（机械电子工程专业论文）入口特性对蓄能器性能影响的研究.pdf

摘要 摘要 蓄能器是液压系统中的重要附件，蓄能器的晌应性能在很大程度上关 系到系统的性能，进油阀和连接管道对蓄能器的性能有很大的影响。本文 将进油阀和连接管道与蓄能器看作一一体建立整体数学模型，及其对蓄能器 性能的影响进行研究和分析。研究工作主要包括以下几个方面： 结合不同类型蓄能器介绍常见蓄能器进油阀的类型和结构，总结分析 目前国内外阻尼效应和管道效应研究的现状及存在的问题。 在分别建立考虑进油阀和连接管道的蓄能器数学模型时，将蓄能器整 体分为气腔、液腔、进油阀和连接管路四部分。分别建立四部分的数学模 型，然后根据不同需要分别建立带进油阀的、带进油阀和连接管道的蓄能 器数学模型。 分析考虑进油阀和连接管道的蓄能器数学模型中模型参数和蓄能器结 构参数、工作参数、进油阀和连接管道结构参数之间的关系。并利用m a t l a b 软件编制了蓄能器数学模型参数计算的程序。 应用m a t l a b s i m u l i n k 对考虑进油阀和连接管道的蓄能器进行仿真分 析。针对蓄能器吸收冲击和消除脉动的功能分别建立蓄能器的仿真模型进 行仿真，验证进油阀和连接管道结构参数与蓄能器模型之间的关系以及这 些参数的变化对蓄能器响应性能的影响。 设计搭接实验回路，利用d s p a c e 软硬件集成系统对实验系统在线实 时控制、参数调整和数据采集，得到蓄能器进油阀内径大小和连接管道长 短不同，系统中存在压力冲击时，阀前泵后的压力响应曲线。结合仿真得 到的结果，验证蓄能器数学模型的正确性和进油阀及连接管道对蓄能器性 能的影响作用。 关键词皮囊式蓄能器；进油阀；连接管道；阻尼效应；管道效应；数学 模型；系统仿真 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t h y d r a u l i ca c c u m u l a t o ri so n ei m p o r t a n ta c c e s s o r yi nh y d r a u l i cs y s t e m ，i t s r e s p o n s i v i t yh a v eab e a r i n gu p o nh y d r a u l i cs y s t e m sc a p a b i l i t y f i l l i n gv a l v e a n dc o n n e c t e dp i p e l i n ea r ea c c u m u l a t o r si m p o r t a n ta c c e s s o r y ，a c c u m u l a t o r s c a p a b i l i t yi si n f l u e n c e db yt h e m t h i sp a p e rr e g a r d sa st h ef i l l i n gv a l v ea n dt h e c o n n e c t i o n p i p e l i n e a n dt h ea c c u m u l a t o ra b o d y e s t a b l i s h m e n to v e r a l l m a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n di t sc o n d u c t st h er e s e a r c ha n dt h ea n a l y s i st ot h e a c c u m u l a t o rp e r f o r m a n c ei n f l u e n c e t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： u n i f i e st h ed i f f e r e n tt y p ea c c u m u l a t o ri n t r o d u c t i o nc o m m o na c c u m u l a t o r f i l l i n gv a l v et h et y p ea n dt h es t r u c t u r e ，s u m m a r i z e st h ea n a l y s i sa tp r e s e n tt h e d o m e s t i ca n df o r e i g nd a m p l i n ge f f e c ta n dt h ep i p e l i n ee f f e c tr e s e a r c hp r e s e n t s i t u a t i o na n dt h ee x i s t e n c eq u e s t i o n w h e n s e p a r a t e l y e s t a b l i s h e st h ec o n s i d e r a t i o n f i l l i n g v a l v ea n d c o n n e c t i o np i p e l i n et h ea c c u m