蓄能器主要參數(shù)對(duì)液壓缸試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的影響與仿真研究

郭彤，林家祥，石煒

（廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545005）

0 引言

蓄能器作為液壓系統(tǒng)中重要的節(jié)能元件，被廣泛應(yīng)用于液壓系統(tǒng)中，起到吸收系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力沖擊、優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)等作用[1]。皮囊式蓄能器因其具有有效減少管路中的壓力波動(dòng)，并對(duì)溫度變化引起的管路液體體積變化起到一定的補(bǔ)償作用的優(yōu)點(diǎn)成為最廣泛應(yīng)用的蓄能器之一[2]。在實(shí)際操作中，有諸多由于蓄能器參數(shù)選擇不當(dāng)而影響其吸收壓力沖擊能力的情況，為此大量研究人員以此為課題進(jìn)行試驗(yàn)研究。張圣卓等[3]建立了蓄能器極限工作壓力確定準(zhǔn)則，得出來(lái)一系列關(guān)于蓄能器選型具有指導(dǎo)意義的結(jié)論?？紫闁|等[4]對(duì)不同參數(shù)下蓄能器吸收壓力沖擊的能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到對(duì)蓄能器吸收沖擊能力影響較大的參數(shù)。從當(dāng)前的研究的情況來(lái)看，由于液壓缸試驗(yàn)臺(tái)的液壓系統(tǒng)所需壓力需要根據(jù)不同的工況調(diào)整，所以應(yīng)用于液壓缸試驗(yàn)臺(tái)的蓄能器選型研究較少。為有效減緩液壓缸試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中產(chǎn)生的壓力沖擊，達(dá)到節(jié)能減耗的目的。本文利用AMESim軟件對(duì)包含蓄能器在內(nèi)的液壓缸實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行建模仿真分析，研究蓄能器的參數(shù)對(duì)其性能之間的影響，對(duì)蓄能器性能的提高有一定的指導(dǎo)意義。

1 液壓缸試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)介紹

液壓缸試驗(yàn)臺(tái)為檢測(cè)液壓缸性能的試驗(yàn)設(shè)備，液壓缸的測(cè)試試驗(yàn)主要包括試運(yùn)行試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)、起動(dòng)壓力特性實(shí)驗(yàn)等。本文以耐壓試驗(yàn)具體實(shí)驗(yàn)要求為工況進(jìn)行分析研究，液壓缸試驗(yàn)臺(tái)的原理圖如圖1所示。本文選取耐壓實(shí)驗(yàn)對(duì)蓄能器性能進(jìn)行探究，該試驗(yàn)中蓄能器的作用是吸收系統(tǒng)壓力沖擊。耐壓試驗(yàn)通過(guò)把負(fù)載壓力設(shè)置為液壓缸最大壓力的1.5倍，并保壓10 s，來(lái)觀察液壓缸是否有泄露及液壓元件是否損壞。液壓缸試驗(yàn)臺(tái)各元件的具體參數(shù)為：柱塞泵17的最大工作流量為300 L，最大工作壓力35 MPa；三相電機(jī)20的轉(zhuǎn)速為1450 r/min；蓄能器12的體積為2 L；液壓缸1的缸徑為63 mm，行程為1000 mm。

圖1 液壓缸試驗(yàn)臺(tái)原理圖

2 蓄能器及其連接管路的數(shù)學(xué)模型分析

將蓄能器分為氣腔、液腔和連接管道三個(gè)部分分別進(jìn)行研究，最終聯(lián)立方程，得到蓄能器的整體數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步探究與蓄能器性能相關(guān)的參數(shù)。圖2為蓄能器受力簡(jiǎn)化模型。

圖2 蓄能器簡(jiǎn)化模型

2.1 蓄能器的氣、液腔受力分析

分析氣腔受力，可得氣腔受力方程：

其中：Pb為蓄能器液腔液體壓力；Pa為皮囊某時(shí)刻氣體體積壓強(qiáng);Va為皮囊某時(shí)刻氣體體積;Ke為皮囊在某一工作時(shí)刻的氣體剛度系數(shù)（Kg×m2）/s2。

其中：Pa0為蓄能器氣腔預(yù)充氣壓力；Va0為蓄能器氣囊預(yù)充氣壓力；Aa為蓄能器的橫截面積，m2；Ce為皮囊在某一工作時(shí)刻等效氣體阻尼系數(shù)；μ為蓄能器皮囊中氣體黏度系數(shù)。

