基于Simulink的液压缓冲器动态特性分析.pdf

2 0 1 5年 7月 第 4 3卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 3 ． 0 3 6 基于 S i m u l i n k的液压缓冲器动态特性分析 黄景峰 ，董楠 ，刘圣杰 中国船舶重工集团公司第七一On究所，湖北宜昌4 4 3 0 0 3 摘要为研究液压缓冲器的缓冲特性，根据伯努利方程建立了该液压缓冲装置的数学模型。利用 S i m u l i n k的图形化建 模仿真工具，在该平台下搭建了缓冲器的计算模型，根据S i m u l i n k 模型对结构参数进行了仿真计算， 并分析了流液孔等参 数对缓冲性能的影响。分析结果表明沟槽起始深度越深、节流口长度越短，缓冲的效果越好。该模型为液压缓冲器提供 了一个参数化的设计工具 ， 便于不同工况下的液压缓冲器设计，具有一定的工程意义。 关键词 液压缓冲器；S i m u l i n k ； 流液孔； 结构参数； 动态特性 中图分类号T H1 3 7 文献标志码A 文章编号i 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 3 1 4 5 4 S t u d y o n Dy n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c s o f Hy d r a u l i c Bu mp e r Ba s e d o n S i mu l i n k H U A N G J i n g f e n g ， D O N G N a n ，L I U S h e n g j i e N o ． 7 1 0 R e s e a r c h a n d D e v e l o p me n t I n s t i t u t e ，C S I C， Y i c h a n g Hu b e i 4 4 3 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T o s t u d y t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f h y d r a u l i c b u m p e r ， t h e ma t h e m a t i c al m o d e l 0 f h y d r a u 1 i c b u m p e r w a s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t o Be r n o u l l i ． T h e c a l c u l a t i o n mo d e l wa s s e t u p b y t h e g r a p h i c al s i mu l a t i o n t o o l s o f the S i mu l i n k ． T h e n t h e s t r u c t u r e p a r a me t e r s o f t h e mo d e l we r e c a l c u l a t e d．a n d t h e i n fl u e n c e o f p a r a me t e r s o f t h e s t r e a m b o r e t o t h e p e rf o r ma n c e o f t I l e b u f f e r w a s a n a l y z e d ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e e p e r g r o o v e r i s ，o r t h e s h o r t e r b u f f e r i s ， t h e b e t t e r b uff e rin g e f f e c t i s ． I t p r o v i d e s a p a r a me t e r i z e d d e s i g n t o o l s o f t h e h y - d r a u l i c b u mp e r ，a n d c o n v e n i e n t f o r d e s i g n o f d i ff e r e n t wo r k i n g c o n d i t i o n s ． T h e mo d e l h a s a c e r t a i n e n g i n e e r i n g s i gni fic a n c e ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c b u mp e r ；S i mu l i n k ；S t r e a m b o r e；S t r u c t u r e p a r a me t e r s ；D y n am i c c h ara c t e r i s t i c s 0 前言 液压缓冲器是一种利用流体流动产生的黏性阻尼 作用，通过缝隙节流或节流小孔的方式，将部分冲击 能转化为热能与冲击能 ，实现缓冲功能的装置 。液 压缓冲器广泛应用于各种工程机械设备中，是设备在 运行过程中为了防止发生刚性碰撞的安全缓冲措施。 目前对液压缓冲器 的设计传统方法是结合运动 学 、动力学等理论进行计算 ，通过实验手段进行测 试 ，然后进行性能改进，过程繁琐 、设计周期长 。 