u l a t o rm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ea c c u m u l a t o r w h o l ed i v i d e si n t og a sc h a m p e r ，l i q u i dc h a m p e r ，t h ec h a r g i n gv a l v ea n dt h e c o n n e c t i o np i p e l i n ef o u rp a r t s t h em o d e li sm a d eo ff o u rp a r t s ，a n dt h e n m a k e st h em o d e lw i mf i l l i n gv a l v e ；t h em a t hm o d e lw i t ht h er u l i n gv a l v ea n d t h ec o n n e c t i o np i p e l i n eb a s e dd i f f e r e n tn e e d t h er e l a t i o ni ss t u d i e da n da n a l y z e db e t w e e nt h em o d e lp a r a m e t e ro f a c c u m u l a t o rm o d e lb a s e do nt h ef i l l i n gv a l v ea n dt h ec o n n e c t i o np i p e l i n ea n d s t r u c t u r a lp a r a m e t e r , w o r k i n gp a r a m e t e r , t h ef i l l i n gv a l v ea n dt h ec o n n e c t i o n p i p e l i n e sp a r a m e t e r b yu t i l i z i n gm a t l a bs o f t w a r ea c c u m u l a t o rm o d e la c c o u n t p r o c e d u r ei se s t a b l i s h e d t h ea c c u m u l a t o rm o d e lb a s e do nt h ef i l l i n gv a l v ea n dt h ec o n n e c t i o n p i p e l i n ei ss i m u l a t e db ym a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e a c c u m u l a t o r ss i m u l a t e d m o d e lf o ra s s i m i l a t i n g h y d r a u l i ci m p u l s i o na n de l i m i n a t i n gp u l s a t o r y i s e s t 曲l i s h e d a n dt h e nt h em o d e l sa r es i m u l a t e d t h er e l a t i o nb e t w e e nt h e l i a b s t r a c t p a r a m e t e ro ff i l l i n gv a l v ea n dc o n n e c t i o np i p e l i n em a da c c n n m l a t o rm o d e li s d e m o n s t r a t e d ，a n dt h ee f f e c tb e t w e e nt h ef i l l i n gv a l v e ，t h ec o n n e c t i o np i p e l i n e a n da c c u m u l a t o rr e s p o n s i v i t ya b i l i t yi sv a l i d a t e d o n eh y d r a u l i ce x p e r i m e n tt a b l ei sl a p p e d ，t oc o n t r o lt h ee x p e r i m e n t a l s y s t e m ，a d j u s tp a r a m e t e ra n dt o c o l l e c td a t ao n - l i n ea n dr e a l - t i m e ，d s p a c e s o f t h a r d w a r ei n t e g r a t e ds y s t e mi su t i l i z e dd u r i n ge x p e r i m e n t u n d e rd i f f e r e n t f i l l i n g v a l v e sd i a m e t e ra n