自由活塞极限位置的液压节流控制.pdf

第 4 7卷第 2 2期 2 0 1 1年1 1 月 机械工程学报 J OUR NAL 0F M E CHANI CAL E NGI NE E RI NG V_0 1 ． 4 7 NOV ． N O ． 2 2 2O 1 1 DoI 1 O ． 3 9 0 1 ／ J M E． 2 0 1 1 ． 2 2 ． 1 0 6 自由活塞极限位置的液压节流控制冰 吴 维苑士华胡纪滨 北京理工大学车辆传动国家重点实验室北京 1 0 0 0 8 1 摘要针对单活塞液压 自由活塞发动机 自由活塞运动不受机械机构约束的情况，研究单活塞液压 自由活塞发动机自由活塞极 限位置的液压节流控制方法，保证系统机械结构安全。基于对 自由活塞极限位置节流控制原理的分析，建立液压控制回路数 学模型，结合试验和仿真分析节流控制的工作特征及其影响因素。研究结果表明，单活塞液压 自由活塞发动机极限位置的液 压节流控制应考虑单向阀节流、回油阻尼和油液弹性三种作用效果的影响。压缩腔压力在膨胀冲程的第一次压力峰值由单向 阀引起 ，第二次压力峰值由回油阻尼和油液弹性引起。增大回油孔通流面积可减小第一次压力峰值压力波后期高压的持续时 问。回油阻尼和油液弹性能有效防止单活塞液压自由活塞发动机机械损坏的发生。 关键词自由活塞发动机极限位置位置控制节流控制 中图分类号T H1 3 7 Hy dr a u l i c Th r o t t l e Co n t r o l f o r Fr e e Pi s t o n Ex t r e m e Po s i t i o n W_e i YUA N S h i h u a HU J i b i n N a t i o n a l K e y L a b o r a t o r y o f V e h i c u l a r T r a n s m i s s i o n ， B e ij i n g I n s t i tu t e o f T e c h n o l o g y , B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 Ab s t r a c t T h e fle e p i s t o n mo t i o n o f a s i n g l e p i s t o n h y d r a u l i c fle e - p i s t o n e n g i n e i s n o t r e s t r i c t e d b y a n y me c h an i c a l l i n k a g e s ． T o p r o t e c t t h e me c h a n i c a l s t r u c t u r e f r o m d a ma g i n g ，a h y d r a u l i c t h r o t t l e c o n t r o l me t h o d f o r f r e e p i s t o n e x t r e me p o s i t i o n o f t h e s i n g l e p i s t o n h ydra u l i c fre e - p i s t o n e n g i n e i s i n v e s t i g a t e d ． Th e f u n d a me n t a l s o f t h e h y d r a u l i c t h r o tt l e c o n t r o l me tho d f o r fle e p i s t o n e x tre me p o s i t i o n a r e a n a l y z e d． T h e ma the ma t i c mo d e l o f t h e h y dra u l i c c o n tro l c i r c u i t h a s b e e n b u i l t u p ． Th e wo r k i n g c h a r a c t e r i s tic s a n d t h e c o n t r i b u t e d f a c t o r s o f t h e t h r o t t l e c o n t r o l me tho d a r e a n a l y z e d b a s e d o n e x p e r i me n t s and s i mu l a t i o n s ． Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e t h r o t t l e e f f e c t o f t h e c h e c k v a l v e ， t h e d u mp p o r t t h r o tt l e a n d the o i l b ul k mo d u l u s s h o u l d b e c o n s i d e r e d i n t h e t h r o ttl e c o n t r o l me tho d f o r fle e p i s t o n e x t r e me p o s i t i o n o f t h e s i n g l e p i s t o n h y d r a u l i c fle e p i s t o n e n g i n e ． Th e fi r s t p r e s s u r e p e a k i n t h e c o mp r e s s c h am b e r o f e x p an s i o n s t r o k e i s c a u s e d b y t h e c h e c k v a l v e ． T h e s e c o n d p r e s s u r e p e a k i s C a u s e d b y the d um p p o r t t h r o t t l e and the o i l b u l k mo d u l u s ． T h e d ura t i o n o f the h i 曲 p r e s s u r ew a v e a f t e r t h efi r s t p r e s s ure p e ak i s r e d u c e d b yi n c r e a s i n gthe d um pp o r t f l o ware a ． T h e d am a g e o f t h e fle e p i s t o n a n d t h e e n g i n e b o a y i s e f f e t e l y p r e v e n t e d b y t h e d um p p o r t t h r o t t l e an d the o i l b u l k mo d u l u s ． Ke y wo r d s F r e e p i s t o n e n g i n e s Li mi t p o s i t i o n Po s i t i o n c o n t r o l T h r o t t l e c o n tro l s 0 前言 单活塞液压 自由活塞发动机活塞运动不受曲 柄连杆机构限制 ，且活塞运动频率一般是通过控制 活塞在下止点停留时间的长短来调整 J 。 保证单活塞液压 自由活塞发动机 的活塞运 动 频率可控，首先要使活塞能够可靠地返回到下止点 指定位置。在正常情况下，活塞准确地返回下止点 } “ 十一五”国家部委基础科研资助项 目 A 2 2 2 0 0 6 0 0 5 3 。2 0 1 1 0 1 2 7收 到初稿，2 0 1 1 0 9 0 4收到修改稿 设计位置，液压 自由活塞发动机能够正常工作；当 活塞无法返回下止点时，则造成活塞运动失控甚至 发动机熄火【 4 】 ； 当活塞位移超 出设计下止点位置时， 由于活塞位移受结构 限制而不能无限制地增大，因 此活塞位移超出设计值的情况将对发动机机械结构 造成损坏【3 】 。目前还没有专门针对液压 自由活塞极 限位置控制的研究，其功能主要体现在结构原理设 计上【 l ， ，且 以静态设计为主，缺乏对控制效果的 动态测试分析，所设计的阻尼孔缺乏量化依据，无 法准确指导设计 。 本文根据液压 自由活塞发动机实 际位置控制 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 1 1月 吴维等自由活塞极限位置的液压节流控制 的活塞在膨胀冲程最大速度范围，即增加 了活塞在 膨胀冲程最大速度较低 时无法正常返 回下止 点的 概率 。 幽 姆 出 时 间t ／ ms 图 3 正常运行工况的压力变化特征 当活塞组件通过膨胀冲程所吸收热能偏多时， 其在整个膨胀冲程所排出的高压油无法将活塞组件 动能完全吸收，此种工况下，单活塞液压 自由活塞 发动机需要通过回油 阻尼来消耗活塞组件 的剩余动 能。在回油阻尼起作用时，压缩腔压力在膨胀冲程 末期将出现两次压力峰值 。前者 由于单向阀回油节 流造成，且 因活塞组件速度超 出正常值，因此该压 力峰值也较高。后者 由于活塞组件逐渐关闭回油孔 而产生的回油阻尼冲击造成，如 图 4所示，该峰值 的出现表 明单活塞液压 自由活塞发动机的输入 能量 大大高于实际输 出能量，单活塞液压 自由活塞发动 机控制系统有必要增大负载压力或者减少喷油量。 