一種新型液壓脈沖發(fā)生器的試驗(yàn)研究

胡　勇　季宦玉　王貢獻(xiàn)

武漢理工大學(xué)，武漢，430063

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一種新型液壓脈沖發(fā)生器的試驗(yàn)研究

胡勇季宦玉王貢獻(xiàn)

武漢理工大學(xué)，武漢，430063

摘要：提出一種適用于沖擊碰撞試驗(yàn)的錐形間隙小孔組合節(jié)流液壓脈沖發(fā)生器。通過調(diào)節(jié)節(jié)流面積和碰撞速度等參數(shù)，運(yùn)用試驗(yàn)方法研究了脈沖發(fā)生器的負(fù)載自適應(yīng)性、運(yùn)動(dòng)負(fù)載制動(dòng)的高效性、脈沖波形可調(diào)性以及油液溫升特性等機(jī)械動(dòng)態(tài)特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用開環(huán)控制方法調(diào)節(jié)節(jié)流口的通流面積來實(shí)現(xiàn)脈沖波形的調(diào)節(jié)正確可行，脈沖發(fā)生器可以滿足相應(yīng)沖擊試驗(yàn)的要求。

關(guān)鍵詞：碰撞試驗(yàn)；沖擊脈沖發(fā)生器；沖擊脈沖；油液溫升

0引言

在汽車碰撞試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、運(yùn)載工具制動(dòng)等場合，緩沖或制動(dòng)需要按預(yù)先設(shè)定的加速度曲線完成，以符合規(guī)范或設(shè)計(jì)要求。緩沖裝置中的氣液緩沖器在大位移緩沖制動(dòng)場合應(yīng)用較多，各種形式的緩沖結(jié)構(gòu)及其性能研究仍然受到重視[1-3]。被動(dòng)式液壓緩沖器因具有吸收能力強(qiáng)，緩沖過程平穩(wěn)，無反彈等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[4]。但傳統(tǒng)的被動(dòng)式液壓緩沖器僅用來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，對制動(dòng)時(shí)間和波形都沒有要求，且不能調(diào)節(jié)制動(dòng)波形。在沖擊試驗(yàn)設(shè)備中，為了能夠任意調(diào)節(jié)緩沖加速度波形，通流面積隨時(shí)間的變化過程需要進(jìn)行強(qiáng)制調(diào)節(jié)。對于沖擊脈寬較大而流量要求較小的沖擊，可以利用高速伺服閥進(jìn)行阻尼控制，從而實(shí)現(xiàn)沖擊波形的任意調(diào)節(jié)[5]，如液壓伺服振動(dòng)臺。一些特殊的沖擊試驗(yàn)，例如模擬水下爆炸沖擊環(huán)境的沖擊試驗(yàn)，用于沖擊試驗(yàn)的阻尼制動(dòng)器[6]需要在非常短的時(shí)間內(nèi)完成沖擊，并且流量很大。文獻(xiàn)[7]采用一種成形閥口阻尼器實(shí)現(xiàn)沖擊波形的調(diào)節(jié)，雖然其機(jī)械性能好，但制造加工復(fù)雜。文獻(xiàn)[8]對液壓脈沖發(fā)生器的機(jī)械特性進(jìn)行了數(shù)值仿真分析預(yù)測，但是缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。本文提出了一種新型錐形間隙小孔組合節(jié)流結(jié)構(gòu)的液壓脈沖發(fā)生器，與傳統(tǒng)只用于制動(dòng)而不考慮制動(dòng)加速度波形的液壓緩沖器不同，該發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)大流量的緩沖制動(dòng)，而且緩沖加速度峰值與脈寬可大范圍調(diào)節(jié)。在分析脈沖發(fā)生器工作原理的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)手段研究了該脈沖發(fā)生器的負(fù)載自適應(yīng)性、脈沖波形可調(diào)性以及油液溫升特性等相關(guān)機(jī)械動(dòng)態(tài)特性。

