AIRSEA System Ⅱ中新型液压缓冲器的设计与分析.pdf

第 l 2卷第 2期 2 0 1 4年 4月 南水北调与水利科技 S o u t h - t o - N o r t h Wa t e r T r a n s f e r s a n d Wa t e r S c ie n c e ＆ T e c h n o l o g y Vo 1 ． 1 2 No ． 2 Ap r ． 2 0 1 4 [ 3 01 1 0 ． 1 3 4 7 6 ／ j ． c n k i ． n s b d q k ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 4 2 AI RS E A S y s t e m I I中新型液压缓冲器的设计与分析 于富强 海军蚌埠士官学校， 安徽 蚌埠 2 3 3 0 1 2 摘要 海洋重力测量是在动态环境中进行的。为了提高测量精度 ， 当前 AI R S E A S y s t e m1 I 在海洋重力传感器吊桶 下使用 8 根液压缓冲杆来制衡测量船的扰动 ， 但仍存在易老化、 缓冲差等问题。为此， 利用 4个新型液压缓冲器置 于吊桶底部来代替传统的 8根液压缓冲杆， 增加传感器在恶劣气候下工作的稳定性。数值仿真模拟计算及海上试 验数据证实， 新型液压缓冲器能有效扩大测量范围并获取高精度数据。 关键词 液压缓冲器； 海洋重力测量； 传感器 吊桶； A I RS E A S y s t e m1 1 中图分类 号 P 2 2 2 ． 3 9 文献标 识码 A 文章编 号 1 6 7 2 1 6 8 3 2 0 1 4 0 2 0 1 7 5 0 3 An a l y s i s a nd De s i g n o f Ne w Hy d r a ul i c Bu m p e r i n AI RS EA S y s t e m I I YU Fu - q i a n g Na v a l B e n g b u P e t t y O f f i c e r Ac a d e m y， B e n g b u 2 3 3 0 1 2 ， C h i n a Ab s t r a c t S e a g r a v i t y me a s u r e me n t i s c o n d u c t e d u n d e r d y n a mi c c o n d i t i o n s ． I n o r d e r t O i n c r e a s e t h e me a s u r e me n t p r e c i s i o n，e i g h t h y d r a u l i c b u mp e r s we r e u s e d i n t h e s e a g r a v i me t e r s e n s o r b u c k e t o f AI RS EA s y s t e m I I t O d e c r e a s e t h e p e r t u r b a t i o n o f t h e s u r v e y b o a t ； h o we v e r ， s u c h p r o b l e ms a s e a s y t O a g i n g a n d p o o r b u f f e r s t i l l e x i s t ． Th e r e f o r e ， f o u r n e w h y d r a u l i c b u mp e r s we r e p l a c e d o n t h e b o t t o m o f t h e s e n s o r b u c k e t t O i mp r o v e t h e s t a b i l i t y o f t h e s e n s o r u n d e r s e v e r e we a t h e r c o n d i t io n s ． ． Nu me r i c a l s i mu l a t i o n a n d e x p e r i me n t a l d a t a c o n f i r me d t h a t t h e n e w h y d r a u l i c b u mp e r c a n e f f e c t i v e l y e x t e n d t h e me a s u r e me n t r a n g e a n d a c q u i r e d a t a wi t h h i g h a c c u r a c y ． K e y w o r d s Hy d r a u l i c b u mp e r ； S e a g r a v i me t r y ； S e n s o r b u c k e t ； AI RS E A S y s t e mI I 1 问题的提出 2 设计方案 海洋重力测量不同于陆地环境下的静态测量， 它是将重 力仪放置在测量船的测量平台上进行的动态测量。