采 出 婚 出 O 2 0 4 o 6 o 8 O 1 0 0 时间 t ／ ms 图4 轻微冲撞工况的压力变化特征 从图 4可知 ，在轻微冲撞工况下 ，节流控制不 但能够避免活塞组件与机体发生机械碰撞 ，而且还 可保证活塞位置在可控范围内，即保持压缩腔压力 在碰撞冲程结束后仍然维持在低压状态 ，避免活塞 自动开始下一个工作循环。 根据 自由活塞发动机的实际循环工况特点，图 5给出了猛烈冲撞工况下的活塞组件位移，即活塞 组件在膨胀过程吸收的能量在设计行程下无法完全 转化为液压能的工况 。单活塞液压 自由活塞发动机 运行时，活塞组件在下止点存在反弹且反弹速度与 压缩腔压力密切相关 。在猛烈冲撞工况下，受节 流控制装置的作用 ，活受组件运动到下止点时，压 缩腔产生 巨大且持续时间较长的压力，此压力将使 活塞组件在下止点反弹时具有较正常运行工况大的 反弹速度 。从 图 5可知，猛烈冲撞工况所产生的反 弹速度过大时，将使活塞无法正常停止在下止点， 活塞组件运动频率处于失控状态，即活塞组件 自动 开始 了下一个工作循环。活塞 自动开始的下一个工 作循环压缩比无法达到正常值 ，该循环的存在将造 成单活塞液压 自由活塞发动机熄火，系统将停止 工作 。 量 皇 遥 囊 悄 蝗 时间 t ／ ms 图 5 猛烈冲撞工况的活塞组件位移 根据试验 结束 后拆卸样机相 关零件 的检查 结 果，在三种不 同运动工况下，节流控制都能很好地 保护单活塞液压 自由活塞发动机的机械构件。对于 图 5所示情况 ，其发生的概率较小且主要发生在单 活塞液压 自由活塞发动机 的第一个循环，此与单活 塞液压 自由活塞发动机的系统控制策略有关。只有 保证活塞组件在第一个循环能够回到下止点，发动 机才能正常工作，因此第一个循环的所消耗燃油相 比其他循环多，从而使活塞组件在膨胀冲程具有足 够大的速度。 4 ．2 影响因素 从单活塞液压 自由活塞发 动机 极 限位置节流 控制的工作特征结果可知 ，单活塞液压 自由活塞发 动机极限位置节流控制的整体性能主要与其中的单 向阀结构位置参数和回油孔通流面积变化规律 有关 。 一 般情况下，单 向阀通径越大，其通流能力越 强，相同流量下所造成 的节流损失越小。由于单活 塞液压自由活塞发动机的活塞运动过程具有很高的 重复性，选择合适的单向阀结构参数将起到很好的 节能效果。根据发动机稳定运行需要，在其他参数 设置不变时，不同通径的单向阀对压缩腔压力的影 响如图 6 所示 。从 图 6可知，选择大通径单向阀大 幅削减 了压缩腔 由于单 向阀节流冲击所产生的峰值 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 1 0 机械工程学报 第4 7卷第 2 2期 压力。同时，在单 向阀的选择上 ，还要考虑压缩腔 机械结构的限制。 塞 R 出 婿 出 时间 t／ ms 图 6 不 同通径单 向阀的影 响 目前，在描述通流面积变化时，普遍采用 的是 描述几何面积变化规律的方法L 8 J 。在不改变 回油孔 在沿轴线方 向位置参数的情况下 ，通过在压缩腔套 周向扩孔 的方式 ，可 以增大回油孔的通流面积 。在 其他参数设置不变时，不同等效回油孔通流面积对 压缩腔压力的影响如 图 7所示。从图 7可知，大的 回油孔通流面积在削减压缩腔 由单向阀节流冲击所 产生的峰值压力上作用不明显，但在减小压力波后 期的高压持续时间上 ，作用效果 明显 。大 的回油孔 通流面积同时还改善了压缩冲程 ，使整个循环耗时 缩短，这也是 由单 向阀节流冲击所产生的峰值压力 不断提前出现的原因。 当通流面积增大到一定程度 ， 其有益效果提升逐渐不 明显 ，因此实际的通流面积 需要综合机械结构因素 ，确定一个较佳的面积。 3 O 2 5 2 0 专 出 m 出 O 1 0 2 O 3 O 4 O 时间 t ／ ms 图7 不同回油孔等效通流面积的影响 膨胀冲程末 期样机 回油孔通 流面积 随活塞位 移的变化 比较剧烈。由于样机设计利用 了回油孔通 流面积变化来实现阻尼作用，因此没有设置单独的 阻尼孔⋯。在设置单独 阻尼孔后的作用效果如 图 8 所示 。从图 8 膨胀冲程末期的结果可知，设置单独 的阻尼孔后 ，回油阻尼冲击的峰值略有减小，但基 本趋势没有发生本质的变化，即回油阻尼作用都产 生于回油孔趋近与完全关闭时。同时根据位移的仿 真结果，有阻尼孔情况下的极限位置略有增加，这 与增加 阻尼孔后使压缩腔 的回油通 流面积增大有 关。基于 以上分析 ，单独设置阻尼孔所起的控制效 果不 明显 。 ＼ 媸 翟 好 出 时间 t ／ ms 图 8 有无阻尼孔的影响 在 图 4和图 8 所示的膨胀冲程末期压缩腔压力 下降过程中，当压力下降到压缩压力 以下时，压缩 腔压力 出现 了再次增大的情况。