一種新型液壓脈沖發生器的試驗研究

胡　勇　季宦玉　王貢獻

武漢理工大學，武漢，430063

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一種新型液壓脈沖發生器的試驗研究

胡勇季宦玉王貢獻

武漢理工大學，武漢，430063

摘要：提出一種適用于沖擊碰撞試驗的錐形間隙小孔組合節流液壓脈沖發生器。通過調節節流面積和碰撞速度等參數，運用試驗方法研究了脈沖發生器的負載自適應性、運動負載制動的高效性、脈沖波形可調性以及油液溫升特性等機械動態特性。試驗結果表明，采用開環控制方法調節節流口的通流面積來實現脈沖波形的調節正確可行，脈沖發生器可以滿足相應沖擊試驗的要求。

關鍵詞：碰撞試驗；沖擊脈沖發生器；沖擊脈沖；油液溫升

0引言

在汽車碰撞試驗、跌落試驗、運載工具制動等場合，緩沖或制動需要按預先設定的加速度曲線完成，以符合規范或設計要求。緩沖裝置中的氣液緩沖器在大位移緩沖制動場合應用較多，各種形式的緩沖結構及其性能研究仍然受到重視[1-3]。被動式液壓緩沖器因具有吸收能力強，緩沖過程平穩，無反彈等特點而得到廣泛應用[4]。但傳統的被動式液壓緩沖器僅用來實現制動，對制動時間和波形都沒有要求，且不能調節制動波形。在沖擊試驗設備中，為了能夠任意調節緩沖加速度波形，通流面積隨時間的變化過程需要進行強制調節。對于沖擊脈寬較大而流量要求較小的沖擊，可以利用高速伺服閥進行阻尼控制，從而實現沖擊波形的任意調節[5]，如液壓伺服振動臺。一些特殊的沖擊試驗，例如模擬水下爆炸沖擊環境的沖擊試驗，用于沖擊試驗的阻尼制動器[6]需要在非常短的時間內完成沖擊，并且流量很大。文獻[7]采用一種成形閥口阻尼器實現沖擊波形的調節，雖然其機械性能好，但制造加工復雜。文獻[8]對液壓脈沖發生器的機械特性進行了數值仿真分析預測，但是缺乏試驗數據的支撐。本文提出了一種新型錐形間隙小孔組合節流結構的液壓脈沖發生器，與傳統只用于制動而不考慮制動加速度波形的液壓緩沖器不同，該發生器可實現大流量的緩沖制動，而且緩沖加速度峰值與脈寬可大范圍調節。在分析脈沖發生器工作原理的基礎上，通過試驗手段研究了該脈沖發生器的負載自適應性、脈沖波形可調性以及油液溫升特性等相關機械動態特性。

1工作機理

圖1是液壓脈沖發生器結構原理圖和實物圖，該結構功能是使油液通過錐形間隙和小孔組合節流產生阻尼來吸收和消耗運動負載的動能，實現運動負載的緊急制動，使其獲得一個波形可調的制動加速度脈沖。

(a)結構原理圖(b)實物圖圖1　液壓脈沖發生器結構原理圖及實物圖

沖擊脈沖發生器工作過程中，運動負載以一定的速度推動活塞桿和活塞擠壓阻尼腔的油液。在活塞運動的整個過程中，油液的流動狀態分成三個不同的節流階段。第一階段在活塞進入節流環之前，阻尼腔的油液主要是通過圖2a所示銳緣閥口和可調節流口排出；第二階段為活塞進入節流環，圖2a中的銳緣閥口消失，阻尼腔中油液由錐形間隙和可調節流口同時排出(圖2b)；第三階段為活塞錐形段完全進入節流閥中(圖2c)，阻尼腔中油液由錐形間隙-環形間隙組成的通道和可調節流口排出?；钊诠澚鳝h運動過程中，由于油液的通流面積發生變化，所以節流產生了不斷變化的阻尼力，使運動負載在阻尼腔高壓油液的制動下獲得一個沖擊脈沖。由于阻尼力大小可以通過阻尼腔油液的等效通流面積來調節，所以沖擊脈沖的幅值和脈寬調節可以通過控制可調節流口的通流面積來實現。

(a)節流第一階段(b)節流第二階段

(c)節流第三階段圖2　液壓脈沖發生器節流過程

2脈沖發生器機械特性試驗

為了考察脈沖發生器在進行瞬態沖擊制動時所呈現出的一些獨特機械特性，開展了對脈沖發生器在不同環形間隙、不同節流面積、不同運動負載速度下的制動性能以及溫度場變化情況的一系列試驗研究。圖3和圖4分別為試驗原理圖和試驗裝置系統現場實物照片，該試驗系統主要由用于安裝脈沖發生器的跌落試驗臺和數據采集及處理系統組成。在脈沖發生器上面安裝了兩個壓力傳感器和兩個熱電偶，分別用來測試脈沖發生器阻尼腔內不同位置的壓力、油溫和發生器的壁溫。

