機電一體化的新型壓力反饋式液壓沖擊器系統研究

周曉光，李 棟，程軍利

總參陸航部西安軍代室，陜西西安 710600

隨著18世紀水壓機的問世，液壓系統就不斷地得到了應用和創新，目前，已經應用到各個機械領域中，該系統的本體結構具有很好的穩定性，不僅滿足了動力學要求，而且具有很大的工程應用價值。因此，對機電一體化的新型壓力反饋式液壓沖擊器系統研究有其必要性。

1 新型壓力反饋式液壓沖擊器的工作原理

在對新型液壓沖擊器研究過程中，依據其內部的活塞運動情況，將其分為兩個階段進行研究，一是回程運動，一是沖程運動，以下進行具體的說明：

1）回路工作

對于回程運動的工作原理，在這里以圖1進行簡單的分析：圖中中是高壓小流量泵，其在系統的應用主要是為了推進系統進給運動的實現，而對于低壓大流量泵來講，其主要用途是為了快速運動的實現。在系統運行的過程中，由源自于液壓泵的油，會經過單向閥，而此時，與液壓泵中的油，共同工作，進而為系統動作提供所需要的油。

另外，在工作進給過程中，由于在外界因素和系統本身因素的影響下，系統的壓力會有效地提升，這時，就需要將將卸荷閥打開，降低液壓泵的負荷，并且將單向閥關閉，這時，系統所需要的油的，只由液壓泵來完成和實現。

1-高壓小流量泵；2-低壓大流量泵；3-卸荷閥；4-單向閥；5-溢流閥

2）沖程工作

在回程工作過程中，由于系統的負載加大，系統壓力會有所上升，為此，需要在打開溢流閥，在溢流閥的作用下，調整壓力值，等達到系統所要求的定值即可，這時，在壓縮氮和壓力差的作用下，活塞開始加速沖程。

在工作一段時間后，整個系統的負載就會下降，當達到某一定值時，必須要將溢流閥關閉，將換向閥復位，進而接著進入下一個循環過程。

2 系統模型構建

液壓沖擊器，簡單來講，就是一個閥控活塞控制系統，是以液體為主要的能量傳遞介質的，在通常情況下，在分析活塞所受的作用力時，是存在著很大困難的，一方面，是由于其所受的作用力比較復雜，另一方面，是由于其所對應的運動規律也比較復雜，所以，在實際工作中，要想建立數學模型，以液壓沖擊器的實際情況為依據，難度很大。因此，為了解決以下問題，需要做到以下幾點：

首先，要構建一個有效完善的系統模型，必須要明確液壓沖擊及其產生液壓沖擊的主要原因。在液壓系統中，由于某種原因，液體壓力在一瞬間會突然升高，產生很高的壓力峰值，這種現象稱為液壓沖擊。經過相關的理論和實踐研究發現，導致液壓沖擊產生的因素大體有以下方面：一、液流通道迅速關閉或液流迅速換向使液流速度的大小或方向突然變化時，由于液流的慣力引起的液壓沖擊。二、運動著的工作部件突然制動或換向時，因工作部件的慣性引起的液壓沖擊。三、某些液壓元件動作失靈或不靈敏，使系統壓力升高而引起的液壓沖擊。

其次，采有假設法進行問題分析。在系統工作過程中，可以進行以下幾點假設：一、系統內油量恒定，沒有變化；二、整個工作過程，溫度保持一致，沒有變化；三、時間忽略和氣態變態為理想的絕熱狀態。在這樣的假設條件下，可以得到的數學模型為：

1）活塞動力

2）溢流閥模型

其中，m-活塞的質量；d-活塞密封圈直徑；P-回油壓力

3 數值仿真分析

經過以上數學模型的分析，在這里建立仿真數學模型，具體如圖所示。在仿真模型中，既有換向閥的仿真，也是活塞的仿真，與此同時，還實現了回程運動和沖程運動的循環與轉換：

圖中液壓回路，液壓泵流量為25L/min，油液密度可達900kg/m3，閥的調定壓力為0.5N，負載可以達到80000N，而液壓缸無桿腔面積=50cm2，有桿腔面積=25cm2，節流閥通流截面積=0.2cm2，節流閥前后壓差=0.4MPa，油液密度=900kg/m3，節流閥開口面積AT=0.62cm2，忽略管路其它損失。