dd i f f e r e n tc o n n e c t i o np i p e l i n e s l e n g t h ，p r e s s r e s p o n s ec u r v eo fp u m pb a c ka n dv a l v ef r o n ta r eg m n e dw h e nt h e r ea r e s h o c k i n gw a v ep r e s s u r ei ns y s t e m a n a l y z i n gt h r e ep r e s sr e s p o n s e sc u r v em a d i n c o r p o r a t i n gc o n c l u s i o no ft h es i m u l a t i o n ，t h er i g h t n e s so ft h ea c c u m u l a t o r s m a t hm o d e la n dt h ee f f e c to fa c c t n n u l a t o r sc a p a b i l i t yb yt h ef i l l i n gv a l v ea n d t h ec o n n e c t i o np i p e l i n ei sp r o v e d k e y w o r d sb a gt y p ea c c u m u l a t o r ；f i l l i n gv a l v e ；c o n n e c t i o np i p e l i n e ；d a m p e f f e c t ；p i p e l i n ee f f e c t ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；s i m u l a t i o no fs y s t e m i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文入口特性对蓄能器性能 影响的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字 。倪日期矽彩年归，；同 燕山大学硕士学位论文使用授权书 入口特性对蓄能器性能影响的研究系本人在燕山大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山火学 所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完 全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕 山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密阢 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：獭同期：z 柝驴局弓日 刷磁各易 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 蓄能器及其进油阀和连接管道 随着工业生产和科学技术的发展，液压系统越来越广泛地应用在各类 机械设备j 二，作为液压系统重要组成部分的蓄能器也得到了广泛的应用。 蓄能器是根据力的平衡原理，利用其内部工作介质( 常为液压油) 的体积发 生变化，从而达到储存和释放液压能的一种液压辅助装备1 1j 。蓄能器可以 将多余的能量在一定时间内暂存起来，经济地加以利用，改善能量使用的 机动性，这在有效利用能源、减轻环保负担、最终节省能源上具有重要的 意义扪。 蓄能器的功用就是将液压系统中能源装置产生的多余能量转换成弹簧 势能、重力势能或者气体内能存储起来，而在执行元件所需能量大于能源 装置提供的能量时释放出来。在存储和释放能量的同时，因为蓄能器柔性 机构的弹性、内部摩擦和质量单元的往复运动，会将系统中由于执行元件、 控制辅助元件等产生的脉动和液压冲击在一定程度上消减或消除口j 。 蓄能器在液压系统中有如下具体功用：提高系统效率；作为紧急动力 源；使电机平稳启动；作为一种辅助能源；吸收压力脉动；减小压力冲击； 缓冲及平衡作用；降低液压噪声；防止液压泵出现空穴；补充泄漏；作为 热膨胀补偿器；作为液体补充装置；作为液体空气弹簧及模拟弹簧：输送 异性液体、有毒液体等1 4 j 。 蓄能器进油阀是蓄能器的重要组成部分，也是蓄能器机构中比较复杂 的部分，是蓄能器油腔与液压系统的连接部分。它是由进出油口、一个受 弹簧力作用的菌型阀、放气塞、连接螺母和密封圈等组成的。蓄能器进油 阀对蓄能器的工作有着显著的影响，其参数的选择和结构的设计将直接影 响到蓄能器工作参数的改变。根据蓄能器进油阀结构，可将其作为一段阻 尼孔来分析研究。 流体管道作为流体传输、传动和控制工程中不可缺少的元件，其本身 燕山大学t 学硕士学位论文 动态特性对系统性能的影响不容忽视，随着近几年流体网络理论和计算机 技术的发展，国内外研究者愈来愈重视管道动态特性对实际系统性能影响 的研究陋1 。在对蓄能器的研究中，也应该重视其连接管道动态特性对蓄能 器性能的影响。 