶平稳性，因此在悬挂系统中有比较大的作用［2］。

目前，德国的豹2A1 到豹2A6 等坦克均采用了液压缓冲器［3］。液压缓冲器的研究主要集中在将计算机仿真技术应用在缓冲器的设计中，理论上取得了很多成果。但如何与实际更好地结合，得到更好的缓冲性能仍是有待解决的问题。

作者在研究缓冲器的缓冲作用机制的基础上，建立了动态缓冲过程的数学模型，进行动态仿真计算，并对影响液压缓冲器动态特性的因数进行了分析。

1 液压缓冲器的特性分析

缓冲器主要由承压件、缓冲件(介质)、复位件及壳体等四部分构成。其基本作用原理如下:冲击载荷作用于承压导杆时，导杆带动活塞推动流体运动，利用流体流过节流孔和活塞与缸壁间缝隙所产生的阻尼效应，吸收并耗散冲击动能;待冲击物移去时，复位件的弹性能使承压导杆回复至冲击前的初始位置。

所研究的液压缓冲器在缓冲过程是由3 个节流孔和球面缝隙共同作用产生缓冲力来抵抗冲击载荷。作者分析了节流孔阻尼特性和球面缝隙流阻尼特性以及油液的压缩特性，来研究缓冲器的综合特性。

1.1 节流孔的流量

文中研究的液压缓冲器在导杆的顶端径向均匀分布3 个节流孔，孔的尺寸符合薄壁小孔条件，即通过节流孔的流量为:

式中:Cd为流量系数，A 为3 个小孔的流量面积，Δp 为活塞两侧的压力差，ρ 为液压油密度。

1.2 球面缝隙流流量

活塞运动过程中，油液在球面活塞与缸壁之间的流动称为压差－剪切流，含两种方式的油液流动，体现的是一种联合流动［4］。

1.2.1 压差流

实际工程中，由于制造、装配等原因致使油缸和活塞都处于图1 所示的偏心工作状态，且缓冲器常常工作在侧向力很大的状况下，因此在研究缝隙流时，须考虑球面活塞的偏心与偏转。

图1 活塞与缸壁位置关系俯视图

图1中h 为β 角处的间隙高度，e 为偏心距，R1为活塞球面半径，R2为缸壁半径。设h0=R1－R2为活塞和缸壁同心时的间隙高度，ε =e/h0为相对偏心率，得出h ≈h0+ (1 +εcosβ)。

图2 为考虑活塞偏转情况，活塞与缸壁的关系视图，油液从活塞与缸壁之间的缝隙流过。由图2 可知:

其中:α 为活塞的偏转角，L 为活塞厚度的一半，γ1，2为微通道方法的积分限［5］。

图2 活塞与缸壁位置关系侧视图

图2 中的每一条微通道都是一个宽度极小的由弧面与平面构成的流通道。对于每一条微通道，运用微积分原理及斜面缝隙的分析方式进行分析［6］。

把每一条微通道的缝隙视为无数微小的dx 的累加，则压差流为:

在全长内，对x 进行积分，代入l = cosγR2+ h，经过计算推导可以得到球面缝隙压差流量:

其中:

1.2.2 剪切流

对于剪切流，同样可利用微通道原理进行研究，由剪切流公式［4］可得微通道剪切流量为:

由此可得活塞与缸壁之间的压差－剪切缝隙总流量q2:

1.3 油液可压缩特性

油液的可压缩性是流体承受压力变化时其体积发生变化的属性，以体积弹性系数Ke来表示，其定义公式为:

式中:V 为上腔油液体积，缓冲过程中，下腔压强变化较小，认为p2保持不变，可推出:设上腔的初始体积为V0，可得活塞的行程x 与V 的关系式

综合以上，可得缓冲器的油液流量连续方程为

假设活塞运动速度v 保持恒值，可认为Δp 保持不变，由式(6)可知dV/dt=0。得到液压缓冲器的综合特性，如下式:

