能量回收式液压阻尼器系统原理设计.pdf

第 1 0 期 2 0 1 0年 1 0月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 3 3 文章编号 1 O O l 一 3 9 9 7 2 0 1 0 1 0 0 0 3 3 0 3 能量回收式液压阻尼器系统原理设计 术 蔡 雷丁渭平李 允刘 斌阮光强 西南交通大学 机械工程学院 汽车工程研究所 ， 成都 6 1 0 0 3 1 Sc h e ma t i c d e s i g n o f e n e r g y r e c o v e r y h y d r a u l i c d a mp e r s y s t e m CAI L e i ， DI NG W e i p i n g， LI Yun， LI U Bi n， RUAN Gu a n g q i a n g I n s t i t u t e o f A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ， S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t j i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1 引言 液压阻尼器是一种用来延长冲击负荷的作用，吸收并转化 为冲击能量 ， 限制负载速度 、 位移的装置。阻尼器种类很多 ， 有铅 挤压阻尼器， 钢阻尼器 、 摩擦阻尼器以及液体黏滞阻尼器等。其 中， 较为成熟主要是液体黏滞阻尼器。研制了一种使用在桥梁上 新型液体粘滞阻尼器， 该阻尼器的优点是结构简单 ， 加工方便， 易 实现 ， 利用 A U T O C A D作 图和 A D A MS 建立模型 ， 进行模型仿真 得出所需参数值， 对多个敏感参数进行分析讨论， 同时对阻尼器 工作过程中吸收能量进行计算， 讨论出一套适合能量回收的简单 系统， 定量分析了该系统效能。 2系统方案 由于液体粘滞阻尼器作用过程中，将机械能转化为热能耗 散掉， 如何将这部分耗散掉的热能转化为电能， 提供给用电设备， 必将节省资源。 为了将一部分吸收的功转化为电能避免以热能的 方式耗散掉， 基于液压系统工作稳定的优点， 忽略体积等因素， 基 本方案为 在不影响阻尼杼l生的情况下在阻尼器旁路连接双向液 压马达， 活塞往复运动促使液压马达正反转进而将液压能转化为 机械能， 通过联轴器连接发电机， 将机械能转化为电能， 最终实现 机械能一液压能一其它可利用能的转化。 3液压阻尼器 3 ． 1 原理设计 新型阻尼器设置了常通孔、 常闭单向阀和常开双向阀。当 阻尼力迅速上升，当速度达到Ⅳ值时单向阀两端压差大于弹簧 预紧力时， 此时单向阀开启实现溢流到达卸荷的目的， 从而使阻 尼力不随速度的增加而无限增 加 ， 该阻尼力一 速度 ， 如图 1 所示 。 所有的回复力由螺旋弹簧提供 ， 实际仿真中所得曲线在， 和 ， ， 之 间的阻尼力和活塞运动速度并不一定是成线性关系。 当阻尼器运动速度低时， 阻尼力很小基本维持不变， 而运动 速度达到 2 0 ra m s‘ 左右时， 阻尼力下降到 2 0 0 K N左右并保持在 误差为 I O K N范 围以内。 图 1 F V图 3 ． 2关键参数 活塞结构据参考文献【 嘤求设计， 本阻尼器为双出杆式， 主 要包括活塞、 活塞杆、 端盖、 透盖、 主缸 、 连接透盖、 副缸、 底座等， 如图2所示； 活塞包括阻尼孔、 锥阀、 常通孔 ， 复位弹簧等， 如图 3 所示。其中影响阻尼器性能的主要结构有弹簧、 阻尼孑 L 、 常通孑 L 。 1 从加工难易角度出发 ， 锥阀更 易于加工 ， 减小了加工难 度， 相关配合参照口 结构， 如图4 、 图5所示。单向阀弹簧参数13 1 d 1 ．