1 1 1 蓄能器及进油涠的分类 液压技术发展到现在，随着发展的需要，出现了各种类型的蓄能器， 每类蓄能器的进油阀的结构和功用也各有不同。 首先，根据蓄能器的分类进行分析研究，蓄能器按加载方式可分为弹 簧式、莺力式和气体式1 6 j 。每类蓄能器根据其结构又有不同形式，其进油 阀的形式也不同，具体分类如下： 弹簧式蓄能器和重力式蓄能器的进油阀都非常的简单，都可以称作为 进出油口，没有什么特殊的装置，作用也只是进油出油。两者主要差别是 在蓄能器中的位置不同，弹簧式蓄能器的进油阀在蓄能器底部，重力式蓄 能器的迸油阀在蓄能器的侧下方。 气体蓄能器按结构可分为气液直接接触式、管道消震器、活塞式、隔 膜式、差动活塞式和皮囊式等。活塞式蓄能器进油阀结构如图1 i 所示。 这种蓄能器的进油阀和弹簧式和重力式蓄能器的进油阀从结构和功用上都 十分相似，也是简单的进油出油口。 圈1 1活塞式蓄能器进油阎 f i g 1 - 1 p i s t o na c c u m u l a t o r sf i l l i n gv a l v e 差动活塞式蓄能器的结构如图1 2 所示。它的进油阀和上面几种蓄能 器的结构和功用基本一样，是简单进出油口。 2 笙! 童丝丝 图1 2 差动活塞式蓄能器进油喇 f i g 1 - 2 d i f f e r e n t i a lc y l i n d e rp i s t o nh y d r o p n e u m a t i ca c c u m u l a t o r sf i l l i n gv a l v e 皮囊式蓄能器的进油阀结构如图1 3 所示。 ( a ) 剖视图 ( b ) 仰视图 1 一菌型阀2 一壳体3 一半羼卡箍4 一o 形罔 5 一鹅片6 一螺母7 放气塞8 一阀体总成 图1 - 3 皮囊式蓄能器进油阀 f i g 1 3b a gt y p ea c c u m u l a t o r sf i l l i n gv a l v e 3 2 燕山人学工学硕士学位论文 这种蓄能器可做成各种大小规格，适用于不同的液压系统中。胶囊惯 性小，反应灵敏，适合用作消除脉动。不易漏气，没有油气混杂的可能。 维护容易、附属设备少、安装容易、充气方便，是目前使用和研究最多的。 但是随着液压技术的发展这种蓄能器的缺点也逐步显现出来，比如一旦蓄 能器选定，其工作参数就不能改变，无法满足系统工况多变的要求u “。目 前，使用最广泛的液压蓄能器是皮囊式蓄能器，这种蓄能器具有频率响应 高、气体易隔离密封、维护简单等优点。本论文的研究工作主要就是针对 这种皮囊式蓄能器的进油阀和连接管道进行的，所以此后提到的所有蓄能 器如无特别说明，均指液压皮囊式蓄能器。 从上面对不同类型蓄能器进油阀的统计分析，可知除皮囊式蓄能器外， 其它蓄能器进油阀的结构相对简单，作用也只是作为单纯的进出油口；而 皮囊式蓄能器的进油阀结构复杂，除了作为进出油口外，还有对蓄能器中 皮囊的保护作用。 1 1 2 进油阀的结构和工作过程 蓄能器进油阀的结构如图1 3 ，它由阀体总成、菌形阀、放气塞、连 接螺母和密封圈部件组成。阀体总成8 用一对装在壳体开口内侧的半圆卡 箍3 卡在阀体本身的抬肩，装在壳体的下部。o 形密封圈4 与垫片5 接触， 然后在壳体外面用螺母6 拧紧固定。用这样的结构能确保安全，要想拆丌 蓄能器，必须拧下螺母，把阀体推到壳体内，气囊内有压力是不能做到这 点的，即当蓄能器里充有压缩气体时不可能拆卸蓄能器。阀体总成包括一 个受弹簧力作用的菌型阀1 ，其作用是防止油液全部排出时，气囊膨胀出 容器之外，使气囊受损【l 】。 图1 - 4 为进油阀分解照片。从左向右依次为：菌型阀弹簧、菌型阀、 固定菌型阀的垫片和螺母、阀体总成。 蓄能器进油阀在各阶段工作过程的状态如图1 5 所示。由图可知，当 蓄能器未充气时，菌型阀由弹簧顶着，阀口是开启的；当蓄能器充气时， 4 第1 章绪论 图l 一4 进油阀照片 f i g 1 - 4 t h ep h o t oo f f i l l i n gv a l v e 皮囊将菌型阀压下；当管道中流体压力和气囊充氮压力p 相等时，菌形阀 打开，气囊收缩，如图l 一5 ( c ) 所示状态：图1 - 5 ( d ) 和图1 - 5 ( 0 为蓄能器消减 压力脉动时的工作状态，当脉动压力大时，气囊容积变小，如图1 - 7 f d l ， 然后，脉动减小，气囊容积增大，至图1 - 5 ( e ) 如此反复【7 ，引。 i l j | | | | | l l | | 罾髫曾 ( a ) 未充氮气 ( b ) 充氮至充气压力( c ) 充液 罾曾罾 ( d ) 压力达最大值( e ) 排液( f ) 降至压力最低 图1 5 蓄能器进油阀工作过程图解 f i g 1 - 5 t h es c h e m e f o r t h ep r o c e s s o f a c c u m u l a t o r s f i l l i n g v a l v e 5 燕山大学工学硕士学位论文 1 2理论研究的历史和现状 1 2 1 蓄能器的理论研究 1 7 世纪和1 8 世纪是液压理论发展的鼎盛时期，形成并成熟于这段时 期的流体静压传递理论、现代流体动力润滑理论、流体动力学等文献，基 本上奠定了现代液压理论的基础。