基于SolidWorks的活塞蓄能器改進與仿真研究

李海軍， 王 雷， 王一明

(海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院， 山東煙臺 264001)

引言

在液壓系統(tǒng)中，常常利用蓄能器來完成儲存、釋放油液的任務(wù)[1]。常用蓄能器類型主要有氣囊式、重錘式、液壓彈簧式[2]，其主要功能有：

(1) 作為系統(tǒng)動力源，在常規(guī)的液壓動力系統(tǒng)中常會用到蓄能器配合液壓缸回路的組合為整個系統(tǒng)進行供能[3]。當(dāng)系統(tǒng)歸零時，蓄能器內(nèi)通過儲存大量油液與高壓氣體完成蓄能，當(dāng)系統(tǒng)給出動作信號時，氣體腔迅速膨脹推動活塞將大量高壓油液迅速排出，通過液壓回路完成系統(tǒng)動力供給。

其次也可以做為輔助動力源，在某些系統(tǒng)的原動機出現(xiàn)意外故障的情況下，可以作為緊急能源為系統(tǒng)供能[4]，緩沖故障發(fā)生的時間與速度，保護系統(tǒng)。

(2) 保持一個穩(wěn)定的低速輸出為系統(tǒng)穩(wěn)壓[5]。在某些需要在工作完成后長時間保持壓力的系統(tǒng)中，蓄能器負責(zé)保壓，保證在液壓泵等動力源關(guān)閉后將其自身存儲的能量持續(xù)的供給系統(tǒng)，補償系統(tǒng)泄漏，維持收尾工作的壓力。

(3) 緩沖液壓沖擊或壓力脈動[6]。液壓系統(tǒng)中優(yōu)勢會出現(xiàn)泵突然啟停、閥門開閉的情況，此時會有大流量的油液經(jīng)過系統(tǒng)回路，容易對系統(tǒng)造成一定量的損害，長此以往很容易導(dǎo)致液壓系統(tǒng)泄漏等事故，因此常把蓄能器安裝在易發(fā)生液壓沖擊的位置，吸收壓力脈動，緩沖系統(tǒng)動作。

1 活塞式氣液蓄能器工作數(shù)學(xué)模型

活塞式氣液蓄能器在建立數(shù)學(xué)模型時需要做以下假設(shè)[7]：

(1) 在整個作動過程中，缸體內(nèi)氣體做功過程視為絕熱狀態(tài)變化過程，n=1.4；

(2) 相較于氣體的極易壓縮性，液體的壓縮性可不計；

(3) 理想狀態(tài)下忽略氣體的阻尼系數(shù)。

對其工作原理進行簡化處理。

如圖1所示，蓄能器氣體腔內(nèi)存儲著高壓氮氣，通過氣體膨脹做功推動活塞迅速排出油液，完成系統(tǒng)動作[8]，故其可由氣體壓縮公式進行相關(guān)計算[9]：

(1)

式中，pa0—— 初始充氣壓力，MPa

Va0—— 初始體積

pa—— 充液后壓力

Va—— 充液后氣體體積(Va=Va0-V1)

圖1 活塞式蓄能器簡化模型

通常理想氣體狀態(tài)方程在高壓時容易出現(xiàn)誤差，因此也可以在數(shù)學(xué)建模時采用真實氣體狀態(tài)方程，對蓄能器內(nèi)工作狀態(tài)后進行模擬[10]，充分考慮了高壓氣體分子之間的相互作用和氣體分子占有的體積[11]，盡可能的模擬實際工作情況。

[p+a(n/V)2](V-nb)=nRT

(2)

(3)

式中，p—— 蓄能器工作過程中的氣體壓強

a，b—— 范德瓦爾斯修正量

V0—— 蓄能器氣體初始體積

V—— 蓄能器氣體工作過程中的體積

n—— 氣體摩爾數(shù)

R —— 理想氣體常數(shù)

Q—— 閥門的液壓流量

t—— 作動工作時間

T—— 氣體絕對溫度

2 某型氣液蓄能器設(shè)計分析及改進

2.1 通用活塞式氣液蓄能器分析及不足

通過對活塞式蓄能器的相關(guān)文獻整理及原理分析得出，在設(shè)計加工時要注意以下幾方面：

(1) 蓄能器本質(zhì)上仍是一個容器，缸體內(nèi)部承載壓縮氣液體，要有有效措施解決氣液之間的泄漏與缸體兩邊端蓋的泄漏；

(2) 缸體內(nèi)部不斷的進行充能、釋能的過程，即充放壓的過程，所以必須對其結(jié)構(gòu)的疲勞極限和材料強度進行關(guān)注，對容易出現(xiàn)疲勞損壞的地方進行處理，減少應(yīng)力集中；

(3) 活塞與筒壁的接觸力度必須要適中。接觸過緊會增大接觸阻尼系數(shù)，不僅會增大活塞的磨損，同時會減少蓄能器工作效率；過松便會引起氣液之間的泄漏。同時還要選用合適的密封圈，保證密封性能；