6 m m； D 8 mm； H 1 5 ； 圈数 4圈． 冈 0 度3 1 ． 6 N ／ mm； 预压缩量 4 m m 速度达到， 值时常开双向阀两端压差大于弹簧预紧力， 阀关闭使 H 弹簧自由高度 。 ★ 来稿 日 期 2 0 0 9 1 2 2 6 女 基金项目 中央高校基本科研业务费专项资金项目资助 S WJ T U 0 9 Z T 0 8 3 4 蔡 雷等 能量回收式液压阻尼器系统原理设计 第 l 0期 2 双向阀弹簧参数 p r f 1 ．6 ra m； 8 ra m； H I 1 mn ] ；固数 2 ．5 ； 刚度5 0 ．6 N ／ ra m； 预压缩量 4 ra m； H 弹簧 自由高度 。 3 常通孔直径 D 2 ra m。 4 液压油 常温下硅油牌号 2 0 1 1 0 0 0 。 直 图 2阻尼器结构图 1 ．主视图2 ．俯视图3 ． 向视图 a 主视图 b 俯视图 图 3活塞内部结构 1 - j 单 簧 2 ． 单向阀 3 ． 阻尼孔 4 单 簧 5 ． 双向阀 6 ．常通孔 图4单向阀 图 5双向阀 4 能量回收装置 4 ． 1 原理设计 能量回收装置主要包含阻尼器、 双向马达、 发电机。 主要原理 外界激励推动活塞运动使液压缸内液体流动，带动连接的 液压马达转动， 进而马达对外做功产生其他能量比如电能， 或者 连接到机械结构中对其做功为了减少管道沿程损失和部件效率 的影响， 尽量减少管道使用量 在阻尼器内部结构确定的情况下，能量利用的高低主要受 液压马达、 发电机、 联轴器、 管道沿程损失和外界输入的影响。 l 2 l 亩 图 6系统结构 1 ． 阻尼器 2 ．液压马达 3 负 载 4 , 2关键参数 回收装置 中液压马达 的关键参数有理沦转矩 ， N 、 实际转 矩 N Il l 、总效率 。在仿真过程中液压马达参数 C o n t r o l I n p u t F u n c t i o n ，设置为 0 ．2 ， i n i t i a l c o n t r o l i n p u t 和 i n i t i a l a n g u l a r v e l o c i b 设 置 为零 ， s h e a r d a m p i n g c o e ff i c i e n t设置 为 0 ． 1 ， i n t e r n a l f r i c t i o n c o e f f i c i e n t 设鼍为 0 ． 2 。 5 性能预估 5 ． 1仿真模型 模型包括机械系统和液压系统，液压系统是在已有的机械 模型基础 利用 A D A M S ／ H y d r a u l i c s 模块添加液眶传动回路， 并 通过该回路中的执行元件， 将液压系统的作用力传递到机械模型 中。 同时机械系统会将速度、 位移等信息传递给液压系统。 如图6 所乐 ， 是液压系统。如图 7 所示 ， 为阻尼器仿真模型。 图 7液压系统 8阻尼器仿真模型 模型 中做 了一下假设 1 活塞与工作缸、 活塞杆之间不产生泄漏 ； 节流过程中产 生油气泡所耗用的油液质量忽略不计； 不计工作油液重力势能影 响； 不计阻尼器缸内压力变化所引起的系统刚性构件的弹性形变 而造成容积变化的影响。 2 活塞中阻尼孑 L 和流道采用 l a mi n a r o r i fi c e表示； 所有阀 采用 c a r t r i d g e v a l v e 3 p ， 其中两个单向阀组合模拟一个双向阀。 No ． 1 0 0 c L 2 0 l 0 机 械 设 计 与 制 造 3 5 3 常通孔采用 p i p e ，首先通过二维图尺寸和 P R O ／ E汁算 出机械结构的质量、 转动惯量等， 然后将所有参数应用于模型中； 4 弹簧参数按照国家标准和阻尼器尺寸结构选取_引 。 5 _ 2阻尼性能 采用正弦位移输入， 频率和振幅分别为户1 H z ， A 5 n l n l 。 