液壓約束活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的流量脈動(dòng)仿真分析

黃妮，杜光超，戴作強(qiáng)，鄭莉莉，張志超

(青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071)

0 引言

液壓約束活塞發(fā)動(dòng)機(jī)(HCPE)是在原有傳統(tǒng)內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)之上，將液壓系統(tǒng)與其組合集成的新型雙元?jiǎng)恿敵鱿到y(tǒng)，可以將燃料燃燒產(chǎn)生的內(nèi)能直接分為機(jī)械能和液壓能輸出[1-5]。由于間隙誤差對(duì)HCPE系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度具有一定影響[6]，且在HCPE系統(tǒng)中柱塞與動(dòng)力活塞屬于剛性連接，所以主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度會(huì)直接影響柱塞的運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)系統(tǒng)流量特性產(chǎn)生影響。因此需要對(duì)HCPE進(jìn)行流量特性分析，研究間隙誤差對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。

國外很多學(xué)者都基于計(jì)算機(jī)仿真理論方法，利用動(dòng)力學(xué)或運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件，對(duì)機(jī)構(gòu)可靠性進(jìn)行仿真分析[7-9]。在國內(nèi)，紀(jì)玉杰[10]提出了以ADAMS作為仿真平臺(tái)，建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)化模型，對(duì)機(jī)構(gòu)可靠性進(jìn)行仿真分析的方法；宋黎等[11]利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)含有間隙誤差的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的模擬實(shí)驗(yàn)修正法作了進(jìn)一步研究。此外，還有很多學(xué)者對(duì)曲柄搖桿以及其他平面機(jī)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真分析[12-15]。

本文對(duì)三缸HCPE液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行流量脈動(dòng)仿真分析，研究3種運(yùn)動(dòng)副取不同間隙誤差時(shí)，系統(tǒng)流量特性的變化情況。

1 HCPE系統(tǒng)模型的建立

1.1 HCPE工作原理

HCPE系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1—連桿；2—導(dǎo)向滑塊；3—聯(lián)接桿；4—進(jìn)水口；5—液壓柱塞；6—連接板；7—?jiǎng)恿钊?—第1工作室；9—第2工作室；10—出水口；11—第3工作室；12—曲軸； A-分流點(diǎn)。圖1 HCPE系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

HCPE系統(tǒng)一般由3個(gè)工作室組成。第1個(gè)工作室是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，工作原理與傳統(tǒng)內(nèi)燃式燃燒室類似，也是通過進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣4個(gè)沖程完成一個(gè)工作循環(huán)，動(dòng)力活塞-導(dǎo)向滑塊運(yùn)行4個(gè)沖程完成一次燃料燃燒內(nèi)能向直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)換。第2個(gè)工作室是液壓工作室，工作原理與傳統(tǒng)液壓泵類似，通過吸水、壓水兩個(gè)過程完成一次工作循環(huán)，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)能向液壓能的輸出。第3個(gè)工作室為輔助工作室，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)動(dòng)力活塞-導(dǎo)向滑塊組件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)約束，限定工作行程，保證組件正常工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作定時(shí)、協(xié)調(diào)及輔助系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。

1.2 HCPE液壓系統(tǒng)模型的建立

本文所設(shè)計(jì)的HCPE是一種雙元?jiǎng)恿敵鲅b置，該機(jī)構(gòu)機(jī)械能輸出部分參照原有內(nèi)燃機(jī)，液壓輸出部分為自行設(shè)計(jì)，液壓柱塞與活塞-柱塞-滑塊組成固定連接。機(jī)構(gòu)主要參數(shù)有：動(dòng)力活塞-導(dǎo)向滑塊行程x=90mm；曲柄半徑r=45mm；連桿長度l=130mm；動(dòng)力活塞和導(dǎo)向滑塊直徑D=82mm；活塞中心線偏離曲軸中心1.2mm；液壓柱塞直徑16mm，每缸柱塞數(shù)為3；主軸徑62mm；連桿軸徑28mm。

首先，在Adams中建立HCPE取不同間隙誤差的仿真模型，如圖2所示，并在ADAMS中對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，然后，將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入AMESim中，進(jìn)行仿真分析，得到間隙誤差對(duì)系統(tǒng)流量特性的影響。在AMESim中建立的液壓系統(tǒng)的簡化模型如圖3所示。

圖2 HCPE仿真模型

圖3 液壓系統(tǒng)模型

2 間隙誤差對(duì)系統(tǒng)流量脈動(dòng)的影響

HCPE作為一種雙元?jiǎng)恿奢敵鲅b置，動(dòng)力活塞和液壓柱塞是固連在一起的，動(dòng)力活塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化會(huì)對(duì)液壓性能產(chǎn)生一定影響。本文通過對(duì)沒有間隙和含有間隙模型進(jìn)行對(duì)比，分析間隙誤差對(duì)流量特性的影響。

2.1 活塞銷與導(dǎo)向滑塊徑向間隙誤差對(duì)系統(tǒng)流量脈動(dòng)的影響

在活塞銷與導(dǎo)向滑塊之間間隙誤差分別取0.04mm、0.06mm、0.08mm時(shí)及理想狀態(tài)(無誤差)下，對(duì)模型流量脈動(dòng)進(jìn)行仿真分析，得到結(jié)果如圖4所示(本刊系黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者)。圖4(a)上方為系統(tǒng)流量脈動(dòng)的局部放大圖。