3.1 活塞力平衡方程

3.2 活塞向右的運動速度

通過節流閥的流量：

3.3 通過溢流閥2的溢流量

3.4 回路效率

那么假定圖中液壓泵，在某一工作狀態下，所承受的工況壓力達到了4N，而泵的實際流量為50L/min，那么此時，液壓泵的總效率為：

當泵的輸入功率=4KW時，液壓泵的總效率：

若是泵壓力為0時，泵的流量=54，液壓泵的容積效率和機械效率則為：

4 結果分析

1）在仿真過程中，由于所設定的不同壓力值，那么活塞的頻率、位移、速度這些參數值都發生了變化，若是調定壓力值增加，那么沖擊力也會增大，而頻率卻會降低，當增加到某一個值時，進而就會發生系統異常；

2）在液壓系統中，如果沖擊器受到單次沖擊，那么其所對應的頻率一定會發生變化，尤其是流量不斷增加的情況下，系統的沖擊頻率更加迅速提升，可以活塞末速度以及活塞行程卻沒有明顯的變化，因此，根據這些數據分析，可以知道，在充氣壓力不變的情況下，若是流量發生了改變，那么頻率就會發生變化，并且可以得到很好的改善，這樣，整個系統的損失也會明顯下降；

3）在保證供油量以及壓力值不變的情況下，使得充氣壓力發生改變，這時，會發現沖擊器的各項參數發生變化，其性能也發生了變化，在充氣壓力不斷增大的過程中，所對應的沖擊頻度不斷上升，而對于單次沖擊的效果卻沒有明顯的變化，而且還有了一定的減小。因此，在設計時，要想達到所預期的設計結果，就要控制壓力充氣范圍，以實際系統為標準，否則也會發生異常現象，甚至于發生死機以及無力的現象。

5 注意事項

1）在液壓系統中，還有一個重要的部件，那就是蓄能器。在系統中，蓄能器容積大小與液壓系統密切的關系，對系統運行有著直接的影響。為此，需要加強對蓄能器的全面了解：首先，蓄能器在液壓系統的主要作用：儲蓄能量，供系統良好運行，同時，為液壓系統提供所需要的瞬間能量；吸收液壓沖擊，穩定液壓壓力。其次，對于蓄能器而言，在液壓系統中，不僅與其作用有關，而且與其大小有著密切的關聯，比如就皮囊充氣壓力而言，并不是越大越好，而是要在滿足系統正常工作及其需求的情況下，越小越好，只是這樣，才能保證系統正常運行。三、合理選擇蓄能器，在選擇蓄能器的過程中，主要是根據其用途進行選擇，一方面，要保證系統運行所需要壓力，為系統提供強大的應急動力源，另一方面，要在較短的時間內，為系統提供大量的壓力油；

2）在系統運行的過程中，可能會經常遇到液壓系統的壓力經常瞬間達到很高的情況，這樣，會對液壓系統中的原件和儀表造成很大的沖擊力，從而造成對原件的損壞，因此，為了減少這種沖擊力，可以采用用定量泵以及換向閥，換向閥最好是O型，這種閥的特點就是動作靈敏，與此同時，還需要在輸入、輸出口疊加溢流閥來提升系統的穩定性，這樣，不僅可以有效地釋放系統運行的壓力，加強對原件的保護，而且提升了系統的穩定性和靈敏度；

3）在液壓系統中，要實現維持系統壓力、減小氣動沖擊或壓力脈動、補償泄漏等功能，就需要對系統的功能和構造進行分析，為其系統和實際情況為基礎，完善各項功能，提供系統的運行效率，進而創造更大的效益。比如液壓囊式儲能器，由于在里面沒有內囊，所以，通常情況下，其體積要比儲能器的體積大，而對于氣體的壓力而言，也只有10公斤，所以，與液壓壓力相比，有一定的差距，而要想進行氣體壓縮量，也是存在一定的限制的，因此，只有靠體積來彌補；

4）系統要保證足夠的潤滑油，否則會導致沖擊器系統磨損或損壞，這是由于在系統中，若是潤滑油達不到沖擊器的沖擊結構（氣缸），就會產生巨大的摩擦，因此，需要加強檢修和維護，認真檢查潤滑裝置，從沖擊器頂部往下注油或增大壓氣含油量，加強對系統的保護。

6 結論

總而言之，新型壓力反饋式液壓沖擊器系統是建立在多種力學原理和數學原理上的一體化平臺和體系，因此，在設計時，一定要從實際出發，認真分析本體結構的載荷情況，提高設計的實際運用價值。

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