本文作者利用 S i m u l i n k仿真工具搭建了液压缓冲器的 仿真模型，对液压缓冲器 的结构参数进行 了设计仿 真 ，得到了各组参数对缓冲性能的影响，为缓冲器的 设计提供了一种快速有效的方法 。 1 液压缓冲器的结构及工作原理 液压缓冲器主要以液压油作为缓冲介质，其基本 原理都是把冲击能通过缝隙节流或节流t J qL 的方式， 转化为热能，扩散至周围环境中，仅有一少部分冲击 能变为弹性能储存于复位件中。液压缓冲器具有缓冲 平稳 、性能稳定、容量大且便于调整等优点 。 图 I 是一种节流槽式液压缓冲器的结构原理 图， 该缓冲器具有行程短、缓冲效果好等特点。缓冲器主 要 由柱塞、滑套、缸筒、内套、复位弹簧 I 、复位弹 簧 Ⅱ等组成 ，工作腔 A 、非工作腔 B内在充满油液 ， 当碰撞到柱塞时，柱塞向左运动压缩复位弹簧 I ，由 于节流槽的节流作用，工作腔 A内油液压强急剧上 升，油液从轴芯上所开的节流槽以及配合面形成的缝 隙流向非工作腔 B中高速喷出，使非工作腔 B中产 生油压，油压推动滑块运动并压缩复位弹簧 I I 。这个 过程将大部分压力能转变为热能，由简体扩散到大气 中。当柱塞运动至行程末端时冲击能量已被完全吸收 转化 ，达到缓冲效果。一旦外负载撤离 ，在复位弹簧 的作用下柱塞恢复至初始位置。 图 1 液压缓冲器结构原理图 收稿日期 2 0 1 4 - 0 5 - 1 6 作者简介黄景峰 1 9 7 l 一 ，男，工程硕士，高级工程师，研究方向为特种机械设计与制造。E m a i l 1 3 9 7 2 0 1 3 4 9 3 1 3 9 ． c o rno 1 4 6 机床与液压 第 4 3卷 2 液压缓冲器建模 ] 由于液压缓冲器内液体流动情况十分复杂 ，且缓 冲器的特性影响因素较多 。因此根据液压缓冲器的 实际结构及工作原理，对模型进行简化处理 ，根 据理 想情况作出以下假设 1 液压缓冲器内液压油是不可压缩的； 2 流动是一维的定常流； 3 腔内的油液是完全注满。 2 ． 1 流液速度的计算 ] 设液体的密度为p，当柱塞向左以 V 1 的速度运动 时，在时间 d t 内，工作腔 A内排挤 的液体质 量为 o d t ，若滑套以 的速度向左运动，在时间 d t 内 进入到腔室的液体质量为 d t ，根据假设液体不 可压缩，从工作腔 A中排出液体质量等于进入到非 工作腔 B的质量，则 0 l d t p A2 2 d t 即 A 。 A z 2 1 式 中 A 。 为 工 作 腔 室 截 面 积 ， A o 竿， D o 为 柱 塞 直 径；A 为非工作腔室截面积，A 2 2 ，D 为 滑套外径， 为滑套内径。 若设油液以相对速度 通过节流 口 ，那么 时 间 d t 内通过的液体质量为 a d t ，则 p r o 2 a d t 。 l d t 2 即 2 n A o 口 l 3 其中0 -, x 为节流口截面积。 为便于工程应用，节流口采用 V型三角形变截面 薄壁孔口形式节流口，其节流口结构简图见图2 所示 。 图 2 节流 口结构示意图 为使受力对称 ，在对称面开另一个相同的节流 口，两个节流l I 的总截面积为 h O , x 4 s i n 、 其 中 一 ． h h 。 5 式 中 为柱 塞运 动 至行 程 处 的 沟槽 深度 ；h 。为 沟槽起始深度 ； 为节流口长度。 2 ． 2 伯努 利 方程 根据伯努利方程 z P _ p L 2 c 6 液压缓冲器工作腔 A与非工作腔 B中流体流动 满足上式，二者之间流液的高度相差不大 ，可 以认为 g 1 ，在工作腔 A内流液截面上 ，压强为 P ，流速 为 ∞ - 0 ，在非工作腔 B内流液截面上 ，压 强 为 P 2 ， 流速为甜 ，记流量的能量损失为 ，其中 为 损失系数。 由于滑套 以 的速度 向左运动 ，非工作腔 B截 面流液的绝对速度 ∞ { ,0 2 -- ／ ，根 据式 3 可知 。 ㈩ 将式 7 代人式 6 中得到 P{ - p7 ， 下 1 8 引入修正系数 1 。 2 ． 3 液 压 阻力方 程与 运动 方程 【 。 ] 在缓冲过程中，工作腔 A内流体压力作用在柱 塞面 o 上，产生液压阻力为 p 。 A 。 ，非工作腔 B内液 压作用在滑套面 A 2 上的力为p A 。 ，根据牛顿运动方 程，联立上述方程可以得到如下方程组 f d v ， f P zA2 z 一 。 A0 I 2 2 d v 1 一 p 】 A 。 F 。 h n _ Sl n t 1 ． 0 L 9 其中J为负载 回转转动惯量 ；r 为负载 回转半径 k l 为复位弹簧 I 刚度系数 ； 为复位弹簧 I I刚度系 数；F o 为复位弹簧 I 初力； 为复位弹簧 I I 初力。 3 缓冲器 S i m u l i n k平台的搭建与仿真 根据所建立的液压缓冲器方程组 9 ，在 S i m ． 1 i n k平台下搭建液压缓冲器的计算模型，所搭建的模 型如 图 3所示 。 第 1 3 期 黄景峰 等 基于 S i m u l i n k的液压缓冲器动态特性分析 1 4 7 J _z h u an g d o n f K , ua n i j a n g 图 3 液压缓冲器 S i m u l i n k模型 为分析液压缓冲器的结构参数对其缓冲性能的影 响，以表 1 中的参数进行仿真研究。 表 1 液压缓冲器仿真计算参数 柱塞直径 D 0 ／ ra m 3 5 复位弹簧 I 的初力 F 。 8 4 滑套内径 d ／ mm 4 8 复位弹簧 I I 的刚度系数 后 ／ N u tl m 5 ． 4 滑套外径 D 2 ／ ra m 6 4 复位弹簧 I I 的初力 。 8 沟槽起始深度 h o ／ mm 2 ． 