出现这一情况的原 因是受单向阀阀芯动态响应的影响，阀芯并没有在 活塞运动 到膨胀冲 程极 限位置后立 即返 回关闭位 置，因此当压缩腔压力降低到小于压缩压力 ，压缩 蓄能器中的液压油通过单 向阀出现 了回流，进而使 压缩腔压力再次出现了增大 的情况 。此种情况将增 加活塞的反弹量[1 1] ，不利用活塞压缩行程初始位置 的精确控制。 5 结论 1 提出了一种单活塞液压 自由活塞发动机极 限位置的液压节流控制方法，利用 了单 向阀节流、 回油阻尼和油液弹性三种作用效果 。 2 单活塞液压 自由活塞发动机压缩腔压力在 膨胀冲程 的第一次峰值由单 向阀引起，增大单 向阀 通径可减小压力峰值 ，第二次峰值 由回油阻尼和油 液弹性引起 。 3 增大回油孔通流面积在 削减压缩腔 由单 向 阀所产生的峰值压力上作用不明显，但在减小压力 波后期高压的持续时间上 ，作用效果 明显 。 f 4 在活塞膨胀冲程最大速度出现极端情况 时，利用回油阻尼和油液弹性，能有效防止单活塞 液压 自由活塞发动机机械损坏的发生。 参考文献 [ 1 ]AC H T E NPA J ， V ANDO， P OT MA J ， e t a 1 ． Ho r s e p o w e r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年 1 1 月 吴维等 自由活塞 极限位置的液压节流控制 1 l 1 wi t h b r a i n s T h e d e s i g n o f the CHI RON f r e e p i s t o n e n g i n e [ R】 ． S A E，2 0 0 0 0 1 2 5 4 5 ， 2 0 0 0 ． [ 2 】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 ． YANG Hu a y o n g ， XI A Bi z h o n g ， F U Xi n ．Hy d r a u l i c f r e e p i s t 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l E n g i n e e rin g i n Ch i n a ，2 0 0 9 ， 4 4 3 7 1 3 7 7 ． 【 6 】 Z HAOZ F ， Z H A NGF J ， Z HA OCL ， e t a 1 ． Mo d e l i n gand s i mu l a t i o n o f a h y dra u l i c f r e e p i s t o n d i e s e l e n g i n e [ R ] ． S AE， 2 0 0 8 - 0 1 1 5 2 8 ， 2 0 0 8 ． [ 7 】路甬祥．两通插装阀的流量系数和液动力[ J 】 ．液压气 动与密封， 1 9 8 3 4 1 4 ． 2 1 ． LU Yo n g x i a n g ．T h e d i s c h a r g e c o e ffic i e n t s a n d fl o w f o r c e s o f the c a r t r i d g e v a l v e s [ J ] ． Hy dra u l i c s P n e u ma t i c s and S e a l s ， 1 9 8 3 4 1 4 2 1 ． [ 8 ] WA NG S ． T h e a n a l y s i s o f c a v i t a t i o n p r o b l e ms i n t h e a x i a l p i s t o n p um p [ J ] ． J o u r n a l o f F l u i d s E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 ， 1 3 2 6 1 - 6 ． [ 9 ] C AS O L 1 V AC C A A， F R A NZ O NI G e t a 1 ． Mo d e l l i n g o f fl u i d p r o p e r t i e s i n h y dra u l i c p o s i t i v e d i s p l a c e me n t ma c h i n e s[ J ] ． S i mu l a t i o n Mo d e l l i n g P r a c t i c e and T h e o r y , 2 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