圖4 活塞銷與導(dǎo)向滑塊徑向間隙誤差影響下流量變化圖

由圖4(a)可以看出，隨著間隙的變大，動(dòng)力活塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生一定程度的變化，帶動(dòng)柱塞運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，而使得流量脈動(dòng)變大。圖4(b)為瞬時(shí)流量差值圖，經(jīng)過分析計(jì)算，在0.04mm、0.06mm、0.08mm的間隙誤差下，瞬時(shí)流量差值的平均值分別為0.352L/min、0.794L/min、0.819L/min。綜上所述，系統(tǒng)間隙誤差越大，流量脈動(dòng)越大。

2.2 動(dòng)力活塞與氣缸側(cè)向間隙誤差對(duì)系統(tǒng)流量脈動(dòng)的影響

在動(dòng)力活塞與氣缸側(cè)向間隙誤差分別取0.04mm、0.16mm、0.22mm時(shí)及理想狀態(tài)(無誤差)下，對(duì)系統(tǒng)流量脈動(dòng)進(jìn)行仿真分析，得到結(jié)果如圖5所示，圖5(a)上方為系統(tǒng)流量脈動(dòng)的局部放大圖。

圖5 動(dòng)力活塞與氣缸側(cè)向間隙誤差影響下流量變化圖

由圖5(a)可以看出，隨著間隙誤差的增加，流量脈動(dòng)變大。圖5(b)為瞬時(shí)流量差值圖，經(jīng)過分析計(jì)算，在0.04mm、0.16mm、0.22mm的間隙誤差下，瞬時(shí)流量差值的平均值分別為0.954L/min、1.669L/min、2.045L/min。綜上所述，系統(tǒng)間隙誤差越大，流量脈動(dòng)越大。

2.3 連桿大頭與曲軸曲柄徑向間隙誤差對(duì)系統(tǒng)流量脈動(dòng)的影響

在連桿大頭和曲軸曲柄之間轉(zhuǎn)動(dòng)副徑向間隙誤差分別取0.04mm、0.12mm、0.18mm時(shí)及理想狀態(tài)(無誤差)下，對(duì)系統(tǒng)流量脈動(dòng)進(jìn)行仿真分析，得到結(jié)果如圖6所示。圖6(a)上方為系統(tǒng)流量脈動(dòng)的局部放大圖。

圖6 連桿大頭和曲軸曲柄徑向間隙誤差影響下流量變化圖

由圖6(a)可以看出，隨著間隙誤差的增大，柱塞輸出流量脈動(dòng)變大。圖6(b)為瞬時(shí)流量的差值，經(jīng)過分析計(jì)算，在0.04mm、0.12mm、0.18mm的間隙誤差下，瞬時(shí)流量差值的平均值分別為1.017L/min、1.294L/min、2.179L/min。綜上所述，系統(tǒng)間隙誤差越大，流量脈動(dòng)越大，瞬時(shí)流量差值的平均值越大, 且對(duì)比其他部位間隙誤差對(duì)系統(tǒng)流量脈動(dòng)的影響，連桿大頭和曲軸曲柄之間轉(zhuǎn)動(dòng)副徑向間隙誤差對(duì)流量脈動(dòng)影響最大。

2.4 綜合各項(xiàng)誤差對(duì)流量的影響

在綜合考慮上述各項(xiàng)誤差的情況下，對(duì)系統(tǒng)流量脈動(dòng)進(jìn)行仿真分析，3組誤差的選取與上述運(yùn)動(dòng)分析時(shí)相對(duì)應(yīng)，得到結(jié)果如圖7所示。圖7(a)上方為系統(tǒng)流量脈動(dòng)的局部放大圖。

圖7 綜合不同誤差影響下流量變化圖

由圖7(a)可以看出，隨著間隙誤差的增大，輸出流量脈動(dòng)變大。圖7(b)為瞬時(shí)流量差值圖，在3組誤差下，分析計(jì)算得瞬時(shí)流量差值的平均值分別為1.444L/min、2.265L/min、3.487L/min。

通過上述各種間隙誤差對(duì)輸出流量的影響可以看出，當(dāng)動(dòng)力活塞間隙誤差增加時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定程度的變動(dòng)，從而引起了柱塞運(yùn)動(dòng)變化，使得流量脈動(dòng)相對(duì)柱塞理想運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下發(fā)生變化。隨著誤差增大，流量脈動(dòng)變大。脈動(dòng)的增加會(huì)使得部分液壓能量不能得到合理的利用，降低能量利用率，造成能量損耗，并且脈動(dòng)的增大會(huì)使得機(jī)構(gòu)振動(dòng)增強(qiáng)，噪聲變大，加快機(jī)體零件損壞速度，加大損耗，對(duì)整機(jī)性能產(chǎn)生不利影響。所以，為了提高能量利用率、減少構(gòu)件損耗，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠度，需要對(duì)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)副間隙誤差進(jìn)行優(yōu)化控制。

3 結(jié)語

通過對(duì)含有間隙誤差的HCPE液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行流量脈動(dòng)仿真分析，得到在不同間隙誤差下，系統(tǒng)流量特性的變化規(guī)律。分析結(jié)果表明：

1) 隨著間隙誤差的增加，系統(tǒng)流量脈動(dòng)增大，會(huì)帶來零部件之間振動(dòng)加強(qiáng)，噪聲增大，給整機(jī)系統(tǒng)帶來不利的影響。

2) 隨著間隙誤差的增加，瞬時(shí)流量差值的平均值越大, 且對(duì)比其他部位間隙誤差對(duì)系統(tǒng)流量脈動(dòng)的影響，連桿大頭和曲軸曲柄之間轉(zhuǎn)動(dòng)副徑向間隙誤差對(duì)流量脈動(dòng)影響最大。

3) 間隙誤差對(duì)系統(tǒng)流量脈動(dòng)影響明顯，因此，需要對(duì)機(jī)構(gòu)間隙進(jìn)行進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)，減小間隙誤差，以保證零部件以及系統(tǒng)使用的可靠性。