7 液压油密度p ／ k g m 9 2 0 节流口长度 L ／ram 2 5 滑套质量 m2 ／ k g 0 ． 3 1 3 4 节流槽开口角 。 6 0 负载回转半径 r ／ mm 6 8 4 复位弹簧 I 的刚度系数 l ／ N m m 1 ． 9 1 负载回转惯量 J ／ k g IT I 6 4 0 1 沟槽起始深度 。 对缓冲器性能的影响 以表 1 中的参数作为仿真初始数据 ，对沟槽起始 深度 h 。 分别为 1 ． 7 、2 ． 7 、3 ． 7 m m时进行仿真计算， 0 ． 0 0 0 , 0 5 0 ． 1 0 t ／ s 0 l 5 0 ． 2 0 0 ． 2 5 图 4 6为不 同的沟槽 深度 h 。 对缓 冲性能 的影响 曲线。 O O O 0 0 5 0 ． 1 0 t ／ s 0 ． 1 5 0 ． 2 0 0 ． 2 5 图4 不同沟槽起始深度 h 。 对工作腔室 A的压强 p 的影响 图 5 不同沟槽起始深度 h 。 对缓冲速度 的影响 1 4 8 机床与液压 第 4 3 卷 图6 不同沟槽起始深度 h 。 对缓冲行程 的影响 由图 4 6 可知，沟槽起始深度越深，工作腔室 压强越大，缓冲速度下降越慢，工作行程越短。 2 节流 口长度 对缓冲器性能的影响 为研究节流口长度t对缓冲器的影响，对节流口长 度 t分别为 2 5 、3 0 、3 5 m m时进行仿真计算，图7 9 分别为不同节流口长度 对缓冲性能的影响曲线。 图 7 不同节流口长度 对工作腔室 A的压强 p 的影响 O ． 2 5 0 ． 2 0 叻 o ． 1 S 葺 0 ． 1 0 0 ． O 5 O ． O 0 O ． O 0 0 ． 0 5 0 ． 1 O 0 ． 1 S O ． 2 O O ． 2 5 0 。 3 O t } 毫 图 8 不同节流口长度 t对缓冲速度 的影响 图 9 不同节流口长度 t对缓冲行程 。 的影响 由图7 9可知，节流口长度越长 ，工作腔室的 压强 峰 值越 小 ，缓 冲 速 度 下 降越 慢，工 作 行 程 越长 。 从上述仿真曲线可以看 出沟槽起始深度越深 、 节流口长度越短 ，工作腔室 A的压强峰值越大，压 强脉宽越窄，缓冲过程中的速度越平缓，缓冲行程与 缓冲时间越长。这是由于节流口面积的增加 ，导致通 过节流口的流量的加大 ，节流阻力减小所致。通过调 整沟槽起始深度与节流口长度可以产生不同的缓冲效 果，来达到缓冲的要求。 4 结束语 由流体力学中的计算式与运动方程式组成的液 压缓冲器数学模 型可以用来模拟其缓 冲的动态特 性，通过建立液压缓冲器 的 S i m u l i n k模 型，仿真研 究了不 同结构参数对缓冲效果的影响，沟槽起始深 度越深 、节流 口长度越短 ，缓冲的效果越好 ，但是 工作腔室的压强会 比较大。对于在不 同载荷 冲击作 用下 ，通过调整液压缓 冲器 的相关结构参数 ，可以 很方便快捷地设计出各种要求的缓冲器 ，进而在满 足工作腔室强度的情况下，优选综合性能比较合适 的液压缓冲器 ，这种方法对于液压缓 冲器的设计具 有一定 的工程意义。 参考文献 [ 1 ]汪云峰， 谭宗柒． 基 于 A ME S i m ／ Ma fl a b的液压缓冲器仿 真与优化[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 3 1 6 7 - 2 0 3 ． [ 2 ]史华成， 高彩云， 沈亮． 一种力值可调式液压缓冲器的仿 真与分析[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 3 5 6 9 - 7 0 ． [ 3 ]张磊， 汪玉， 温肇东， 等． 一种被动式液压缓冲器原理及 工作过程仿真研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 1 1 8 4-8 6． [ 4 ]郝鹏飞， 张锡文， 何枫． ／ J 、 型液压缓冲器的动态特性分析 [ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 3 ， 3 9 3 1 5 5 - 1 5 8 ． [ 5 ]T A N R H， C HE N Y， L N Y X ． S i m p l e N o n l i n e a r Ma t l l e ma t i c a l M o d e l f o r S h o c k A b s o r b e r s [ J ] ． C h i n e s e J o u rna l o f Me - e h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 9 ， 1 2 3 1 9 3 1 9 8 ． [ 6 ]D U Y M S ， S T I A N S R， R E Y B MU C K K ． E v u l u a t i o n o f S h o c k A b s o r b e r Mo d e l s [ J ] ． V e h i c l e S y s t e m D y n a m i c s ， 1 9 9 7 ， 2 7 2 1 0 9 - 1 2 7 ． [ 7 ]吴望一． 流体力学[ M] ． 北京 北京大学出版社， 2 0 0 6 ． [ 8 ]R A Y MO N D Ma r t h a K． S h o c k A b s o r b e r T a k e s t h e H e a t [ J ] ． M a c h i n e D e s i g n ， 1 9 9 7 ， 6 9 4 6 4 ．