式中:q=πR22v－πR1h0v

取相应的设计参数代入式(8)得出缓冲器的综合特性曲线(压差－速度关系)，图3 为特性曲线随着节流口节流面积变化的曲线，节流面积由直径d 表示。可见压差随着速度的增大而增大。低速时，节流孔的节流阻尼作用明显，表现薄壁小孔的二次特性;高速时，缝隙流起主要作用，表现球面缝隙的一次特性;再随着节流面积的增大，薄壁小孔的二次特性愈加明显，曲线在低速阶段表现出明显的非线性特征。

图3 活塞速度－压差曲线

2 缓冲过程的建模及仿真

2.1 数学模型的建立

图4 为缓冲器的结构示意图，冲击载荷为质量m 的冲击块，冲击块撞击缓冲器活塞头的速度为

图4 缓冲器结构示意图

设活塞的行程和速度分别为x 和v，可建立活塞力的平衡方程:

式中:m 为冲击质量;A1= πR21为上腔油液压力面积;A2=πR21－πR23为下腔油液压力面积，R3为导杆半径;p1=p2+Δp;K 为复位弹簧刚度;y0为弹簧预压缩量。

由式(7)可以得到Δp 的微分方程，由式(9)可以得到v 的微分方程，x 的微分方程式为v。综合以上可得到缓冲过程的微分方程组如下:

补充方程缓冲力F=m·dv/dt

2.2 仿真计算

运用四阶龙格－库塔数值方法解微分方程组，在计算机上使用MATLAB 语言编写仿真程序，从而实现缓冲过程的动态模拟仿真［8］。其仿真计算的流程如图5 所示。

图5 仿真计算流程图

3 仿真结果及分析

3.1 仿真计算结果

缓冲器的主要结构参数如下:h0= 0.16 mm，d=4 mm，R1= 32.34 mm，R2= 32.5 mm，R3= 25 mm;设定初始值Δp=0，x=0，v=1 m/s。经计算得到x，v，Δp 随时间的变化曲线如图6—8 所示。

图6 行程－时间曲线

图7 速度－时间曲线

图8 压差－时间曲线

3.2 缓冲器动态特性分析

缓冲器的动态特性曲线一般由缓冲力F 随缓冲行程x 变化曲线来表示，如图9 所示。曲线所包含的面积即为缓冲器所吸收的能量，曲线越接近矩形，在相同的缓冲能量下，缓冲力越小，缓冲效果越好。

图9 缓冲力－行程曲线

从图6、图7、图9 可知:活塞t=0.07 s 时速度由1 m/s 迅速减小到0.4 m/s 左右，走过了约0.04 m(占总行程的50%);在前50%的行程中，耗时0.07 s，仅占总用时的23.3%，吸收了大部分的能量(占总能量的70%左右)，而后半程尽管耗时较长、但吸收能量很小，说明缓冲器后半程作用发挥得不好。因此，缓冲力－行程曲线的后半程有待优化。

3.2.1 冲击工况对缓冲特性的影响

冲击初速度v 和冲击质量m 对缓冲特性的影响如图10、图11 所示。当冲击质量一定时，随着冲击速度的增加缓冲力峰值明显增大;当冲击速度一定时，随着冲击质量的增加，缓冲力峰值增加较小。缓冲器吸收的能量为E0=1/2mv2，因为速度在二次项，因此对缓冲能量的影响要比冲击质量更明显。

图10 冲击初速度对缓冲力的影响

图11 冲击质量对缓冲力的影响

3.2.2 结构及介质对缓冲特性的影响

图12 为节流孔直径对缓冲特性的影响曲线。可知:当冲击载荷一定时，随着直径的增大，缓冲力峰值变小，缓冲行程变大。

图13 为活塞与缸壁的缝隙不同时的缓冲力曲线。可知:当冲击载荷一定时，活塞与缸壁的缝隙h0对缓冲特性的影响最大，决定了缓冲曲线的形状。当h0较小时，缓冲力上升较快，峰值过高，行程较短，起不到应有的缓冲效果。当h0较大时，缓冲力峰值较小，速度降低缓慢，行程较大，甚至可能出现在缓冲行程内没有完全吸收冲击能量导致撞缸的现象，因此设计合理的缝隙大小对缓冲器的缓冲效果至关重要。