间隙液压粘滞阻尼器特性参数分析.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ， 2 01 1年 第 3期 间隙液压粘滞阻尼器特性参数分析 祝文举 刘桓龙 于兰英 祝 昌洪 李 培 西南交通大学机械工程学院 ， 四川成都6 1 0 0 3 1 摘要 主要介绍用于桥梁上的间隙液压粘滞阻尼器 ， 分析其工作原理及影响其 工作性能 的参数。建立数学模型 ， 在 M A T L A B的中进 行仿真 ， 通过改变工作介质的特性参数 ， 如动力黏度 、 体积弹性系数和间隙量 ， 研究参数对阻尼器性能的影响。 关键词 液压黏滞阻尼器 ； 动力粘度 ； 体积弹性系数 ； 间隙 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 3 0 0 1 8 ～ 0 4 Re s e a r c h o f Ga p Hy d r a u h c S t i c k i n e s s Da mpe r Pe r f o r ma n c e P a r a me t e r s Z HU We n - j u L I U Hu a n l o n g Y U L a n - y i ng Z HU C h a n g - h o n g L I P e i S c h o o l o f Me 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 Ab s t r a c t T h i s p a p e r ma i n l y i n t r o d u c e G a p Da mp e r u s e d o n t h e b i r d g e ． Th r o u g h a n a l y z i n g i t s wo r k i n g t h e o r y a n d t h e p ara me t e w h i c h i n fl u e n c e i t s p e r f o r ma n c e ， t h e n b u i l d a ma t h mo d e l i n MAL AB ． W e c o u l d c h a n g e t h e p a r a me t e r s t o g e t a g r o u p o f d a t e ， a n d p l o t s o me c u r v e s ．Th r o u g h t h e s e c u r v e s ， we c a n g e t t h e c o n c l u s i o n t h a t h o w t h e p a r a me t e r i n fl u e n c e t h e D a mp e r wo r k i n g p e rfo rm a n c e ． Ke y W o r d s h y d r a u l i c s t i c k i n e s s d a mp e r ； d y n a mi c v i s c o s i t y ； v o l u me e l a s t i c i t y c o e f fi c i e n t ； g a p U 弓I 百 随 着科 技 的进步 ，桥 梁减 震 系统 也有 了很 大 的发 展。由原来结构的被动抗震 ，到现在阻尼器的主动减 震 。 可以大大增强桥梁的抗震动 、 抗冲击能力 ， 也大大 降低了桥梁的加 固成本。目前阻尼器的种类很多。 本文 主要分析液体粘滞阻尼器中最常用的一种间隙粘 滞阻尼器的工作原理 以及对影响其性能的工作介质特 性参数进行深入的研究。 当桥梁在 自然状态下 ， 如热胀冷缩等蠕变情况下， 阻尼器对桥梁产生很小的阻力 ； 但在地震 、 车辆制动冲 击等突变载荷的情况下 ，希望该阻尼器产生很大的阻 力 ， 限制桥梁的位移， 以及吸收能量和分担冲击力。 其工作原理是阻尼器受到外界冲击时 ． 缸体与活塞 产生相 对运 动 ， 活塞 一侧 的 容积变 小 ， 迫使 黏性 阻 尼材 料经过间隙流向体积增大的一侧 。 阻尼材料的剪切流动 产生阻尼力来耗散冲击能量 ． 从而达到缓冲的 目的。 1 仿真建模 1 ． 1 物理模 型 论文计算的间隙黏滞阻尼器结构简图如图 1 所示。 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 1 5 作者简介 祝文举 ， 男 ， 西 南交通 大学机械工程学院驱动技术与智能系统 专业在读硕士 ， 研究方向 桥梁锁定装置特性分析。 