一种新型水力缓冲器的缓冲特性研究

2015-12-06杨翊仁

重庆理工大学学报(自然科学) 2015年10期

刘胜，李鹏，杨翊仁

(西南交通大学力学与工程学院，成都 610031)

图1为一种新型水力缓冲器结构模型，主要由套筒、活塞、碰撞部件、缓冲头和缓冲弹簧组成。套筒与活塞杆之间安装有预紧缓冲弹簧，使得相对静止状态下套筒底部与活塞头部紧密贴合。运动部件安装在缓冲器上部，并置于静水中。工作时，运动部件随缓冲器一起从一定高度落下。当进入下落行程末段时，缓冲头与碰撞部件接触，并以一定速度和加速度冲击碰撞部件。冲击过程中，缓冲头压缩碰撞部件弹性件，同时自身速度不断减小，直至弹性件被完全压缩，而后缓冲头由刚性件提供支撑;另一方面，冲击时缓冲头压缩活塞杆，从而挤压套筒内的冷却剂和缓冲弹簧，起到对运动部件缓冲的效果。运动部件完全静止后，缓冲弹簧推动活塞杆和缓冲头复位至安装初始状态。

本文依据水力缓冲器的结构和工作原理，建立下落过程和缓冲过程的结构控制方程和流体控制方程，计算缓冲过程中缓冲头对碰撞部件的冲击力、套筒内部压强、套筒和活塞位移等参数的动态变化，分析各节流孔对冲击力和压强影响，对缓冲器结构进行优化。

图1 水力缓冲器结构

1 控制方程

为建立缓冲过程的控制方程，首先给出以下基本假设:①在下落过程中，套筒与活塞为无相对运动，可视为一个整体;②各部件之间的碰撞为完全弹性碰撞，忽略碰撞阻尼，碰撞等效为弹簧作用，组件之间的碰撞刚度为组件拉压刚度的串、并联值［1－2］;③ 流体不可压缩，其能量损失仅为局部能量损失;④仅考虑外部流场对缓冲器的流体形状阻力。

1.1 结构控制方程

缓冲器在下落和缓冲过程中的结构示意图如图2所示。M1，M2分别为套筒和活塞杆的质量;Mf1，Mf2分别为二者排开水的质量;Cf，Cs分别为黏性阻力系数和形状阻力系数;D1，D2，H1，H2分别为套筒与活塞杆的外直径和高度;Sht为缓冲头截面积;K，F0分别为缓冲弹簧刚度和预紧力;K1，K2，K3分别为组件各部分的碰撞刚度;H为活塞有效工作高度;He为碰撞部件弹性件最大压缩行程;P1，P'1，P2，P'2分别为作用与套筒和活塞上的流体压力。

图2 缓冲器结构简化示意图

下落过程结构的运动方程可写为［3］:

缓冲过程结构控制方程为

其中:

缓冲头与碰撞部件之间的冲击力为

其中δ为Dirichlet函数。

1.2 流体控制方程

图3给出了缓冲过程中流量的计算模型。套筒与活塞之间的相对运动会挤出套筒主腔内的流体或吸入外部流体，因此各节流孔的流体流向及流量与此相对运动相关。

图3 流量计算示意图

首先假定当主腔内流体被挤出，且挤出流体均是从活塞头部流出，而后经过各节流孔流出套筒;当流体被吸入主腔时，认为所有流体均流向活塞头部。各节流孔流量分别记为αQ，βQ，γQ，ηQ，ξQ。忽略非定常项和位置水头对总水头的影响，可由Bernoulli方程［4］沿流线建立能量方程:

流体从节流孔流出主腔时

流体从节流孔流进主腔时

其中:i=1，2，…，5，分别对应5个不同节流孔;p，U分别为活塞头部压强与流速;pi，Ui分别为流出i号节流孔后的流体压强与流速;∑hm，∑h'm分别为沿流线的所有局部能量损失，流出及流进二者不同。由于套筒侧壁开有节流孔，各条流线上的能量方程与下落过程中活塞头与各节流孔的相对位置相关。

忽略外部流场的流动，外部流场满足

流动中的流量方程为

其中:λi= ±1，i=1，2，3，4，5为流向迭代指标;ΔV为副腔体积变化;λV=±1为副腔体积增大和缩小指标。

联立式(5)～(8)，可得流量控制方程:

1.3 结构－流体控制方程耦合

流量控制方程中，活塞头部流体流速应等于套筒与活塞的相对运动流速，即

采用 Newton迭代方法［5］求解式(9)。由式(9)获得节流孔流量后，代入式(5)或(6)即可得到缓冲器内部压强分布。

2 计算结果

采用Newmark积分格式［6］对结构控制方程求解。基于Fortran程序［7］编制整个求解过程数值计算程序。图4给出了程序计算流程。图5给出了当下落高度为1.75 m时冲击力和活塞头部压力的时程曲线。显然，在第1次冲击之后，冲击力和压强都迅速降低。此外，当活塞经过套筒侧壁节流孔时，压强会出现显著突变。