液压活塞发动机缓冲机构仿真研究.pdf

2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 1 5期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS Au g ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 NO ．1 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 5 ． 0 4 2 液压活塞发动机缓冲机构仿真研究 王辉 ，张超 中国民航大学航 空工程学院，天津 3 0 0 3 0 0 摘要简要介绍了液压活塞发动机的工作原理 ；为使单活塞式液压发动机在下止点能够平稳停止，提出了在压缩腔未 端安装可控式液压阻尼器的解决方案。利用 MA T L A B建立整机模型，并进行了模拟仿真。仿真结果表明了该方案的可行 性 ，可为液压发动机的研制工作提供指导。 关键 词 液压 发动机 ；仿真 ；可控式 液压阻尼器 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 41 51 6 6 4 S i mul a t i o n S t ud y o f Bu ffe r i n g De v i c e f o r Hy dr a u l i c Pi s t o n Eng i n e W ANG HUi ． ZHANG Ch a o C o l l e g e o f A e r o n a u t i c a l E n g i n e e r i n g ，C i v i l A v i a t i o n U n i v e r s i t y o f C h i n a ，T i a n j i n 3 0 0 3 0 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c p i s t i o n e n g i n e w a s b r i e fl y i n t r o d u c e d ．To s o l v e t h e p r o b l e m o f t h e p i s t o n s t o p p i n g s t e a d i l y a t t h e b o t t o m d e a d c e n t r e ， a n e w p r o j e c t t h a t fi x i n g h y d r a u l i c b u f f e r a t t h e b o t t o m o f t h e c o m p r e s s c a v i t y w a s p r e s e n t e d ．T h e e n g i n e m o d e l w a s e s t a b l i s h e d a n d s i m u l a t e d b a s e d o n M A T L A B ． T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e p r o j e e t i s v a l u a b l e I t c a l l p r o v i d e g u i d a nc e f o r t he s t u d y o f t he h y dr a ul i c e ng i ne ． K e y w o r d s Hy d r a u l i c e n g i n e ；S i m u l a t i o n ； A d j u s t a b l e h y d r a u l i c b u f f e r 单活塞式液压发动机具有许多的优越性能 ，近年 来在 国内外得到 了广泛研究。单活塞式液压发动机与 传统发动机相比取消了曲柄连杆机构，使活塞的运动 更 “ 自 由” ；压缩 比可 变 ，能够最 大 限度地将 燃料 内 能转化为热能 ；能量的输 出方式为液压能 ，减少 了机 械振动 ；运动频率可调 ，实现 了发动机输出功率的可 控 。如果运动 的活塞在膨胀 冲程 末期不能实 现下 止点精确快速定位 ，就会引起液压冲击现象 ，这不仅 影 响发动机下一做功行程 的实现 ，还会影响到发动机 的使用寿命 。针对此问题 ，提出 了通过控制喷油量 以 及在压缩腔末端安装 可控式 液压阻 尼器 的解决方 法 ， 利用 M A T L A B仿 真软 件建 立 整机模 型 ，最 后对 该 方 案进行 了模拟仿 真 ，仿真结果表 明 该方案可为液压 发动机的研发与设计提供参考依据。 