分析液腔受力，可得油腔受力方程：

其中：P1為蓄能器進(jìn)油口壓力，MPa；m為液腔油液液壓油質(zhì)量，kg；Be為液腔油液等效黏性阻尼系數(shù)。

令：氣體多變指數(shù)n取1.4。

結(jié)合（1）～（5）得到蓄能器的受力方程：

由氣體狀態(tài)方程得知：

得出蓄能器的連續(xù)方程：

得到蓄能器完整數(shù)學(xué)模型：

2.2 連接蓄能器的管路分析

連接蓄能器的簡(jiǎn)化管路如圖3所示，連接蓄能器的管路的參數(shù)模型可近似于電傳輸線[9]，如圖4所示，其中，管路中的液阻R、液感L和液容C近似于電路中的電阻、電感、電容。

圖3 連接蓄能器的管路

圖4 管道參數(shù)模型等效電路

推導(dǎo)式：

式中：ρ為液體密度；E為夜油彈性模量；v為油液運(yùn)動(dòng)黏度；l為管道長(zhǎng)度；d為管道內(nèi)徑。

由公式推導(dǎo)可得：蓄能器的體積、連接管路的長(zhǎng)度和內(nèi)徑是影響蓄能器性能的重要因素。由于蓄能器為標(biāo)準(zhǔn)元器件，其尺寸等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定不便隨意調(diào)節(jié)。故試驗(yàn)探究選擇其體積、連接管路的長(zhǎng)度和管徑對(duì)其性能的影響。

3 系統(tǒng)的仿真與分析

借助于AMESim軟件建立了該液壓缸試驗(yàn)臺(tái)的仿真模型，通過(guò)改變蓄能器的體積、連接管路的長(zhǎng)度和內(nèi)徑對(duì)液壓缸試驗(yàn)臺(tái)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得出了不同參數(shù)對(duì)蓄能器吸收壓力沖擊的影響。其AMESim仿真模型如圖5。該液壓缸試驗(yàn)臺(tái)的工況主要依據(jù)耐壓試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容確定，反映了實(shí)際的測(cè)試工況。本文主要聚焦于蓄能器的參數(shù)對(duì)該試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)的影響，所以液壓系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)定內(nèi)容不再過(guò)多贅述。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：電磁換向閥8中位得電，負(fù)載回路關(guān)閉，電磁換向閥4左位得電，單向節(jié)流閥3開(kāi)啟，被測(cè)缸無(wú)桿腔進(jìn)油，有桿腔回油至油箱，保壓持續(xù)10 s，通過(guò)壓力傳感器2觀察無(wú)桿腔的壓力變化。根據(jù)耐壓試驗(yàn)的工況設(shè)定的仿真模型中各種液壓元件的試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 液壓缸試驗(yàn)臺(tái)的AMESim仿真模型

表1 系統(tǒng)主要AMESim仿真參數(shù)

3.1 不同體積對(duì)其吸收系統(tǒng)壓力沖擊的影響

根據(jù)工況設(shè)定蓄能器的預(yù)充氣壓力為10 MPa油管的內(nèi)徑為50 mm，長(zhǎng)度為0.1 m。選用三種不同體積的皮囊式蓄能器型號(hào)分別為：NXQ1-L0.2/31.5-Y、NXQ1-L1/31.5-Y、NXQ1-L1.6/31.5-Y，觀察蓄能器不同體積對(duì)蓄能器吸收系統(tǒng)壓力沖擊的影響，其系統(tǒng)P處的壓力如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看到，在其他條件相同的情況下，安裝0.2 L的蓄能器時(shí)，系統(tǒng)的壓力高達(dá)20.2 MPa，其充液時(shí)間為0.49 s，安裝1 L蓄能器時(shí)，系統(tǒng)壓力峰值為16.8 MPa，充液時(shí)間為0.51 s，安裝1.6 L的蓄能器雖然壓力波動(dòng)較小，但是充液時(shí)間長(zhǎng)達(dá)0.6 s。由此可見(jiàn)，蓄能器體積越大，吸收沖擊效果越好，但當(dāng)所選蓄能器體積大于滿足吸收系統(tǒng)壓力沖擊最小體積時(shí)，蓄能器的大小對(duì)其吸收壓力沖擊的效果沒(méi)有太大影響，但體積大的蓄能器充液時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)反應(yīng)緩慢。