重力传感 器被称为海洋重力仪的“ 大脑” ， 直接决定着重力测量的精度。 目前， A I R S E A S y s t e mU 已经开始应用于我国的海洋重力测 量 1 ] 。为了获取高精度的测量结果， 使海洋重力仪在作业时 处于一种平衡状态， 通常在仪器 A 珉s E A S y s t e m l I 的传感器吊 桶下方固定 8 个液压缓冲杆， 来减弱外界干扰因素对传感器 的影响。但是当前 A I R S E A S y s t e m [ ][ 所使用的 8根液压缓冲 杆存在很多问题， 比如随着使用时间的累计， 器件的老化， 缓 冲效果很难达到预期 ， 且在零件稍有磨损就易引起缓冲力严重 下降而失效[ 2 ] 。为此， 在长期研究液压缓冲器的基础上， 笔者结 合海洋重力仪的使用要求， 特设计了一种新型液压缓冲器来代 替液压缓冲杆， 测量时将海洋重力仪置于此缓冲器上[ 3 ] 。此设 计方案的应用可提高恶劣海况下海洋重力测量的精度。 2 ． 1 设计 思 想 将 8 根液压缓冲杆换成 4个新型液压缓冲器， 布置在传 感器吊桶的四个边， 具体方案见图 1 。这种新型缓冲器改变 了传统缓冲装置的设计思想 ， 使先进的陀螺稳定平台、 传感 器和吊桶的配合设计更趋合理， 运动更加平稳， 可以克服传 统液压缓冲杆易老化、 缓 冲差的缺点l 2 ] ， 进而最终提高海洋 重力测量的精度l 4 ] 。 力 矩马 传感器吊桶 液 压缓 冲器 图 1 重力传感器支撑缓冲系统 F i g ．1 The s u p p o r t a nd bu f f e r s y s t e m o f g r a v i t a t i o n s e ns o r 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 1 5 修 回 日期 2 0 1 4 0 3 0 6 网络出版时 间 2 0 1 4 0 3 1 0 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d o i ／ 1 0 ． 1 3 4 7 6 ／ j ． c n k i ． n s b d q k ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 0 1 ． h t ml 作者简介 于富强 1 9 6 1 一 ， 男 ， 辽宁沈阳人 ， 副教授 ， 主要从事海洋舰船工程教学及技术方法研究 。E - ma i l y u _ f u _ q i a n g 1 2 6 ． c o rn 立 l程 慕 ．1 7 5． 第 1 2卷 总第 7 1 期 南水北调与水利科技 2 0 1 4年第 2期 2 ． 2结构设计及工作原理 图 2是新型液压缓冲器的结构设计及工作原理图[ 5 ] 。 当传感器吊桶下坠作用于活塞杆顶部时， 活塞向下运动。由 于内筒上d qL 的节流作用， 右腔 缓冲腔 中的油不能畅通出 流， 外界冲击能使右腔的油压急剧上升。高压油从小孔以高 速喷出， 使 大部分压力能转变为热能， 由筒体逸散至大气 中_ 6 ] 。当缓冲器活塞位移至行程终端之前， 冲击能量已被全 部吸收。小孔流出的油返回至活塞左腔 因左腔有活塞杆 ， 泡沫式贮油元件被油压缩， 以贮存由于两腔体积差而多余的 油液。一旦外负载撤去， 在油压力和复位弹簧力使活塞杆伸 出的同时， 活塞右腔产生负压， 左腔及贮油元件中的油就返 回至右腔， 使活塞复位至端部。防尘圈和杆密封圈为双层密 封， 保证不漏油， 以增长其工作寿命[ 7 ] 。 I ． 活塞杆 2 ． 限位器 3 ． 防尘圈 4 ． 密封架 5 ． 杆密封圈 6 ． 轴 套 7 ． 密封 圈 8 ． 贮油元件 9 ． 外筒 1 O ． 活塞 l 1 ． 螺母 1 2 ． 弹簧座 1 3 ． 复位弹簧 1 4 ． 内筒 1 5 ． 钢球 1 6 ． 止动螺母 图 2 液压缓冲器的结构 Fi g ． 2 S t r u c t u r e o f h y d r a u l i c b u mp e r 2 ． 3 液压缓冲器的最大缓冲能力 当液压缓冲器内部的油受到压缩时会产生很高的压力， 可以有效地吸收传感器吊桶运动产生的动能。当海况良好 时， 液压缓冲器负载的质量较小、 冲击速度不高， 运动负载的 动能可以全部被液压缓冲器吸收； 当海况恶劣时， 液压缓冲 器负载的质量较大时， 运动负载的动能不能完全被液压缓冲 器吸收， 会发生传感器倒台现象， 此时， 将满足不发生传感器 倒台条件下的运动物体的最大动能或动量定义为液压缓冲 器的最大吸收能力。因此可以把是否发生传感器倒台作为 判断是否达到最大缓冲能力的指标。通常可以用到达行程 终点的速度作为衡量是否发生传感器倒台的标准。