1 液压活塞发动机工作原理 单活塞式 液 压发 动 机结 构 如 图 1所示 ，结构 简 单 ，活塞无侧压力 ，流量易于实现 P P M 方 式控制 。 液压发动机是将传统内燃机与液压泵集成于一体的一 种新 型特种发动机 。压缩 阶段 压缩蓄能器开启 ，进 入压缩腔 的液压 油推动 活塞 2 2向左运 动 ，使泵 腔形 成一定真空度 ，低压端 的液 压油通 过单 向 阀 l 0进入 泵腔完成吸油 ，同时活塞 2 1将高压腔的高压油输出 给高压蓄能器，活塞 2 0运动到上止点附近时喷油器 喷人燃料并燃烧推动活塞 向右运动 。膨胀 阶段 燃料 燃烧后的高温高压气体推动活塞 2 0向右运动，活塞 2 1 将 吸入 的液压油加压 并对外输 出，同时 活塞 2 2将 液压油推 回到蓄能器 ，在膨胀 冲程末期利用 阻尼器 的 缓冲作用 ，实现活塞的停止 ，完成一个工作循环 。 1 一气 缸2 一 商压 腔卜泵腔4 一 压缩 腔5 一压缩 蓄 能器6 ～ 高压 蓄 能器7 _低 压蓄 能器8 一 阻尼器9 、1 0 、1 1 、l 7 一单 向阀l 2 一 排 气 门l 3 一排 气 门控制 阀l 4 一进气 门l 5 、1 6 一回 位阀1 8 一 喷油器 l 9 ～ 频率控 制 阀2 O 一动 力 活塞2 l 一 泵活 塞2 2 一 压 缩活 塞 图 1 液压发动机系统原理图 2发动机模型建立 发动机模型的建立主要包括气缸燃烧压力模型 、 液 压模 型 、活塞运动模 型 、阻尼器模 型四部 分 。 根据研究工作的重点，在模型建立时做如下适当 的假设 和简化 1 同一时刻 气缸内各 点处的 工质压 力 、温度 、 燃烧状况相 同。 收稿 日期 2 0 1 3 0 61 7 作者简介王辉 1 9 6 6 一 ，男，博士，教授，主要研究方向为流体传动及控制 、系统模拟及仿真。Em a i l h w m 一 2 3 1 63 ．c orn。 第 l 5期 王辉 等 液压活塞发动机缓冲机构仿真研究 1 6 7 2 以单韦伯燃烧 函数代 替实 际燃烧放 热状况 ， 忽略进 排气对 气缸的影响。 3 假定活塞与缸筒、活塞杆与导套之 间泄漏 为 0 。 4 阻尼 口下游的压力为 0 。 2 ． 1 燃 烧模 型 燃 料燃烧 是极 为复杂的物理化 学过程 ，至今仍是 研究 的难点 ，难 以用方程 来准 确地描 述 。研究 表 明 对 于活塞运动频率不 高以及 一般 的性能模 拟计算 ，采 用 国内外较通用 的韦伯燃烧放热 函数来模 拟实际燃烧 放热过程较为合理 ] 。单 韦伯 燃烧放热 函数表达式 为 d t 6 ． 9 llg f 孚 专 e x p 卜6 ． 9 专 ⋯ ] 1 其中 为燃料 放热 率 ；H 为燃 料低 热值 ；g f 为 喷 油量 ；r l 为能量 利用率 ；c 为燃烧 品质指 数 ；T为燃 烧 持续 时间 ；t 为时间变化量 。 燃 料放 热率仿真图见图 2 。 图2 燃料放热率仿真图 将气缸作为研究对象，根据热力学第一定律即能 量守恒和转换定律得 6 Qd U6 2 式中6 Q为工质吸收的能量 ，d ， 为气体工质内能的 变化量 ，6 W 为工质对外所做 的功 。 气缸 内的燃料对 活塞所做 的功 为 6 Wp d V 3 其中P为缸 内工质瞬时压力；d V为气缸容积变化 量 。 工质 内能变化量为 d Um C d T 4 其中m 为混合气体质量 ；C 为比定容热熔 ；d T为 温度变化量 。 由式 2 一 4 得 塑 d t． C d tp d t 一 m v ／ 由理想气体的状态方程得 5 m R p 由式 5 和式 6 得 d t R d t R 生 d t 。 ’ 对式 7 进一 步简化得 韭 d t 1 一 1 d Q 一 d V ] 其 中 为工质绝热指数 。 气缸压 力蛮化仿真 图 见 ． 图 3 6 7 8 图 3 气缸压力变化仿真图 2 ． 2液 压模 型 液压模型 主要包括液压腔 、蓄能器 、单 向阀三部 分 “ 。 2 ． 2 ． 1 液压 腔模 型 为减少发动机在运行过程因压力变化产生的振 动 ，与高压腔相连的高压蓄能器的体积可适当大些， 保证高压腔的压力为定值。 泵腔压力表示为 d p 2 K q 2一S 2 口 ～ 9 其 中 P 为泵 腔 压力 ；V 2 为泵 腔瞬 时容 积 ；q 为泵 腔 的流量 ；K为液压油体积弹性模量 ； 为 活塞速度 。 液压腔仿真图见图4 。 b e n g q i a ng y a l i 图4 液压腔仿真图 2 ． 2 ． 