圖6 蓄能器不同體積時(shí)系統(tǒng)壓力放大

3.2 蓄能器管路長(zhǎng)度和內(nèi)徑對(duì)其吸收系統(tǒng)壓力沖擊的影響

根據(jù)工況選擇與之匹配的液壓油管尺寸，其他系統(tǒng)參數(shù)不變，連接蓄能器管道長(zhǎng)度分別選用0.1 m、1 m、2 m，管路內(nèi)徑選用6 mm、16 mm、25 mm分。選擇不同的管路長(zhǎng)度，觀察蓄能器管路長(zhǎng)度對(duì)蓄能器吸收系統(tǒng)壓力沖擊的影響。其仿真結(jié)果如圖7、8、9所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖7 連接管路內(nèi)徑為6 mm時(shí)系統(tǒng)壓力放大

根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)定管路內(nèi)徑為6 mm。管路長(zhǎng)度為0.1 m時(shí)，系統(tǒng)波峰為15.8 MPa，管路長(zhǎng)度為1 m時(shí)，系統(tǒng)壓力峰值達(dá)到17.7 MPa；在其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)管路長(zhǎng)度為2 m時(shí)，系統(tǒng)波峰高達(dá)18.8 MPa，設(shè)定管路內(nèi)徑為16 mm，管路長(zhǎng)度為0.1 m時(shí)，系統(tǒng)無(wú)波峰；管路長(zhǎng)度為1 m時(shí)，系統(tǒng)壓力峰值達(dá)到18 MPa；管路長(zhǎng)度為2 m時(shí)，系統(tǒng)波峰高達(dá)18.9 MPa；在其他參數(shù)不變的情況下，當(dāng)管道內(nèi)徑為25 mm時(shí)，管路不同的長(zhǎng)度取值，系統(tǒng)皆無(wú)波峰。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在蓄能器連接管道內(nèi)徑較大時(shí)，系統(tǒng)吸收壓力沖擊的能力較強(qiáng)，但當(dāng)管路內(nèi)徑足夠大時(shí)，改變蓄能器連接管路的長(zhǎng)度，對(duì)蓄能器吸收壓力沖擊的能力并無(wú)太大影響。

圖8 連接管路內(nèi)徑為16 mm時(shí)系統(tǒng)壓力放大

圖9 連接管路內(nèi)徑為25 mm時(shí)系統(tǒng)壓力放大

在蓄能器其他參數(shù)不變的情況下，選擇不同的管路內(nèi)徑，觀察管路內(nèi)徑對(duì)蓄能器吸收沖擊壓力的影響。其仿真結(jié)果如圖10、11所示。根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在其他參數(shù)不變的情況下，當(dāng)管道長(zhǎng)度為0.1 mm時(shí)，管路不同的內(nèi)徑取值，系統(tǒng)皆無(wú)波峰；在其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)定管路長(zhǎng)度為1 m，管路內(nèi)徑為6 mm時(shí)，系統(tǒng)波峰高達(dá)18.4 MPa，管路內(nèi)徑為16 mm、25 mm時(shí)系統(tǒng)壓力波動(dòng)較為平緩，管路內(nèi)徑為16 mm時(shí)規(guī)律一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明蓄能器連接管道長(zhǎng)度較短時(shí)，系統(tǒng)吸收壓力沖擊的能力較強(qiáng)，但當(dāng)連接管道較短，改變使管道內(nèi)徑對(duì)蓄能器的性能沒(méi)有太大影響。

圖10 管路長(zhǎng)度為0.1 m時(shí)系統(tǒng)壓力放大

圖11 管路長(zhǎng)度為1 m時(shí)系統(tǒng)壓力放大

4 結(jié)論

綜合分析，得出以下結(jié)論：

（1）蓄能器的體積、蓄能器連接管路長(zhǎng)度和內(nèi)徑等參數(shù)對(duì)蓄能器吸收系統(tǒng)的壓力沖擊具有重要的影響。

（2）當(dāng)所選蓄能器體積大于滿足吸收系統(tǒng)壓力沖擊最小體積時(shí)，蓄能器的大小對(duì)其吸收壓力沖擊的效果沒(méi)有太大影響，但體積大的蓄能器充液時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)反應(yīng)緩慢。同一蓄能器其連接管路內(nèi)徑大小不變時(shí)，連接管路越短、吸收系統(tǒng)的壓力沖擊越充分；同一蓄能器其連接管路長(zhǎng)度不變時(shí)，連接管路內(nèi)徑越小，吸收系統(tǒng)壓力沖擊越充分。

（3）同一蓄能器，當(dāng)蓄能器管道長(zhǎng)度足夠短時(shí)，改變蓄能器連接管道的內(nèi)徑，對(duì)其性能沒(méi)有太大影響；當(dāng)蓄能器管道內(nèi)徑足夠大時(shí)，改變蓄能器連接管道的長(zhǎng)度，對(duì)其性能沒(méi)有太大影響。