根据大 量的试验和计算结果 ， 可以将末端冲击速度 v 0 ． 0 5 m／ s 作 为液压缓冲器是否发生传感器倒台的标准[ 8 ] 。 假设此新型液压缓冲器的活塞直径为 1 4 mm， 行程为 1 2 i1 3 ．1 -1 1 ， 利用数值仿真模拟计算的方法得到了当达到最大缓冲 能量时负荷质量与最大冲击速度、 冲击动能和冲击动量的关 系 图 3和图 4 。从图 3可以看出当负荷质量发生变化时， 最大冲击动能也随之变化 ； 对于同一个缓冲器， 当冲击质量 较小时， 缓冲器可以吸收更多的动能。与之相反， 冲击动量 随负载的变化并不显著 图 4 ， 在某一质量区间内可以看成 常数， 即负荷质量与最大冲击速度成反比例关系。在相应的 对数坐标中， 负荷质量与最大冲击速度的关系是一条直线 ， 图 5中的每一条直线对应同一型号的液压缓冲器。液压缓 ． 1 7 6． 娃 皎 褥 冲器的体积越大， 可以吸收的运动负载的动量值越大， 对于 同一型号的液压缓冲器， 不同冲击负载所对应的最大冲击动 量接近一个常数。这个结论可以用来在试验时指导新型液 压缓冲器的选择。 负荷质 量n g k4 图 3 最大冲击动能和负荷质量的关系 Fi g ． 3 Re l a t ion s h i p b e t we e n ma x i mu m k i n e t i c e n e r g y a n d l o a d we i g h t 图 4 最大冲击动量和负荷质量的关系 Fi g ． 4 Re l a t i o n s h i p b e t we e n ma ximu m k i n e t ic mo me nt u m a n d l o a d we i g ht 图 5 负荷质量和最大冲击速度的关系 Fi g ． 5 Re l a t i o ns h i p b e t we e n l o a d we i g h t a n d n l a x i mu m i mp a c t v e l o c i t y 3 讨 论 1 海况比较好时， 无论是传统液压缓冲器还是新型液 压缓冲器都可以达到比较理想的状态， 重力传感器基本工作 于一种平衡状态[ g ； 但当海况比较恶劣时 测量船的水平干 扰加速度达到 1 O伽以上， 垂直干扰加速度达到 4 0伽以上 ， 如果使用传统液压缓冲器， 重力传感器吊桶会不断碰到重力 仪框架， 此时液压缓冲器 已不能制衡外部的干扰力了， 测量 数据无法满足精度要求[ 1 0 3 。而使用新型液压缓冲器能够增 大恶劣海况下测量数据的有效性， 经过海上试验得出 测量 船的水平干扰加速度在 1 5 伽以内， 垂直干扰加速度达到 6 O 伽以内， 海洋重力仪所测得的数据均可满足精度要求。 2 新型液压缓冲器在工作时由于油温的升高， 引起油 的粘度降低， 气室压力增大， 此时缓冲器性能发生变化。因 此， 在新型液压缓冲器设计时必须考虑开始工作时和温升后 的性能差异[ 1 。有效的办法是控制温升， 如使缓冲器内贮 以足够的油液， 壳体采用导热性能好的材料， 必要时外设散 热片。 ● 2 34567 8 9 m 他 n 于富强 AI R S E A S y s t e mU中新型液压缓冲器的设计与分析 3 液压缓冲器运动特性、 内部压力变化和最大吸收动 能与传感器吊桶的冲击质量和冲击速度密切相关。对 于相 同结构和尺寸的小型液压缓冲器， 不同质量的冲击负载所对 应的最大冲击动量接近一个常数。这个结论可以用来指导 液压缓冲器的选型和优化设计。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 易启林， 孙毅， 边少峰， 等． 海洋重力仪直接测量纬度技术探讨 [ J ] ． 海洋测绘， 2 0 1 2 ， 6 3 0 3 2 ． Y I Q i l i n ， S UN Y i ， B I A N Sh a o - f e n g． e t a 1 ．Dis c u s s i o n on Te c h n o l o g y o f La t i t u de Me a s u r e m e n t b y Ma r i n e G r a v i t y Me t e r [ J ] ． Hy d r o g r a p h i c S u r v e y i n g a n d Ch a r t i n g， 2 0 1 2， 6 3 0 3 2 ． i n Chi n e s e [ 2 2 张宁， 席建中， 韩成春． 一种液压减震器的研制与开发E J ] ． 液压 与气 动 ， 2 0 1 2 ， 7 1 2 ． z HAN G Ni n g ， XI J i a n - z h o n g， HAN C h e n g - c h u n ． R ＆D o f t h e N e w H y d r a u l i c S h o c k A b s o r b e r [ J ] ． Ch i n e s e Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s ，2 0 1 2，7卜2 ．