2 蓄能器模型 忽略单向阀的压降差，则在压缩阶段和膨胀冲程 的初期 ，压缩 腔压 力就 可 以表 示为 压缩 蓄 能器 的压 1 6 8 机床与液压 第4 2卷 力 ，在膨胀冲程末期压缩腔压力受到阻尼力的影响， 将压缩蓄能器 的工作过程视为绝热过程 ，则 P ∞ V0 ’P o ’ 1 0 其 中 P 为 蓄能器 工作 时 的瞬时 压力 ； 为蓄能 器 工作 时的瞬 时体积 ；P 为蓄 能器初 始压 力 ；V o 为 蓄 能器初始体积 ； 为气体多变指数 。 蓄能器仿 真图见 图 5 。 C 图5 蓄能器仿真图 2 ． 2 ． 3 单 向阀模 型 由活塞受力状 况以及 牛顿第 二定律得出活塞的运 动平衡方程 p S P l S l P 2 S 2一 P 3 S 3 ～s i g n v fc m “ 1 2 其 中 S为动力活塞面积 ；S 为高压腔 活塞 面积 ；S 为泵活塞面积 ；S 为压缩活塞 面积 ；C为黏 性阻 尼系 数 ； f为库仑 摩擦 力 ；m 为活 塞总质 量 ；a为活塞 加 速度 。 活塞运动仿真图见图8 。 p s ； p1 l ， - _ Ga i nl l nt e g r a t o l 几 瞧 仿真模 型中忽 略单 向阀的时 间响应 ，则 c A ㈩ 2 ．4 可馘液 倾图 其中q 为单向阀流量；C 为流量系数 ；A 为单 向 阀通 流面积 ；p为 液压 油 密度 ；△ p为单 向阀进 出 口 两端压差。 单 向阀流量仿真图见图 6 。 C 图6 单向阀流量仿真图 2 ． 3活 塞运动 模 型 活塞结构受力如 图 7所示 ，活塞下 止点为活塞位 移 的起始位置 ，气缸膨胀方 向为活塞运动 的正方 向。 图7 活塞受力示意图 可控式液压阻尼器是 一种利用流体流动的黏性阻 尼作用 ，将机械能转化为压力能和热能 ，延长冲击负 荷作用时间 ，吸收并转化冲击负荷能量 的装置 。其特 点是结构紧凑 ，有最佳 的调整 ，可 以获得多种不 同响 应 的 阻 尼 孔 结 构 形 式 ， 以 最 高 缓 冲 效 率 吸 收 能 量 。将可控式 液压 阻尼 器安装 在 液压发 动 机压 缩腔 的端部 ，不 同负载下 ，冲击力大小不 同，选择合 适的阻尼孔结构，使运动的活塞减速，在到达行程终 点时减速为 0 ，实现活塞 的平 稳控制 。阻尼孔 流量方 程 qc d A 。 1 3 其 中 q为阻尼孔流量 ；C 为流量 系数 ；A 。 为孔 口的 通 流面积 ；△ P为孔 口两 端 的压 差 ；r l 为 由孔 口的长 径 比决定 的指数 。 在 △ ￡ 的时间 内活塞的位移为 ，由压缩 腔流量 连续性方程得 ．s 3 Axq At 1 4 由式 1 4 对时间 f 求导得 s d x g 1 5 联 合式 1 3 、 1 5 可得 阻尼力 F S “ F } S 1 6 几 第 l 5期 王辉 等液压活塞发动机缓冲机构仿真研究 1 6 9 c0 阻尼器仿真图见图 9 。 图9 阻尼器仿真图 3软件设置与结果分析 3 ． 1 软件 设 置 将建立的仿真模型封装连接 ，S i m u l i n k中的 T y p e 选为 V a r i a b l e s t e p ，可 以在仿 真过 程 中改变 步长 ，提 供误差 控 制 和 过 零 检 测 选 择 。并 将 S o l v e r设 置 为 o d e 2 3 t b s t i f f ／ T R - B D F 2 ，即两阶隐式 龙格 一库塔公 式 ，适用于刚性系统 。 3 ． 2 结 果分析 图 1 0是在不 同负载压 力 P 、喷 油量 g 、阻尼孔 径 d下的活塞时间位移仿真曲线 。 昌 吕 趟 时 间／ ms a 负载 1 5 MP a ， 喷 油量 I t ． 5 mg， 孔 径0 ． 1mm l2 0 10 0 目8 0 苴 6 0 簿4 0 2 O 0 2 0 目 宣 窭 时间／ ms b 负载2 0 MP a ， 喷油量2 4 mg ， 孔径0 ． 2 4 mm 时 间／ ms 时 间／ ms c 负载2 5 MP a ， 喷油 量3 0 mg ， d 负载3 0 MP a ， 喷 油量4 2 ． 7 mg ， 孔径0 ． 3mm 孔 径0 ． 3mn l 图 l 0 活塞位移仿真曲线 4结论 对以上不同负载压力下的仿真曲线归纳得出以下 结论 1 随 负载压 力不 断增 大 ，压缩 过 程所 需 要 时 间在增多 ，活塞上止点 的位移量发生变化 ，使得发动 机 的压缩 比改变 ，因此 在实 际工 作 中应 根据 不 同负 载 的变化确定发动机 的喷油定 时 ，改善燃料 的燃烧状 况 ，提高发动机性能 。 2 通 过 改 变 喷油 量 以及 阻尼 孔 孔径 的大 小 ， 实现 了活塞在膨胀 冲程末期平稳控制 ，避免 了强烈撞 击和振动 。 