1 8 图 l 间 隙粘 鞴 阻 尼器 结 构 葸 图 如图 1 所示 ． 阻尼器的设计参数为 液压缸内径 D 1 8 0 m m， 活塞和活塞杆的总质量 m 5 0 k g ， 活塞杆直径 8 0 m m， 活塞的长度 为 L 1 3 0 mm， 初 始状态左 右腔的长度 相等， 均为 1 1 0 mm， 活塞与液压缸之间的间隙为 h 。 液 压缸中充满二甲基硅油 ， 主要的特性参数有密度p 、 动力 黏度 、 体积弹性系数 。 1 ． 2控 制方程 假定 给活 塞施 加 F l x l 0 6 N 的向左 的 冲击载 荷 ， 活 塞将 向左运动， 压缩左腔油液 ， 压力升高 ， 油液被迫通 过间隙从左腔流入右腔。 根据文献I l 】 。 油液的体积弹性模量计算公式为 T， 一 卸 1 U r 式中 K 体积弹性系数 ； △ p 压力 的变化量 ； 左腔的初始体积 ； △I ， 体积 的变化量。 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 3 ． 2 0 1 1 由于当压力变化 △ p为正值时 ， 体积减小 ， A V为负 值 ． 故式中引入负号。 变换 1 式得到 卸 一 2 考虑方 向， 消除 2 式中的负号 ， 变换得到 △ lp和 s 关 系式如 下 。 卸 AV 3 对 3 式两边微分得 Q油 液 4 出 、 式 中Q 液 油液 自身压缩性所产生的流量。 4 式可以看作 是油液因为 自身的可压缩性所产 生 的流量 。 当活塞受到力 ，的作用 ， 会产生速度 ， 那么环形 间隙中的流动就可以看作是压差 剪切流动。根据 文献【 ” ． 环形间隙流动的流量为 ‰ 器 一 5 式 中 活 塞的运 动速 度 。 活塞移动排挤 的流量应等于油液压缩性产生的流 量与间隙流量之和。 Q油 液 Q同 辕 6 式中A液压缸工作面积 ， A_ ．, t r D E - a n 一 。 uA 器 卸 一 7 根据文献【 ” ． 间隙中流体的速度分布为 y h - y 1 _ 8 式 中u 间隙中流体的流速。 为了分析硅油对活塞 的阻尼力 ，从阻尼器缸体与 活塞之间取出一个微小长方体单元 。一个面取至缸体 内径 ， 另一个 面取 至活 塞 的表面 ， 如 图 2所 示 。 图 2 间隙微元体 根据文献【2 】 ， 硅油的本构方程是 r 9 式 中A 硅 油 的松 弛时 间 ； 为硅 油受 到 方 向上 的剪 切应 力 。 求解式 1 1 的微分方程 ， 得到 r值为 一上 丁 I x c 0 e 1 O 丁 L o e 式中C 。 积分常数 ，当 y h ， r O ，可 以求 出 C 。 一 A 活塞上 y 0 ， 代人式 1 0 求得活塞克服黏滞剪切应 力 为 等 竽 等 一 竽 e } 故活塞上所受到的黏滞阻尼力为 ， 1 T D 活 塞 1 1 式 I 1 中 r活 塞 的表达式相 当复杂 ， 为便于计算对 其作简化处理 ， 由于 间隙量 h很小 ， 故 e l ， 代人式 1 1 得 F ． D A p h 1 2 活塞 的力 平衡 方程 为 F a p a m 1 3 1 ． 3仿真模 型 联立式 6 和式 1 3 ， 在 MA T L A B中建立如图 3所 示的数学仿真计算模型[ 3 1 。 图 3仿 真 计 算 模 型 如 图 3所示 ，该模型为给阻尼器施加一个阶跃信 号 。观察阻尼器在该阶跃力持续作用下的动态响应特 性 。 输出阻尼器的响应位移 ， 得到 ． s曲线。 2 模型求解与分析 影响阻尼器工作特性 的因素主要有油液的动力黏 度 、 体积弹性系数以及液压缸与活塞之间的问隙。为了 得到不同参数对阻尼器性能 的影响，分为以下几组进 行仿真。 2 ． 1 体积弹性系数的影响 间隙不变 ， 取值为 h -- 0 ． 5 mm， 油液动力黏度不变， 取 g - -- O ． 0 2 P a s 。 选择不同的体积弹性系数 ， 对图 3所示模型 进行求解 ， 在 MA T L A B中嗍 绘制图 4所示的 S曲线。 1 9 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 l 1年 第 3期 图 4改 变 体 积 弹性 系数 度 的 S曲 线 组 如图 4所示 ， 体积弹性系数越大 ， 响应时 间越短 ， 响应位移越小 ， 但是阻尼力的峰值越小 ， 耗散的能量越 少。为了更加清楚的表现阻尼力与相应位移的关系． 从 图 4中提取数据得到表 l 。 裹 1 体积弹性系数与响应位移对应关系 名称 数值 x ． ／ l o P a 2 1 ．1 0 ． 9 0．5 0．3 s ／ 6 ． 9 6． 