总仿 真时间为 2 s ，所得阻尼力变化 曲线和活塞运动速度变化 曲线如 图8 所示， 从阻尼力变化曲线中得出， 在压缩 拉伸 过程中， 初始 阻尼力上升缓慢，随着阻尼力增加到一定值后 ，急剧下降到 2 0 0 K N左右 此时卸荷阀开启 ， 随后保持平稳。图中实线为阻尼 力曲线 ， 虚线为运动速度曲线 根据图 8 ， 做出了四分之一周期内阻尼力运动速度变化曲 线 ， 如图 9 所示。 从 图 9中可以得出住四分之一周期 I大 J F V变化图基本满足 此前所要求的变化趋势； 速度在 0 ～ 5 mm ／ s 内， 阻尼力小， 速度为 5 ra m s 时阻尼力约为 6 3 5 0 N， 在2 0 m n s 时阻尼力下降到约为 2 0 1 ． 6 6 K N并维持在误差限内。 T i me S e C 图 9阻尼力变化 图 图 l 0 F V衄线 将单向阀和常通孑 L 阻尼孔直径 同时增大 1 a m或 同时减小 O ． 5 I l l 1 ] 1 得到 ， 如图 l l 所示。 三繁 嚣 藉 a 单向阀 b 双向阀 图 1 1不同阀对应阻尼孑 L 直径下力变化图 分析知常通孑 L 阻尼孔直径单向阀弹簧刚度对阻尼力影响较 大， 而单向阀影响较弱， 活塞内部流道孔径大小对整体阻尼力的 变化影响很小； 随着粘度的增加， 阻尼力也随着增加； 为了满足要 求阻尼孔直径约为 1 ． 3 m l n ， 针对该阻尼器可以通过调整阻尼孔直 径和单 向阀弹簧刚度调整阻尼力变化。 5 ． 3能量回收性能 通过仿真得出， 如图 l 2所示， 示功图的面积 乘以力的比 例 表示阻尼器在一个振动周期所 吸收的功 ， 图 中每个小方块的 面积为 2 5 0 0 0 N ／ mm ， 则 图形 围成 的面积约为 4 0 0 0 N ／ m ， 因此 阻尼器一个振动周期吸收的功约为 4 0 0 0 J 。 示功图 S m ln 图 l 2示功图 利用液压马达将产生转矩， 将转矩输入其它机械机构， 使其对 机械机构做功， 通过计算机械机构吸收的功最终得出转化效率 ／ l ， f | J t ， ； ／ ⋯ I 二一 i ＼f I i t n e [ s ] 图 1 3转矩 曲线 模型仿真得到通过进行模型仿真得转矩输出曲线，能对向 外界做功为 1 9 1 9 ．4 5 J ， 转化效率为 4 7 ． 9 8 ％。 由此可知将阻尼器吸收的能量能够转化为其他能量，比如 说电能； 因此， 说明该思路是正确的， 具有一定的研究潜力和实用 价值。 6结论 通过对阻尼器原理和结构的分析 ， 进行适 当的简化 ， 活塞内 部的阻尼孔， 流道用相应的模型进行了较为精确的模拟 ， 结果表 明通过 A D A MS ／ h y d r a u l i c 模块对液压阻尼器进行的参数调整基 本满足要求， 经初步研究分析表明将阻尼器吸收的功转化为其它 可利用能量是可行的。 参考文献 1 黎启柏等． 液压元件手册I s ] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 0 2机械设计手册 新版 ， 2 0 0 8 3 G B ,T 2 0 8 9 1 9 9 4 圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数I s ] ， 1 9 9 4 4邬 都 ， 赵君黎 ， 李 贞新等．阻尼器在我 国长大桥梁建设 中的应用简介 [ J ] ． 公路 ， 2 0 0 9 5 5喻凡 ， 曹明等肩 量 回馈式车辆主动悬架的可行性研究[ J j ． 振动与冲击 ， 2 0 0 5 ， 2 4 4 2 7 ～ 3 O 6 吴向东， 安维胜。液压系统的能量回收方法[ J ] 掖压与气动， 2 0 0 1 1 2 1 6 q7 7 李福义．液压技术与液压伺服系统[ Ml_ 哈尔滨 哈尔滨工程大学出版社， 】 9 9