3 在一定 的范 围 内阻尼 孔 的孔 径 随着 负 载力 的增大而减小，孔径越小，阻尼效果越好。 参考文献 [ 1 ]杨华勇 ， 夏必忠， 傅新． 液压自由活塞发动机的发展历程 及研究现状[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 1 ， 3 7 2 1 7 ． [ 2 ]MI K A L S E N R， R O S K I L L Y A P ． A R e v i e w o f F r e e P i s t o n E n g i n e H i s t o r y a n d A p p l i c a t i o n s[ J ] ． A p p l i e d T h e r m a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ， 2 7 1 4 2 3 3 9 2 3 5 2 ． [ 3 ]杨华勇 ， 夏必忠， 傅新． 液压 自由活塞发动机 一未来的动 力之星[ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 1 ， 1 2 3 3 5 33 5 7 ． [ 4 ]魏超， 吴维， 荆崇波 ， 等． 发动机液压 自由活塞下止点运 动机理[ J ] ． 农业工程学报 ， 2 0 1 0 ， 2 6 1 1 1 1 9 1 2 3 ． [ 5 ]朱访君 ， 吴坚． 内燃机工作过程数值计算及其优化[ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 9 9 7 ． [ 6 ]林杰伦． 内燃机工作过程数值模拟[ M] ． 西安 西安交通 大学 出版社 ， 1 9 8 6 ． [ 7 ]刘永久． 内燃机热力过程模拟[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 0 ． [ 8 ]荆崇波 ， 吴维 ， 苑 士华 ． 液 压 自由活塞 发动 机 A ME S I M ／ MA T L A B仿真[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 9 ， 2 1 1 1 7 6 8 1 7 68 5． [ 9 ]李笑 ， 吴冉泉． 液压与气压传动[ M] ． 北京 国防工业出 版社 ， 2 0 0 9 ． [ 1 0 ]Y U A N S h i h u a ， W U We i ． S i m u l a t i o n S t u d y o f a T w o S t r o k e S i n g l e P i s t o n H y d r a u l i c F r e e P i s t o n E n g i n e[ C] ／ ／ P r o c e e di n g s o f As i a S i mu l mi o n c o n f e r e n c e 20 0 8／t he 7t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n S y s t e m S i mu l a t i o n a n d S c i e n t i fi c Co mpu t i n g， 2 0 08 1 2 4 4 1 2 49． [ 1 1 ]朱涛， 汪洋， 熊仟， 等． 液压 自由活塞发动机性能模拟的 参数化研究[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 1 1 ， 3 0 6 8 6 9 8 7 5． [ 1 2 ]孙雪梅． 可调阻尼减震器优化设计的研究[ D] ． 长春 吉林大学 ， 2 0 0 6 5 ． [ 1 3 ]郝鹏飞， 张锡文， 何枫． 小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 51 5 8 ． [ 1 4 ]张琨， 毕靖 ， 丛滨． MA T L A B 7 ． 6从入门到精通[ M] ． 北 京 电子工业出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 1 5 ]夏必忠 ， 张辉， 段广洪， 等． 液压自由活塞发动机动态特 性的仿真研究 [ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 5 ， 2 4 1 1 】 3 3】一】 3 3 3．