9 8 ． 1 1 3 ． 2 2 0 ． 8 由表 l可知，当动力黏度 取值小于 1 ． 1 x l 们P a ， 其对响应位移已无任何影响了。而随着体积弹性系数 的增大 ， 位移逐渐增大。因此 ， 在位移行程范围内， 以耗 能为 主的 阻尼器 要选 用具 有 较小 体积 弹性 系数 的油液 作为工作介质。 2 ． 2动 力黏度 的影响 间隙不变 ，取 h 0 ． 5 m m时，油液体积弹性 系数不 变 ， 取 K 0 ． 5 x l 0 叩a ， 选择不同的动力黏度进行仿真计 算 ， 观察动力黏度对阻尼器特性的影响。 在 MA ⅡAB中 绘制图 5所示的 Is曲线 ． 图 5中 M Mi u 。 啊 厢 位 ， m 图 5 改变动力粘度 的 s曲线组 如图 5所示 ，动力黏度对响应位移也有一定的影 响， 动力黏度越大 ， 响应位移越小 ， 并且其阻尼力 的峰 值愈大 ， 响应频率越高。 耗能越大。故应选用动力黏度 较大的油液作为阻尼器的工作介质。 为了更加准确的表示 出动力黏度对阻尼器响应位 移的影响， 从图 5中提取数据 ， 得到表 2 。 衰 2动力黏度与响应位移对应关 系 根据表 2 ， 可以得出当动力黏度大于 0 ． 1 P a s 后 ， 其 对响应位移变化很小。 2 ． 3间隙量的影 响 油液的动力黏度g - -- 0 ． 0 2 P a s 不变。体积弹性系数 0 ． 5 x l P a 不变 ，改变活塞和液压缸之 间的间隙量 h ，观察 h的 改 变 对 阻 尼 器 响 应 特 性 的 影 响 ， 在 MA T L A B中绘制图 6所示的 S曲线。 响J l立 移， m 图 6 改变间隙量的 S曲线组 图 6为 活塞 与液 压缸 间 隙 h的变化 对 阻尼 器 响应 特性 曲线的影响．为了更加准确的表示出动力粘度对 阻尼器响应位移的影响 ， 从图 5中提取数据 ， 得到表 3 。 裹 3间隙与响应位移对应关系 名称 数值 h ／ m m 0 ． 0 5 0 ． 1 0 ． 3 0 ． 5 0 ． 7 ／ 衄 1 0 ． 1 1 0 ．1 1 0． 7 1 3 ． 3 2 3 ． 8 从图 6和表 3可以得到．间隙对响应位移具有较 大的影响 。 当间隙超过 0 ． 5 ra m后 ， 响应位移急剧增加 ， 特别是超过 1 m m的间隙后， 位移量急剧增加 ； 当间隙小 于 0 ． 1 mm后 。 间隙对响应位移基本上没有任何影响。 故 以耗能为主的阻尼器 ， 取较大的间隙量 ； 以锁紧为主的 锁定装置 ． 取较小的间隙量。 3 结论 通过以上的分析可知， 得到如下几点结论。 1 体积弹性系数越大， 响应位移越小。 2 动力黏度系数越大， 响应位移越小。 3 间隙越小 ， 响应位 移越 小 。 因此对 于不 同用 途的阻尼器可 以选 择不同的参 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， NO ． 3 ． 2 0 1 l 数 。若是想要在很短的位移 内就可以输出很大的阻尼 力 如锁紧装置 ， 起到刚性支撑的作用 。那么就要选用 动力黏度较大 、体积弹性系数较大的油液作为工作介 质 。 并且要求活塞与活塞缸之间的间隙较小 。 对于以耗能为主的阻尼器 如桥梁上抗强震用的 阻尼器 ， 动力黏度系数不应太小 ， 否则达不到耗散能 量的 目的 ．而且应选用体积弹性 系数小的油液和间隙 较大的活塞与活塞缸配合 ， 否则响应位移太小 。 进而耗 散能量太少 ． 达不到耗能的 目的。 参 考 文 献 【 1 】 金朝铭． 液压流体力学[ M】 ． 北京 国防工业大学 出版社 ， 1 9 9 4 ． 【 2 】 C O N S T A N T I N O U M C， S Y MA N S M D ． E x p e ri me n t a l s t u d y o f s e i s mi c r e s p o n s e o f b u i l d i n g w i t h s u p p l e me n t - fl u i d d a m p e J 】 ． J o u r n a l o f S t r u c t u r al E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 3 ， 2 9 3 ． 1 3 2 ． 一 - - - - - 4 -- - 上接第 l 4页 别为 4 0 n ti s 、 1 0 m ] s 2 , 2 ． 5 m ／ s 2 ． 0 ． 4 m ／ s ， 图 6为人 口压力为 1 0 k P a时， 动铁芯在不同加速度情况下 ， 作用在动铁芯 上 的轴 向气 动力 的变 化规 律 。 