1工作機(jī)理

圖1是液壓脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)原理圖和實(shí)物圖，該結(jié)構(gòu)功能是使油液通過錐形間隙和小孔組合節(jié)流產(chǎn)生阻尼來吸收和消耗運(yùn)動(dòng)負(fù)載的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)負(fù)載的緊急制動(dòng)，使其獲得一個(gè)波形可調(diào)的制動(dòng)加速度脈沖。

(a)結(jié)構(gòu)原理圖(b)實(shí)物圖圖1　液壓脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)原理圖及實(shí)物圖

沖擊脈沖發(fā)生器工作過程中，運(yùn)動(dòng)負(fù)載以一定的速度推動(dòng)活塞桿和活塞擠壓阻尼腔的油液。在活塞運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程中，油液的流動(dòng)狀態(tài)分成三個(gè)不同的節(jié)流階段。第一階段在活塞進(jìn)入節(jié)流環(huán)之前，阻尼腔的油液主要是通過圖2a所示銳緣閥口和可調(diào)節(jié)流口排出；第二階段為活塞進(jìn)入節(jié)流環(huán)，圖2a中的銳緣閥口消失，阻尼腔中油液由錐形間隙和可調(diào)節(jié)流口同時(shí)排出(圖2b)；第三階段為活塞錐形段完全進(jìn)入節(jié)流閥中(圖2c)，阻尼腔中油液由錐形間隙-環(huán)形間隙組成的通道和可調(diào)節(jié)流口排出?；钊诠?jié)流環(huán)運(yùn)動(dòng)過程中，由于油液的通流面積發(fā)生變化，所以節(jié)流產(chǎn)生了不斷變化的阻尼力，使運(yùn)動(dòng)負(fù)載在阻尼腔高壓油液的制動(dòng)下獲得一個(gè)沖擊脈沖。由于阻尼力大小可以通過阻尼腔油液的等效通流面積來調(diào)節(jié)，所以沖擊脈沖的幅值和脈寬調(diào)節(jié)可以通過控制可調(diào)節(jié)流口的通流面積來實(shí)現(xiàn)。

(a)節(jié)流第一階段(b)節(jié)流第二階段

(c)節(jié)流第三階段圖2　液壓脈沖發(fā)生器節(jié)流過程

2脈沖發(fā)生器機(jī)械特性試驗(yàn)

為了考察脈沖發(fā)生器在進(jìn)行瞬態(tài)沖擊制動(dòng)時(shí)所呈現(xiàn)出的一些獨(dú)特機(jī)械特性，開展了對脈沖發(fā)生器在不同環(huán)形間隙、不同節(jié)流面積、不同運(yùn)動(dòng)負(fù)載速度下的制動(dòng)性能以及溫度場變化情況的一系列試驗(yàn)研究。圖3和圖4分別為試驗(yàn)原理圖和試驗(yàn)裝置系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)物照片，該試驗(yàn)系統(tǒng)主要由用于安裝脈沖發(fā)生器的跌落試驗(yàn)臺和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)組成。在脈沖發(fā)生器上面安裝了兩個(gè)壓力傳感器和兩個(gè)熱電偶，分別用來測試脈沖發(fā)生器阻尼腔內(nèi)不同位置的壓力、油溫和發(fā)生器的壁溫。

(a)試驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu)圖(b)脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)原理圖1.加速度傳感器　2.質(zhì)量塊　3.安裝平臺　4.導(dǎo)軌　5.脈沖發(fā)生器　6.安裝支座　7.排氣孔　8.液面　9.活塞　10.回油腔　11.壓力傳感器　12.調(diào)節(jié)裝置　13.阻尼腔　14.熱電偶(壁溫)　15.熱電偶(油溫)　16.回油腔圖3　脈沖發(fā)生器試驗(yàn)原理圖