同时，因为实际应用的要求，出现了一 些简单的蓄能器，比如用装满水容器做质量块的重力式蓄能器。但是这时 候的蓄能器使用和研究都是针对某一系统单独进行的，没有专门的、系统 的理论9 1 。 2 0 世纪7 0 年代中期，各国蓄能器的生产日臻完善，对蓄能器及有关 课题的研究也迸一步发展起来。英美等国在蓄能器的结构、选择、计算、 应用等方丽作了大量的工作。值得注意的是7 0 年代末采用蓄能器节能及蓄 能器系统节能，尤其是汽车节能技术在英美等国发展起来。此时，苏联、 法国主要致力于蓄能器的本体结构和新型脉动衰减元件的研究。进入8 0 年代后，蓄能器的结构、种类和形式趋于多样化，各国对蓄能器的研究也 越来越深入，涉及面越来越广，对蓄能器及系统节能效果的研究和计算机 辅助设计成为了重要方面。到9 0 年代，新型计算机软、硬件和控制技术的 发展为液压系统和智能型液压元件的研究提供了先进的研究工具和研究手 段，这为蓄能器的研究提出了新的要求i l0 ，“j 。 1 2 2 阻尼效应的研究现状 阻尼孔广泛应用在机械制造、汽车、建筑、航空、航天、医疗等各个 领域，在液压系统中也有着广泛的应用和研究。对阻尼孔的研究目前多集 中在各种减震器、阻尼器和缓冲器上，其中磁流变液减震器、汽车减震器 和建筑工程减震器都是目前的研究热点。 比如，为了优化可调式线性油压减振器阻尼孔的设计，浙江大学的潘 双夏等人对可调式线性油压减振器阻尼孔的精度设计进行了研究，建立了 各级阻尼孔的实际尺寸与相应典型工作点最大可调阻尼力之间的流体力学 6 第1 章绪论 模型，分析了模型中参数之间的相互影响关系 12 1 。东南大学土木工程学院 的杨国华、李爱群等对工程结构中流体阻尼器的减振机制与控振进行了分 析，在对粘滞流体阻尼器的构造及阻尼孔的阻尼特性进行分析的基础上， 建立了粘滞流体阻尼器的阻尼力与速度的关系式，并对某一设置粘滞流体 阻尼器的5 层框架进行了控振分析，证实了粘滞流体阻尼器具有良好的减 振控制效果【l 。 在液压系统中，液流流经小孔和阀口的现象是普遍存在的，流体力学 将阀口以及类似结构( 如细长孔、短孔、缝隙等) 称之为液阻，也可以视为 阻尼孔。目前，在液压系统中对阻尼孔主要集中在对各种阀的研究上，对 其他方面的研究较少。比如，北京理工大学的李和占对排量控制阻尼孔对 轴向柱塞泵动态响应特性的影响进行了分析，通过实验和仿真两个方面， 分析了排量控制阻尼孔对排量控制机构响应特性的影响 1 4 1 。韩国机械工程 学院的j s l e e 等人对液压系统中不同类型的阻尼孔( 如图1 6 ) 进行了大量 的实验研究，分析了不同类型阻尼孔的特性【l ”。 囫。黔叮 历荡z k j 一 图i - 6 阻尼孔类型 f i g 1 - 6 t h eo r i f i c et y p e s 目前，磁流变液( m a g n e t o r h e l o l o g i e a lf l u i d s ，简称m r f ) 研究是当今国 际前沿领域的研究热点，其中由于磁流变液具有大的剪切应力和良好的动 力学稳定性，故m r f 及其相关器件的研究近年来备受关注。在2 0 世纪4 0 年代，r a b i n o wj 首次发现磁流变现象( 简称m r e ) ：在外加磁场作用下， 某些液体的黏度会迅速发生显著变化，流体的表面黏度或流动屈服应力增 大，从而改变其特性。这种变化是可逆的，当去掉外加磁场时，流体又恢 复到原来的状况，其响应时间仅为几毫秒。另外这种变化也是连续和无级 的，即在固一液、液一固的变化过程中，表面黏度和剪切应力是无级和连 续变化的。能产生磁流变效应的流体称为磁流变液。在自适应蓄能器的研 7 囫囫 燕山人学 ：学硕十学位论文 究中可以将磁流变液引入到进油阀的设计中，通过磁流变液来改变进油阀 阀l ：】通径的大小，以改变进油阀的阻尼【1 6 , 1 7 。 1 2 3 管道理论的研究历史及现状 管内流体传输与瞬变过程的研究工作最早始于1 9 世纪初，当时主要研 究大直径管内的压力脉动和水击分析，在这些分折中，流体中的压力波传 递速度是主要的研究对象，流体管道模型主要是以理想流体无损管道的一 维波动方程的初级模型为基础，而忽略了流体粘性及管壁的热传递作用。 从二斗世纪四十年代开始，由于液压技术的迅速发展，特别是气动技 术和射流技术的兴起，进一步推动了管内流体动态特性的研究。其研究内 客包括了流体管道的瞬态响应和频率响应，分析对象也扩展到了流体粘性 及惯性对管道动态过程的影响。反映到数学模型上，以1 9 7 2 年古德逊 ( g o o d s o n ) 和伦纳德( l e o n a r d ) 总结归纳的无损管道模型、平均摩擦管道模 型和分布摩擦管道模型三种形式为代表，基本上解决了管道研究的频域建 模问题，并为研究流体管道传输和瞬变问题提供了理论依据。以后的一些 研究基本上部是基于上面三种模型或是对它们的补充 18 1 。 将管道流固藕合等特性和蓄能器特性结合研究，并将其应用于液压系 统消震、降低液压冲击也是目前蓄能器研究的一个主要内容。比如浙江大 学的邱敏秀老师通过理论分析建立了加入蓄能器后阀控液压系统的数学模 型，从理论和仿真角度研究了蓄能器对带长管道的阀控液压系统动态特性 的影响，得出了一些结论，为同类系统的设计与分析提供了理论基础。