小同丹房速度 时井 几度-- l；,J C 动力 兰 R 蔷 尽 一 暴 一 l “ -2 0． 4 m ／ s l 0o 0 0 0 05 0 0 0 0 0 o 1 g 0 0 2 o 0 0 0 0 o 4 o o 井几度／ mm 图 6不同加速度下开 E 1 度 轴向气 动力关 系曲线 从图 6中可以看出 ．匀加速运动时作用在动铁芯 的轴向气动力变化规律与匀速运动时是一样的。随着 加速度的增大 。开启过程 中轴向气动力 的阻碍作用增 强 ， 这也和匀速运 动相似 ， 可见 ， 动铁芯运动速度与开 启控制力是 同时增长的。 2 ． 3不同入 口压力时计算结果 设入 口压力分别为 l 0 k P a 、 2 0 k P a 、 5 0 k P a ， 图 7为动 铁芯作 0 ． 0 5 m ／ s 匀速运动时， 动铁芯在不同入 口压力情 况下 。 作用在动铁芯上的轴向气动力的变化规律。 八几压力H ．I n艘一 轴 1 C 哥 l 力 暑言 言 6 苫 三苫 6 6 窨 苫 詈 。 苫苫 苫 6 6 c 靶 6 6 6 6 。 井几度， II Im 图 7 不 同人口压力下开 口度轴 向气动力关系曲线 从图 7中可 以看 出， 随着入 口压力的增大 ， 开启过 程中轴向气动力 的阻碍作用减弱 ． 当人 口压力为 5 0 k P a 【 3 】 杨 叔子 ， 杨 克冲． 机 械工程控制基 础【 M】 ． 武汉 华中科技 大学 出版社 ． 2 0 0 5 ． [ 4 】 刘坤． MA T L A B自动控制原理 习题精解【 M】 ． 北京 国防工业出 版社 ． 2 0 0 4 ． [ 5 】 MA K R I S N， D A R G U S H G F ， C O N S T A N T I N O U M C ． D y n a mi c a n a l y s i s o f g e n e r a l i z e d v i o e l a s t i c fl u i d s [ J ] ． J o u r - h a l o f E n gin e e ri n g Me c h a n i c s ， 1 9 9 3 ， l 1 9 8 ． 【 6 】 王福 军． 计算 流体 力学分析C F D软件原理 与应用【 M】 ． 北 京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 7 ] 赵学 端 ， 廖 其奠． 粘性流 体力学【 M 】 ， 北京 机械工 业出版社 ， 1 9 8 3 ． 【 8 】 周云． 耗 能减震加 固技 术与设计方法[ M 】 ． 北 京 科学 出版社 ， 2 O O 6 ． 【 9 J 丁建华． 油缸孔 隙式粘滞阻尼器理论与性能试验[J 】 ． 世界地震 工程 ． 2 0 0 1 1 ． 时 ．整个开启过程中轴向气动力的作用完全是推动动 铁芯向下运动。 3 结语 从以上的仿 真结果和分析可以得出 开启过程中， 作用在动铁芯的轴向气动力总是由推动动铁芯向下运 动逐渐变为阻碍动铁芯向下运动 ；随着动铁芯运动速 度 匀速和匀加速 的增大 ， 这种阻碍作用越来越强； 随 着人 口压力的增大 ， 阻碍作用变小 ， 当人 口压力大于一 定值之后 ，整个开启过程轴向气动力为推动动铁芯向 下运动 。可见 ， 高速 、 低压需要较大的开启控制力 ， 低 速 、 高压则需要较小的开启控制力。 参 考 文 献 【 1 】 刘华坪， 陈浮， 马波． 基 于动网格与 U D F技术的阀 门流场数值 模拟【 J 】 ． 汽轮机技术， 2 0 0 8 5 0 ， 2 ． 【 2 】 郑丽． 大流量减压 器的特性研 究及 内部 流场动态仿 真【 D 】 ． 国 防科学技术大学硕士学位论文， 2 0 0 7 ． 【 3 】 温正， 石 良臣， 任毅如． F L U E N T流体计算应用教程【 M】 ． 北京 清 华大学 出版社． 2 0 0 9 ． 【 4 】 李进 良， 李 承曦， 胡仁喜． 精通 F L U E N T 6 ．3流场分析【 M】 ． 北京 化学工业出版社． 2 0 0 9 ． [ 5 】 包海涛． 基 于 F l u e n t 液压 阀流场 的动态仿真及可视化研 究【 J ] ． 制造技术与机床， 2 0 0 8 2 ． 【 6 】 郑 淑娟． 阀芯运动过程液压锥 阀内部流场 的 C F I 计算【 D 】 ． 太 原理工大学硕士学位论文． 2 0 o 5 ． 【 7 】 姜毅， 郝继 光， 傅德彬． 导弹发射 过程三维非定常数 值模拟【 J 】 ． 兵工学报． 2 0 0 8 8 ． 21