(4) 活塞厚度盡量保證，防止出現(xiàn)活動時卡頓，生澀的現(xiàn)象；

(5) 對活塞形狀進行改變，盡量使活塞形狀凹陷于氣體腔一側(cè)，這樣可以在初次充能時將高壓液油側(cè)的氣體排空；同時可以增大氣體腔體積，增加設(shè)備蓄能潛力。

2.2 某型蓄能器的改進與分析

由于蓄能器是壓力容器，所以判斷在耐久循環(huán)試驗中產(chǎn)生漏油現(xiàn)象的原因為，蓄能器內(nèi)部某處應(yīng)力集中，長時間充放壓，導(dǎo)致疲勞破壞[12]。

針對上述的分析，對某型蓄能器進行改進，并在SolidWorks中建立三維模型，對于活塞蓄能器的諸多零件，建模相對復(fù)雜，但由于其本身筒式結(jié)構(gòu)及內(nèi)部零部件的對稱性，使得建模過程能夠足夠簡化，下面簡述其參數(shù)化建模的過程：

(1) 在草圖環(huán)境中創(chuàng)建活塞蓄能器缸體及活塞部分剖面輪廓，旋轉(zhuǎn)形成活塞實體；

(2) 用拉伸特征創(chuàng)建位移傳感器模型；

(3) 在缸體兩端嵌入端蓋模型后，用編輯、鏡像命令復(fù)制端蓋鉚釘，完成對蓄能器的密封；

(4) 在建立好的端蓋模型中嵌入SolidWorks中常用閥門、管路等；

(5) 倒角等命令完成整個活塞凸臺的建模。

建模后如圖2、圖3所示。

圖2 SolidWorks三維模型

圖3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

整個活塞蓄能器包括缸體、蓄能器套筒、活塞、兩側(cè)端蓋、位移傳感器、電磁閥、充氣接口、壓力變送器等。

在模型設(shè)計上首先利用加厚的法蘭盤制作氣面端蓋和液面端蓋，通過適量的鉚釘對其進行固定，保證了缸體整體的密封性；在氣體腔一側(cè)增加套筒，使得氣體腔活塞行程固定，能夠保證氣體壓縮比穩(wěn)定，即可以控制氣體體積，保證每次儲能量穩(wěn)定，使得右側(cè)的油液腔每次最大注入的液油體積固定；將活塞氣體腔一側(cè)掏空，增大了可蓄積氣體的體積，減少活塞質(zhì)量，節(jié)約材料；提高活塞厚度，增加密封圈的數(shù)量，密封圈是維持氣液間密封性的關(guān)鍵，因為在蓄能器工作時，活塞滑動極有可能造成液油泄漏[13]，因此選用T型特康格萊圈和5型特康A(chǔ)Q封配對使用[14]，并且在兩者之間開出凹槽并填充黃油，如此便能防止氣體腔內(nèi)氣體泄漏到油腔，同時還可潤滑氣腔內(nèi)表面。

完成初期的改進設(shè)計后，建立三維模型并對其進行應(yīng)變分析，選材料為45號鋼(抗拉強度為σb=600 MPa，屈服點σs=350 MPa)，可以得到應(yīng)變云圖，如圖4所示。圖中顏色變化表示應(yīng)變的大小，顏色越深應(yīng)變越大[15]。

由靜力學(xué)分析可以看到，蓄能器筒受內(nèi)壓力，在進行作動時，氣體膨脹做功，筒壁發(fā)生明顯形變。該圖像

圖4 蓄能器應(yīng)變分布

能明顯看出形變位置，但其實形變數(shù)值并不大，只是相較于端口處筒壁發(fā)生的形變更加明顯。對缸筒徑向變形ΔD計算，處于變形允許范圍之內(nèi)。

(4)

其中，γ為0.3泊松比；E為206 GPa彈性模量；pnx為20 MPa額定最高壓力。

通過法蘭盤端蓋固定端口之后，可以在圖中看出端口兩端的形變相較于筒壁基本可以忽略不計，在端口處基本未發(fā)生形變，說明蓄能器的封口結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，具有良好的密封性，證明該蓄能器改進后能在正常工作的同時較好的解決泄漏的問題。

3 結(jié)論

(1) 活塞式結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用成熟的類型，可以基于經(jīng)典蓄能器工作原理建立數(shù)學(xué)模型，但在建模時需考慮到氣體分子之間的體積盡可能模擬實際工況；

(2) 兩側(cè)端蓋與缸體結(jié)合密封、活塞厚度及形狀、活塞與管壁接觸力度等均影響蓄能器整體性能，需針對改進；

(3) 在通過加厚端蓋、掏空氣體腔一側(cè)活塞、增加和改變活塞接觸面環(huán)切與材料填充等改進操作建模后，仿真得出改進蓄能器應(yīng)力集中變得圓滑，形變值很小，缸體結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，密封性增強，良好解決其泄漏問題。