燕 山大学孔祥东等人对电液位置及速度控制系统进行了理论分析和实验研 究。研究表明：不同管长、不同管径和壁厚的管道对系统的影响不同，短 而粗的管道对系统的影响较小，合理匹配管道参数能够大大提高系统的响 应能力，但匹配不合理有可能大大降低系统的响应能力。研究结果表明， 管长主要影响系统的谐振位置，管径主要影响系统的谐振峰值 1 9 2 1 1 。 从目前蓄能器及进油阀和连接管道的基础理论研究现状，可以发现这 些工作具有以下特点：目前对蓄能器的专项研究不是很多，对蓄能器进油 8 第1 章绪论 阀的研究就是少而更少了，而且多数研究都是针对蓄能器本体，没有把连 接管道和蓄能器联系起来研究；蓄能器进油阀的设计和参数选择大部分都 是通过经验总结得来的，很多数据是研究人员在早期、研究手段不够先进 的情况下采用经验选择设计的，没有考虑到进油阀的阻尼作用，所以很多 设计和参数的选择是不够准确的，影响到蓄能器工作时的效率，需要改进 的地方有很多。 总的来说，目前没有考虑进油阀和连接管道的蓄能器基础理论和参数 选择已经很难满足液压系统和液压元件研究的发展。 1 3 本课题的意义和目的 蓄能器对液压系统有着至关重要的作用，现阶段的蓄能器已不能很好 地满足液压系统发展的要求，所以有必要对其做全面仔细的研究。 蓄能器进油阀作为蓄能器的重要组成部分，近二十几年内其结构和功 用都没有较大的改进，也没有系统的理论基础。目前，蓄能器进油阀的结 构及参数选择完全是前人的经验总结。这影响了蓄能器在液压系统中的精 确利用。 流体管道是流体传输、传动和控制系统中不可缺少的组成元件之一， 其动态性能直接关系到系统的精确性与可靠性。连接蓄能器的管道也直接 影响到蓄能器的精确性与可靠性，在研究蓄能器时，需要考虑其对蓄能器 性能的影响。 综上所述，本文的研究主要集中在蓄能器进油阀和连接管道对蓄能器 工作性能的影响方面，这对今后蓄能器的改进及其进油阀和连接管道的设 计和选取都有重要的理论指导意义，也是为国家自然科学基金项目“自适 应型液压蓄能器的基础理论和应用研究”打下基础。 本文研究的主要目的是： ( 1 ) 结合阻尼效应和管道理论研究的历史及现状，对蓄能器进油阀和连 接管道的工作原理、用途和分类进行基础研究和总结。使液压领域的工作 者对进油阀和连接管道这些蓄能器系统中的重要附件的结构、种类、形式 9 燕山人学_ l = 学硕士学位论文 以及功用有一个全面的认识。 ( 2 ) 建立完善准确的考虑进油阀和连接管道的蓄能器数学模型，对所建 立的数学模型进行简化和优化，得出最简的准确蓄能器模型，并对数学模 型中的参数进行编程计算，利于实际应用和计算。本论文中建立的数学模 型将为蓄能器的改进和蓄能器液压系统的研究提供理论基础。 ( 3 ) 进行仿真分析，得出蓄能器在进油阀和连接管道不同参数下的动态 特性，研究分析蓄能器进油阀和连接管道的参数改变对蓄能器性能的影响。 ( 4 ) 进行实验研究，对所建立的数学模型及仿真结果进行验证。总结验 证蓄能器进油阀和连接管道对蓄能器性能的影响，并找出其影响的规律。 这将为以后自适应型蓄能器丌发和研究提供理论和经验上的指导。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题的主要内容是对目前皮囊式蓄能器的进油阀和连接管道进行理 论分析、数学建模和仿真、实验分析，确定进油阀和连接管道对蓄能器工 作状况的影响。具体内容如下： ( 1 ) 总结分析蓄能器及其进油阀的类型和功用、蓄能器及其进油阀和连 接管道历史的简单回顾、蓄能器及其进油阀和连接管道近几十年的研究历 史及其基础理论的研究历史和研究现状。 ( 2 ) 将蓄能器及进油阀和连接管道联合考虑看成一个系统，对其进行简 化，以力学理论为依据，分析蓄能器的数学模型，结合管道n s 方程，建 立蓄能器进油阀连接管道系统的完整数学模型。 ( 3 ) 将所建立的数学模型进行简化和优化，得出最简的准确蓄能器模 型，并对数学模型中的参数进行编程计算。 ( 4 ) 应用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件，以完整的蓄能器数学模型为依据建 立蓄能器的仿真模型。主要对蓄能器消除脉动和吸收压力冲击等功能进行 仿真研究。仿真过程中，以前边的优化结果为依据、结合两种功用的工作 原理，选取仿真参数。 ( 5 ) 实验研究中，分别针对蓄能器吸收压力冲击和存储能量两种功用设 1 0 第l 章绪论 计实验同路和搭接实验系统进行实验研究。通过调整蓄能器进油阀和连接 管道的工作参数来检测蓄能器在系统中工作情况的变化，分析实验结果， 得出对蓄能器工作情况的影响规律，并以此验证理论分析和仿真分析的结 果。 燕山人学工学硕士学位论文 第2 章考虑进油阀和连接管道的蓄能器建模 2 1引言 模型是人们对客观实体运动规律的主观认识，数学模型则是用数学方 式对这种认识的描述。描述的过程将涉及对实际系统特征信息的抽取( 如采 集、选择、传输、转换等) 、表示( 映射) 、凝聚( 浓缩与融合) 等信息处理活 动。所谓数学模型就是描述实际系统内、外部各变量阳j 互相关系的数学表 达式，这种表达式主要包括数值表达式和逻辑表达式。合理的数学模型应 是能够正确反映系统表征和特性的最简数学表达式【2 2 j 。 