(a)試驗臺總體結構圖(b)脈沖發生器結構原理圖1.加速度傳感器　2.質量塊　3.安裝平臺　4.導軌　5.脈沖發生器　6.安裝支座　7.排氣孔　8.液面　9.活塞　10.回油腔　11.壓力傳感器　12.調節裝置　13.阻尼腔　14.熱電偶(壁溫)　15.熱電偶(油溫)　16.回油腔圖3　脈沖發生器試驗原理圖

圖4　脈沖發生器試驗裝置

圖5為脈沖發生器的尺寸示意圖，試驗所用的脈沖發生器的尺寸如下：緩沖腔的內徑d2=30mm，錐形活塞小端直徑為d1-2h=24mm，活塞的高度h0=20mm，可調節流口的直徑為5mm，節流環的高度L=100mm，回油腔的直徑d=48mm，回油腔的高度為70mm(圖3b中序號10所指環形通道的軸向尺寸)，排氣孔的直徑為10mm(圖3b中序號7所指的孔)。質量塊(包括安裝平臺)為7.5kg。油液體積彈性模量為700MPa，油液動力黏度系數為0.1。

圖5　脈沖發生器的尺寸示意圖

試驗工況如表1所示，其中對可調節流口的調節只用了兩種狀態，開表示可調節流口通流面積全開，關表示可調節流口通流面積為零。通過更換錐形活塞來調節活塞與節流環之間的徑向間隙。通過調整質量塊的落差高度來實現沖擊速度的調節。

表1　試驗工況

3試驗結果與分析

圖6中實線為工況1質量塊的加速度試驗數據，對應的傅里葉變換如圖7所示。由圖7可知，質量塊和活塞桿組成的振動系統的基本頻率為900Hz(有限元計算的基頻為898Hz)。由于質量塊與活塞桿碰撞產生加速脈沖的高頻成分高，引起質量塊和活塞桿系統的振動，所以試驗測試數據有高頻振蕩。為了得到由脈沖發生器產生加速度波形的清晰輪廓，對試驗數據進行濾波，將系統振蕩的高頻濾掉，可以清晰地看到質量塊加速度的形狀。

圖6　工況1質量塊加速度時間歷程

圖7　工況1加速度的傅里葉變換

3.1脈沖發生器對運動負載的適應性

圖8和圖9分別表示當質量塊以不同的速度(3m/s和4m/s)撞擊脈沖發生器活塞桿時質量塊的加速度時間歷程和脈沖發生器中的瞬態壓力。由試驗結果可以看出，沖擊速度越大，質量塊的加速度峰值就越大，脈沖發生器中的壓力也就越大，相反，質量塊加速度脈沖的脈寬就越小，這說明錐形間隙脈沖發生器產生的加速度波形特性對外載負荷特性依賴性很強。

圖8　質量塊加速度時間歷程(可調通道狀態：開)

圖9　阻尼腔內的瞬態壓力(可調通道狀態：開)

3.2環形間隙對加速度脈沖調節

圖10和圖11所示分別為脈沖發生器的沖擊速度為4m/s時，活塞桿的制動加速度曲線和阻尼缸內的壓力變化情況。從試驗結果可以看出，活塞與節流環間隙的大小對加速度脈沖的幅值和脈寬影響非常明顯。當環形間隙δ為0.05mm、0.08mm和0.1mm時，對應的加速度峰值分別為48g、40g和33g，脈寬分別為24ms、30ms和33ms。與此相對應的阻尼缸內的壓力分別達到8MPa、6MPa和5.5MPa。試驗結果說明，通過調整環形節流縫隙是實現對加速度波形調節的最有效手段。

圖10　質量塊加速度時間歷程(v=4 m/s)

圖11　阻尼腔內的瞬態壓力(v=4 m/s)

3.3可調節流通道對加速度脈沖的調節

雖然通過改變脈沖發生器活塞與節流環的間隙可以明顯地對脈沖的特性進行調節，但在實際操作中非常麻煩。因此在脈沖發生器結構中設置可調節流通道，其主要目的是在固定節流間隙的情況下，對制動加速度波形的幅值和脈寬進行一定范圍的調整。在試驗過程中，可調節流通道通流面積的調節是通過對調整螺母的旋轉實現節流通道的關閉和開通而實現。固定節流縫隙為0.05mm，考察可調節流孔在關閉和開通情況下，對加速度的調節效果。

圖12和圖13分別表示可調節流孔的通流面積對質量塊的加速度以及脈沖發生器內壓力的影響。從試驗結果可知，當可調節流孔處于關閉和開通狀態時，對加速度的幅值和脈寬具有一定的調節作用。當可調節流通道處于關閉狀態時，制動加速度的幅值有明顯的升高，與此同時脈寬相應地變窄。阻尼腔內的壓力也相應地增大。