圖4　脈沖發(fā)生器試驗(yàn)裝置

圖5為脈沖發(fā)生器的尺寸示意圖，試驗(yàn)所用的脈沖發(fā)生器的尺寸如下：緩沖腔的內(nèi)徑d2=30mm，錐形活塞小端直徑為d1-2h=24mm，活塞的高度h0=20mm，可調(diào)節(jié)流口的直徑為5mm，節(jié)流環(huán)的高度L=100mm，回油腔的直徑d=48mm，回油腔的高度為70mm(圖3b中序號10所指環(huán)形通道的軸向尺寸)，排氣孔的直徑為10mm(圖3b中序號7所指的孔)。質(zhì)量塊(包括安裝平臺)為7.5kg。油液體積彈性模量為700MPa，油液動(dòng)力黏度系數(shù)為0.1。

圖5　脈沖發(fā)生器的尺寸示意圖

試驗(yàn)工況如表1所示，其中對可調(diào)節(jié)流口的調(diào)節(jié)只用了兩種狀態(tài)，開表示可調(diào)節(jié)流口通流面積全開，關(guān)表示可調(diào)節(jié)流口通流面積為零。通過更換錐形活塞來調(diào)節(jié)活塞與節(jié)流環(huán)之間的徑向間隙。通過調(diào)整質(zhì)量塊的落差高度來實(shí)現(xiàn)沖擊速度的調(diào)節(jié)。

表1　試驗(yàn)工況

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6中實(shí)線為工況1質(zhì)量塊的加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對應(yīng)的傅里葉變換如圖7所示。由圖7可知，質(zhì)量塊和活塞桿組成的振動(dòng)系統(tǒng)的基本頻率為900Hz(有限元計(jì)算的基頻為898Hz)。由于質(zhì)量塊與活塞桿碰撞產(chǎn)生加速脈沖的高頻成分高，引起質(zhì)量塊和活塞桿系統(tǒng)的振動(dòng)，所以試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)有高頻振蕩。為了得到由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生加速度波形的清晰輪廓，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，將系統(tǒng)振蕩的高頻濾掉，可以清晰地看到質(zhì)量塊加速度的形狀。

圖6　工況1質(zhì)量塊加速度時(shí)間歷程

圖7　工況1加速度的傅里葉變換

3.1脈沖發(fā)生器對運(yùn)動(dòng)負(fù)載的適應(yīng)性

圖8和圖9分別表示當(dāng)質(zhì)量塊以不同的速度(3m/s和4m/s)撞擊脈沖發(fā)生器活塞桿時(shí)質(zhì)量塊的加速度時(shí)間歷程和脈沖發(fā)生器中的瞬態(tài)壓力。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，沖擊速度越大，質(zhì)量塊的加速度峰值就越大，脈沖發(fā)生器中的壓力也就越大，相反，質(zhì)量塊加速度脈沖的脈寬就越小，這說明錐形間隙脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的加速度波形特性對外載負(fù)荷特性依賴性很強(qiáng)。

圖8　質(zhì)量塊加速度時(shí)間歷程(可調(diào)通道狀態(tài)：開)

圖9　阻尼腔內(nèi)的瞬態(tài)壓力(可調(diào)通道狀態(tài)：開)

3.2環(huán)形間隙對加速度脈沖調(diào)節(jié)

圖10和圖11所示分別為脈沖發(fā)生器的沖擊速度為4m/s時(shí)，活塞桿的制動(dòng)加速度曲線和阻尼缸內(nèi)的壓力變化情況。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，活塞與節(jié)流環(huán)間隙的大小對加速度脈沖的幅值和脈寬影響非常明顯。當(dāng)環(huán)形間隙δ為0.05mm、0.08mm和0.1mm時(shí)，對應(yīng)的加速度峰值分別為48g、40g和33g，脈寬分別為24ms、30ms和33ms。與此相對應(yīng)的阻尼缸內(nèi)的壓力分別達(dá)到8MPa、6MPa和5.5MPa。試驗(yàn)結(jié)果說明，通過調(diào)整環(huán)形節(jié)流縫隙是實(shí)現(xiàn)對加速度波形調(diào)節(jié)的最有效手段。