建立考虑进油阀和连接管道的蓄能器数学模型就是确定系统的模型形 式、结构和参数，以得到正确描述蓄能器进油阀和连接管道的系统表征和 性状的最简数学表达式。本文在研究时将蓄能器分为本体和连接管道两部 分，本体又分为气腔、油腔和进油阀三部分。 2 2 蓄能器各组成单元的动力学分析 在建立考虑进油阀和连接管道蓄能器的数学模型时，首先研究各部分 的数学模型，然后将这些模型通过其中相关参数的耦合处理就可以得到整 体的蓄能器模型。其中因为进油阀的内部机构相对复杂，不利于建模分析， 所以本课题中将进油阀简化为短管道看待，即阻尼孔。图2 1 为简化后的 蓄能器进油阀建模系统图。由于蓄能器在液压系统中的功用不同，它和系 统管道的连接方式也不同。这里只研究蓄能器存储能量、吸收液压冲击和 消除脉动三种功用时的蓄能器模型。通常在针对不同的功用研究蓄能器时， 需要对其进行简化，其中存储能量和吸收液压冲击的蓄能器连接管道建模 简化是相同的，连接管道多简化为弯曲管道，如图2 - 1 ( a ) ；而当其作为消 除脉动时的连接管道多简化为分歧管道，如图2 - 1 ( b ) 。但是因为蓄能器在 系统中工作时，其功用总是很复杂的，往往是各种功用交互实现，所以具 体应用哪种管道简化形式并不固定，主要根据蓄能器在系统中起到的主要 1 2 第2 章考虑迸油阀和连接管道的蓄能器建模 功用需要而定 2 3 】。 进油阀 连接管路 图2 - 1蓄能器建模系统简化图 f i g 2 - 1 t h es i m p l i f i e dg r a p ho f a c c u m u l a t o rm o d e ls y s t e m 2 2 1蓄能器本体的模型 路 本文在研究蓄能器数学模型时，先不考虑进油阀和管道效应，只考虑 蓄能器本体，将蓄能器本体简化为两部分：气腔部分和液腔部分。然后建 立这两部分的压力流量关系，得出蓄能器本体的数学模型。在实际分 析过程中，将蓄能器本体简化为图2 。2 所示的简化模型。 气腔 油腔 图2 - 2 蓄能器简化图 f i g 2 - 2 t h es i m p l i f i e dg r a p ho f a c c u m u l a t o r 对图中蓄能器两部分的连接面一气腔和液腔进行受力分析，可以分别 得出蓄能器两部分的力学模型；然后根据各部分之间的压力一流量关系， 1 3 燕山人学上学硕士学位沦文 对蓄能器两部分的力字模型进行分析，通过曲部分的力半衡方程和流体的 连续方程就能够联立得到蓄能器的数学模型 2 4 埘 。 首先，建立油腔的力平衡方程 巴去卜警m 绒) b ， 以进入气室的流量为正，有 q 。= 一盟d t ( 2 2 ) 式中 4 。蓄能器的横截内面积 r 。阻尼系数，r 。= 8 班其中t 为油的动力粘度，l 。为油 液的长度 a 气流体质量 蓄能器的气体的状态方程 巧巧”= ( - + 叱i - + a v o y ( 2 3 ) 岈( 彘卜一巧 式中巧工作时蓄能器内气体压力 瓦工作时蓄能器体积的稳态值 叱一等仳 型：墼：釜堡： q 用0 ) 一 s 一 1 4 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 第2 章考虑进油阀和适接管道的蓄能器建模 式中m 。蓄能器内流体的当量质量 r 。蓄能器内流体的当量阻力系数 s 拉氏算子 k 。一蓄能器气体弹删舭。= 华 o j b n 蓄能器的固有频率，h = 撕7 j 瓦 己。蓄能器阻尼比系数彘。= 2 2 2 进油阀的模型 r h 2 a b ( 2 - 6 ) 由于皮囊式蓄能器的进油阀内部结构较为复杂，本论文为了便于建模， 不考虑带弹簧作用力的菌型阀对进油阀内流量和压力的影响，将进油阀直 接作为短管道分析。由于进油阀和蓄能器油腔相连，蓄能器油腔的直径大 于进油阀的直径，蓄能器排油时油液由油腔进入进油阀，这时进油阀短管 道也可以看作是阻尼孑l 。在本节中分析和建立的进油阀模型即为短管道作 为阻尼孔的模型 2 8 , 2 9 】。 进油阀的长度，与内径d 比值通常大于2 而小于4 ，可视进油阀为短 管道，如图2 3 所示。 图2 - 3 短管液流示意图 f i g 2 3 t h es c h e m eo f s h o r tp i p e l i n el i q u i d 1 5 州 堑 + 咤堕咖 燕山人学1 ：学硕士学位论文 列出图2 3 中截面1 - 1 的伯努力方程，并 殳动能修正系数口= 1 时，有 旦+堕=p2+兰1pg 2 9p g2 9 + ( 2 7 ) jb 。 7 其中为液流流经短管的局部能量损失，它包括两部分：液流经截面突 然缩小时的h 。和突然扩大时的。以l = 乒；( 2 9 ) ， h 。：= ( 1 一爿，a ：) 2 v ；( 2 9 ) 。将上两式带入前式( 2 7 ) ，则得 k ：击1 犀b - p ：) = c v , t z - a p ( 2 _ 8 ) 驴丽万慨”vp ( 2 堪) 式e p c v 短管速度系数，c v = 】f + 1 印短管前后的压力差，卸= p 。一p 2 由此得流经短管得流量为 刚以_ c 囊4 愕2 浮 ( 2 _ 9 ) 式中 a 。