圖12　質量塊加速度時間歷程(v=4 m/s,δ=0.05 mm)

圖13　脈沖發生器內的瞬態壓力(v=4 m/s,δ=0.05 mm)

3.4脈沖發生器脈沖的平移特性

圖14為工況4(表1)下錐形活塞小端與節流環的初始距離為零時，質量塊的加速度試驗曲線。從圖14中可以看出，脈沖發生器的阻尼力在質量塊接觸活塞桿時刻就即刻增大，加速度峰值很快出現。

圖14　工況4加速度試驗曲線

圖15的試驗曲線為工況8下錐形活塞小端與節流環的初始距離為10mm時，質量塊的加速度試驗曲線和仿真曲線。從圖15中可以看出，加速度峰值不像工況4那樣出現得那么早，而是在時間軸上推遲出現，這一現象說明，通過調節活塞與節流環的初始距離可以調整加速度峰值在時間軸出現的位置。

圖15　工況8加速度試驗曲線

圖14、圖15中的仿真曲線由文獻[7]中的脈沖發生器工作機理模型通過數值仿真方法獲得。從試驗結果可知，質量塊在各種工況下撞擊脈沖發生器活塞桿，由于脈沖發生器的節流阻尼作用，質量塊被急劇制動，獲得一個加速度脈沖，此脈沖的峰值約30g～50g，脈沖時間約10～15ms，脈沖波形與數值仿真分析預測波形非常接近，在脈沖峰值處和結束段有誤差。理論與試驗結果之間的偏差主要來自于制動末端加速度脈寬的“拖長”，是因為這種結構形式的脈沖發生器對運動負載有依賴性。

由于瞬時(ms級)沖擊時間非常短，瞬時高壓下油液存在可壓縮性，還存在氣化現象，很難通過油壓或加速度信號反饋來及時調整脈沖波形；但由上文中分別通過調節節流間隙、節流通道和錐形活塞的初始位置很方便地實現對脈沖波形的調節可以看出，這種通過預設條件而不需反饋信號調整波形的開環前饋控制策略對脈沖波形調節可行有效。

3.5脈沖發生器油溫和壁溫

圖16　工況1油液溫度試驗數據

圖16為工況1油液溫度變化曲線，溫度最大變化不到4 ℃。圖17為工況1脈沖發生器缸壁的溫度變化曲線，溫度最大變化不到2 ℃。上述試驗數據說明：根據黏度與溫度的關系，試驗中油溫的變化不大，溫度對油液黏度的影響很小，可以忽略不計。

圖17　工況1缸壁溫度試驗曲線

4結論

(1)脈沖發生器是將銳緣節流、縫隙漸縮、縫隙節流和小孔節流進行組合，通過調節不同階段節流阻尼特性從而實現運動負載的緩沖制動，而且脈沖波形可調，可以滿足相應沖擊試驗的要求。

(2)脈沖發生器的調節裝置通過調節節流口的通流面積來實現對脈沖波形的調節，試驗說明了這種調節措施的可行性和正確性。這種調節方法基于前饋開環控制思想，在技術上實現起來簡單易行，從而避免了采用閉環反饋控制方法對波形控制調節的技術難題，尤其是在這種瞬間大流量工況，現有的伺服閥和控制方法都無法滿足工程要求的情況下，采用開環控制方法是切實可行的。

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(編輯王艷麗)

收稿日期：2016-01-13

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51275369)

中圖分類號：O351.2；TH113.2

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.12.014

作者簡介：胡勇，男，1981年生。武漢理工大學物流工程學院講師、博士。主要研究方向為港口機械結構動力學、起重機關鍵零部件優化。發表論文10余篇。季宦玉，男，1993年生。武漢理工大學物流工程學院碩士研究生。王貢獻，男，1976年生。武漢理工大學物流工程學院教授、博士。

ExperimentalInvestigationonCharacteristicsofaNovelHydraulicShockPulseGenerator

HuYongJiHuanyuWangGongxian

WuhanUniversityofTechnology,Wuhan,430063

Abstract:A novel structure of shock pulse generator with combination of throttling by cone-shape spool and orifice was presented herein. Its mechanical dynamic properties were demonstrated experimentally such as: being able to self-adapt to the external loads applied to it; with high efficient dissipation of kinetic energy instantly; prompt and easy adjustment of the widths and amplitudes of shock pulses by changing the equivalent flow area of the damping orifices and the gap between the cone and inter wall of the cylinder. The experimental results indicate the feasibility of the open-loop control approach by changing the equivalent flow area to control the pulse waveform and the shock pulse generator can meet the requirements of various impact tests.

Key words:impact test; shock pulse generator; shock pulse; oil temperature rise