i n Chi ne s e [ 3 ] 谢清陆， 高建尽， 李应超． 空气阻尼器在海洋重力仪上的应用设 计1 J ] ． 液压与气动， 2 0 1 2 ， 6 2 0 2 1 ． X I E Q i n g q u ， D A 0 J i a n - j i n ， I I Yi n g c h fl o ． T h e De s i g n a n d Ap p l i c a t i o n o f Ai r Da mp e r f o r Ma r i n e G r a v i me t e r [ J ] ． C h i n e s e H y d r a u l i c s P n e u m a t i c s ， 2 01 2， 6 2 O 一 2 1 ． i n Ch i n e s e E 4 2 赵立业， 李宏生， 周百令， 等． 高精度海洋重力测量中厄特弗斯 改正误差分析 [ J ] ． 中国惯性技术学报， 2 0 0 8 ， 4 4 6 2 4 6 5 ． ZHAO l i - y e ， LI Ho n g - s h e n g， ZHOU Ba i l i n g， e t a 1 ．An a l y s i s o n E O T V O S C o r r e c t i o n E r r o r s i n Ma r i n e G r a v i m e t r y [ J ] ． J o u r n a l o fCh i n e s e I n e r t i a l Te c h n o l o gy， 2 0 0 8， 4 46 2 4 6 5 ． i nCh i ne s e [ 5 ] 汪云峰， 谭宗柒． 基于 A ME S im／ Ma t l a b的液压缓冲器仿真与 优化 [ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 1 6 7 1 6 9 ． WANG Yu n - f e n g ， TAN Zo ng - q i ．Simu l a t i o n a n d Op t i mi z a t io n S ho c k Ab s o r b e r ”” ”” ”“”“””” 一 上接 第 1 5 6页 4 结语 B a s e d o n AME S i m／ Ma t l a b [ J ] ． Ma c h i n e T o o l Hy d r a u l i c s ， 2 0 0 8， 3 1 6 7 1 6 9 ． i n Ch i n e s e [ 6 ] 凌艺春． 高响应温度传感器在液压系统中的应用分析[ J ] ． 液压 与气 动 ， 2 0 1 2 ， 7 7 8 7 9 ． L I NG Y i c h u n ． Th e An a l y s i s o f Hi g h Re s p o n s e Te mp e r a t u r e S e n s o r i n t he Hy d r a u l i c S ys t e m Ap p l i c a t i o n s [ J ] ． C h i n e s e Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s ， 2 0 1 2 ， 7 7 8 7 9 ． i n Ch i n e s e [ 7 ] 梅怡． 新型液体静压支承技术在机床导轨上的应用[ J ] ． 液压与 气动， 2 0 1 2 ， 6 8 3 8 6 ． ME I Y i ． A p p l i c a t i o n o f a N e w H y d r id s t a t i c S u p p o r t T e c h n o l o g y o n Ma c h i n e T o o l G u id e [ J ] ． C h in e s e Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s ， 2 0 1 2 ， 6 8 3 8 6 ． i nC h i n e s e [ 8 ] 刘洋， 李宇力， 付英雄， 等． 基于缓冲力设计的变阻尼后倾缓冲 装置特性研究[ J ] ． 中国工程机械学报， 2 0 1 3 ， 1 8 3 8 7 ． L I U Ya n g， LI Y l i ， FU Yi n g- x i o n g， e t a 1 ． Pr o p e r t y S t u d y o n Va r i a bl e Da mp i n g An t i b a c k wa r d Bu ffe r Ba s e d o n B u f f e r i n g Fo r c e D e s i g n [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l O f C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y ， 2 0 1 3 ， 1 8 3 8 7 ． i n Ch i n e s e [ 9 ] 孙强， 李明叁， 景竞， 等． 