短管的截面积 t 为截面收缩系数，c 。= 彳。a 。 q 为流量系数，即c d = c 。c ， 将式( 2 9 ) 线性化得 g2 c 一爿。j ；南( p ，一p ：) ( 2 j o ) 其中p 1 。、p ：。各为p ，和p 。的稳态值。 对式( 2 一1 0 ) 进行拉氏变换得 q 。) = c s a o j j 南( e o ) 一最o ) ) ( 2 1 1 ) 流量系数巴的值由试验确定。表2 - 1 为流量系数c 。的值与短管截面积 和油腔截面积比值的关系。 当进油阀长度，与内径d 比值大于4 时，可视进油阀为细长孔。此时 流量公式为 g = x d 4 z x p 1 2 8 r l( 2 1 2 ) 第2 章考虑进油阀和连接管道的蓄能器建模 式中卜进油阀的内径； f 进油阀的长度： 刀粘性系数。 表2 - 1 流量系数c d 的值 t a b l e 2 - 1t h ev a l u eo f f l u xc o e f f i c i e n tc j a o a o 1o 2o 30 4o 5 o 6o ，7 c d 0 6 0 2 0 6 1 50 6 3 40 6 6 10 6 9 60 7 4 20 8 0 4 2 2 3连接管道的模型 在考虑图2 - 4 所示的一段管道的动态特性时，需用到连续方程、动量方 程、能量方程和状态方程对其进行描j 盔 3 0 , 3 1 。首先假定如下几个条件成立： ( 1 ) 流体为连续介质； ( 2 ) 流体在圆管中作轴对称层流流动，并只有小幅扰动； ( 3 ) 认为管壁基本是刚性的，即管壁的弹性与流体的压缩性相比可以忽 略； ( 4 ) 流体的周向速度与径向速度相比均可以忽略不计； f 5 ) 在温度变化很小时，认为流体粘性系数恒定； ( 6 、管道内径尺寸远小于波长，压力沿管道截面均匀分布，轴向热传递 项与径向热传递项相比可忽略不计； ( 7 ) 与压力波速相比，流速很小。 图2 - 4 流体传输管道示意图 f i g 2 4 s c h e m eo f f l u i dt r a n s m i s s i o nl i n e 根据以上假设条件，由简化了的n s 方程合连续性方程，可以得到下面 的管道基本传递矩阵方程： 1 7 燕山大学上学硕十学位论文 p l0 ) c 矗 r g ) 】z c ( 4 s h r ( 4 7 f p ：g ) l 碍g ) j l s h r ( s ) l z 。g )幽【r o ) 】且g ：g ) j 其中喇为管道的传播算子，z 。0 ) 为管道的特征阻抗。有 r 6 ) = e s r 扣研 z c 0 ) = z 0 4 - g ( 3 其中d 。为无因次耗散数，z 。为阻抗常数，f 为无量纲时间因子， 频率相关摩擦损失项。他们分别定义为 峨= , , l a o e 。2 z o = p o a o 磙 r = 秤v 但一1 3 ) f 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 肌旬为 ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 删= ，一拦翮 p 聊 式中 压力波动传递速度( i i l s ) ； ，正零阶和一阶b e s s e l 函数 ，管长( m ) v 流体运动粘度m 2 厶) 岛流体密度( 培m3 ) 管道半径( m ) s 拉普拉斯算子 压力波动传递速度计算公式为 式中置油液体积模量 e 管材弹性模量 “泊松比 a = 缸万 属摹刁 1 8 f 2 2 0 ) 第2 章考虑进油阀和连接管道的蓄能器建模 万管壁厚度 考虑上面直管道的数学模型，下面分别对不同管形建模； ( 1 ) 弯曲管道模型建立对于如图2 - 5 所示的弯曲管道，其中假设弯曲 处的压力损失不计，流量不变，于是由式( 2 1 3 ) 可以得弯曲管道方程为： 瑚舞)zc沌l($)shof)】1ql-l s g 他l q 跚p z - ， l0 ) js 矗 r l g ) z 。)c 而【r l o ) 】：g ) l 2 2 ” 其中e b ) 为管道的传播算子，z 。s ) 为管道的特征阻抗。 图2 - 5 弯曲管道的简化模型 f i g 2 - 5 t h es i m p l i f i e dm o d e lo f c u r v ep i p e - l i n e ( 2 ) 异径串联管道模型建立进油阀和连接管道之间的连接可以看作 异径串联管道，对于如图2 - 6 所示的异径串联管道，连接部的压力损失与 各管道内的压力损失相比可忽略不计。 毋兰- j k 一b 。f i ；毕习。 1 t t2 - 6 异径串联管道简化模型 f i g 2 - 6 t h es i m p l i f i e dm o d e lo f d i f f e r e n td i a m e t e rp i p e l i n e 则由式( 2 1 3 ) 和p 。l = p 。2 ，q 。l = 2 可得 p 2 蝴一c 【f 2 g ) 】z 矗【r 2 刚1 l q 2g ) j b , q f ：( s ) l z o 。o h r 2 删x 幽【r 3 g ) 】乙，幽