圖10　質(zhì)量塊加速度時(shí)間歷程(v=4 m/s)

圖11　阻尼腔內(nèi)的瞬態(tài)壓力(v=4 m/s)

3.3可調(diào)節(jié)流通道對加速度脈沖的調(diào)節(jié)

雖然通過改變脈沖發(fā)生器活塞與節(jié)流環(huán)的間隙可以明顯地對脈沖的特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，但在實(shí)際操作中非常麻煩。因此在脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)中設(shè)置可調(diào)節(jié)流通道，其主要目的是在固定節(jié)流間隙的情況下，對制動(dòng)加速度波形的幅值和脈寬進(jìn)行一定范圍的調(diào)整。在試驗(yàn)過程中，可調(diào)節(jié)流通道通流面積的調(diào)節(jié)是通過對調(diào)整螺母的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)節(jié)流通道的關(guān)閉和開通而實(shí)現(xiàn)。固定節(jié)流縫隙為0.05mm，考察可調(diào)節(jié)流孔在關(guān)閉和開通情況下，對加速度的調(diào)節(jié)效果。

圖12和圖13分別表示可調(diào)節(jié)流孔的通流面積對質(zhì)量塊的加速度以及脈沖發(fā)生器內(nèi)壓力的影響。從試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)可調(diào)節(jié)流孔處于關(guān)閉和開通狀態(tài)時(shí)，對加速度的幅值和脈寬具有一定的調(diào)節(jié)作用。當(dāng)可調(diào)節(jié)流通道處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)加速度的幅值有明顯的升高，與此同時(shí)脈寬相應(yīng)地變窄。阻尼腔內(nèi)的壓力也相應(yīng)地增大。

圖12　質(zhì)量塊加速度時(shí)間歷程(v=4 m/s,δ=0.05 mm)

圖13　脈沖發(fā)生器內(nèi)的瞬態(tài)壓力(v=4 m/s,δ=0.05 mm)

3.4脈沖發(fā)生器脈沖的平移特性

圖14為工況4(表1)下錐形活塞小端與節(jié)流環(huán)的初始距離為零時(shí)，質(zhì)量塊的加速度試驗(yàn)曲線。從圖14中可以看出，脈沖發(fā)生器的阻尼力在質(zhì)量塊接觸活塞桿時(shí)刻就即刻增大，加速度峰值很快出現(xiàn)。

圖14　工況4加速度試驗(yàn)曲線

圖15的試驗(yàn)曲線為工況8下錐形活塞小端與節(jié)流環(huán)的初始距離為10mm時(shí)，質(zhì)量塊的加速度試驗(yàn)曲線和仿真曲線。從圖15中可以看出，加速度峰值不像工況4那樣出現(xiàn)得那么早，而是在時(shí)間軸上推遲出現(xiàn)，這一現(xiàn)象說明，通過調(diào)節(jié)活塞與節(jié)流環(huán)的初始距離可以調(diào)整加速度峰值在時(shí)間軸出現(xiàn)的位置。

圖15　工況8加速度試驗(yàn)曲線

圖14、圖15中的仿真曲線由文獻(xiàn)[7]中的脈沖發(fā)生器工作機(jī)理模型通過數(shù)值仿真方法獲得。從試驗(yàn)結(jié)果可知，質(zhì)量塊在各種工況下撞擊脈沖發(fā)生器活塞桿，由于脈沖發(fā)生器的節(jié)流阻尼作用，質(zhì)量塊被急劇制動(dòng)，獲得一個(gè)加速度脈沖，此脈沖的峰值約30g～50g，脈沖時(shí)間約10～15ms，脈沖波形與數(shù)值仿真分析預(yù)測波形非常接近，在脈沖峰值處和結(jié)束段有誤差。理論與試驗(yàn)結(jié)果之間的偏差主要來自于制動(dòng)末端加速度脈寬的“拖長”，是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)形式的脈沖發(fā)生器對運(yùn)動(dòng)負(fù)載有依賴性。