海洋测深网质量的检核与评估模型 [ J ] ． 海洋测绘， 2 0 1 1 ， 6 3 1 3 4 ． S U N Q i a n g ， L I Mi n g - s a n ， J I NG J i n g ， e t a 1 ． Mo d e l s o f C h e c k a n d E v a l u a t i o n f o r S o u n d i n g D a t a i n G r i d P a t t e r n [ J ] ． Hy d mg r a p h i c S u r v e y i n g A n d C h a r - t i n g， 2 0 1 1， 6 3 1 3 4 ． i n Ch i n e s e [ 1 O ] 欧阳永忠， 陆秀平 ， 米阳， 等． 通用走航式海洋测量作业平台的 设计与实现[ J ] ． 海洋测绘 ， 2 0 1 2 ， 6 1 - 6 ． 0 u Y A N G Y o n g - z h o n g， L U Xi u p i n g， MI Ya n g， e t a 1 ． De s i g n a nd Re a l i z a t i o n o f G e n e r a l Un d e r w a y P l a t f o r m f o r Ma r i n e S u r v e y [ J ] ． H y d r o g r a p h i c S ur v e y i n g An d Ch a r t i n g， 2 0 1 1 ， 6 1 - 6 ． i n Ch i n e s e [ 1 1 ] 柳云峰， 刘源远． 液压阻力系数的选取对液压制动装置设计的 影响[ J ] ． 机械工程与 自动化， 2 0 1 1 ， 4 1 6 7 1 6 8 ． L I U Y u n - f e n g， LI U Yu a n - y u a n ． I n f l u e n c e o f Hy dr a u l i c Re s i s t a n c e Co d f i c i e n t o n H y d r a u l i c A r r e s t i n g A p p a r a t u s [ J ] ． Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g Au t o ma t io n， 2 0 1 1 ， 4 1 6 7 1 6 8 ． i n Ch i n e s e 根据南水北调中线天津干线的具体特点， 经多方案综合 比选论证， 天津干线采用了全箱涵无压接有压全 自流方案。 该方案充分利用了地形地势特点， 首部较陡段采用了小断面 的无压箱涵输水 ， 中、 下游地形相对平缓地区则采用低压箱 涵输水， 并采取了多级保水堰联合运用的方式， 既解决了小 流量输水时的消能问题 ， 满足了输送不同流量的要求 ， 还避 免了工程停水时重复充水的问题， 具有一定的创新性。通过 前段一定长度的无压流对流量调节时输水系统水力波动的 延缓、 衰减作用和有压段保水堰对水头的自动调节作用， 极 大的简化了调度运行程序 ， 保证了长距离有压流段的运行 安全 。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ] 肖智和， 李涛． 南水北调中线天津干线工程对沿线地下水环境 影响[ J ] ． 南水北调与水利科技， 2 0 1 2 ， 1 0 1 6 - 1 0 ． x I A 0 Z h i h e ， I I Ta o ． E f f e c t s o f Ti a n j i n Tr u n k R o u t e o f t h e Mi d d l e Ro u t e o f S o u t h - t o - No r t h Wa t e r D i v e r s i o n P r o j e c t o n R e g io n a l G r o u n d w a t e r E n v i r o n m e n t [ J ] ． S o u t h - t o - N o r t h Wa t e r T r a n s f e r s a n d W a t e r Sc i e n c e＆ Te c h no l o g y， 2 0 1 2， 1 0 1 6 - 1 0 ． i n Ch i n e s e 王 娃 | l嵌 慕 ．1 7 7．