由于瞬時(shí)(ms級)沖擊時(shí)間非常短，瞬時(shí)高壓下油液存在可壓縮性，還存在氣化現(xiàn)象，很難通過油壓或加速度信號反饋來及時(shí)調(diào)整脈沖波形；但由上文中分別通過調(diào)節(jié)節(jié)流間隙、節(jié)流通道和錐形活塞的初始位置很方便地實(shí)現(xiàn)對脈沖波形的調(diào)節(jié)可以看出，這種通過預(yù)設(shè)條件而不需反饋信號調(diào)整波形的開環(huán)前饋控制策略對脈沖波形調(diào)節(jié)可行有效。

3.5脈沖發(fā)生器油溫和壁溫

圖16　工況1油液溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖16為工況1油液溫度變化曲線，溫度最大變化不到4 ℃。圖17為工況1脈沖發(fā)生器缸壁的溫度變化曲線，溫度最大變化不到2 ℃。上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明：根據(jù)黏度與溫度的關(guān)系，試驗(yàn)中油溫的變化不大，溫度對油液黏度的影響很小，可以忽略不計(jì)。

圖17　工況1缸壁溫度試驗(yàn)曲線

4結(jié)論

(1)脈沖發(fā)生器是將銳緣節(jié)流、縫隙漸縮、縫隙節(jié)流和小孔節(jié)流進(jìn)行組合，通過調(diào)節(jié)不同階段節(jié)流阻尼特性從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)負(fù)載的緩沖制動(dòng)，而且脈沖波形可調(diào)，可以滿足相應(yīng)沖擊試驗(yàn)的要求。

(2)脈沖發(fā)生器的調(diào)節(jié)裝置通過調(diào)節(jié)節(jié)流口的通流面積來實(shí)現(xiàn)對脈沖波形的調(diào)節(jié)，試驗(yàn)說明了這種調(diào)節(jié)措施的可行性和正確性。這種調(diào)節(jié)方法基于前饋開環(huán)控制思想，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)起來簡單易行，從而避免了采用閉環(huán)反饋控制方法對波形控制調(diào)節(jié)的技術(shù)難題，尤其是在這種瞬間大流量工況，現(xiàn)有的伺服閥和控制方法都無法滿足工程要求的情況下，采用開環(huán)控制方法是切實(shí)可行的。

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(編輯王艷麗)

收稿日期：2016-01-13

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275369)

中圖分類號：O351.2；TH113.2

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.12.014

作者簡介：胡勇，男，1981年生。武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院講師、博士。主要研究方向?yàn)楦劭跈C(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、起重機(jī)關(guān)鍵零部件優(yōu)化。發(fā)表論文10余篇。季宦玉，男，1993年生。武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院碩士研究生。王貢獻(xiàn)，男，1976年生。武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院教授、博士。

ExperimentalInvestigationonCharacteristicsofaNovelHydraulicShockPulseGenerator

HuYongJiHuanyuWangGongxian

WuhanUniversityofTechnology,Wuhan,430063

Abstract:A novel structure of shock pulse generator with combination of throttling by cone-shape spool and orifice was presented herein. Its mechanical dynamic properties were demonstrated experimentally such as: being able to self-adapt to the external loads applied to it; with high efficient dissipation of kinetic energy instantly; prompt and easy adjustment of the widths and amplitudes of shock pulses by changing the equivalent flow area of the damping orifices and the gap between the cone and inter wall of the cylinder. The experimental results indicate the feasibility of the open-loop control approach by changing the equivalent flow area to control the pulse waveform and the shock pulse generator can meet the requirements of various impact tests.

Key words:impact test; shock pulse generator; shock pulse; oil temperature rise