液壓約束活塞發動機的流量脈動仿真分析

黃妮，杜光超，戴作強，鄭莉莉，張志超

(青島大學 機電工程學院，山東 青島 266071)

0 引言

液壓約束活塞發動機(HCPE)是在原有傳統內燃式發動機基礎之上，將液壓系統與其組合集成的新型雙元動力輸出系統，可以將燃料燃燒產生的內能直接分為機械能和液壓能輸出[1-5]。由于間隙誤差對HCPE系統運動精度具有一定影響[6]，且在HCPE系統中柱塞與動力活塞屬于剛性連接，所以主運動系統運動精度會直接影響柱塞的運動，從而對系統流量特性產生影響。因此需要對HCPE進行流量特性分析，研究間隙誤差對系統可靠性的影響。

國外很多學者都基于計算機仿真理論方法，利用動力學或運動學仿真軟件，對機構可靠性進行仿真分析[7-9]。在國內，紀玉杰[10]提出了以ADAMS作為仿真平臺，建立機構運動參數化模型，對機構可靠性進行仿真分析的方法；宋黎等[11]利用計算機仿真技術，對含有間隙誤差的曲柄滑塊機構運動分析的模擬實驗修正法作了進一步研究。此外，還有很多學者對曲柄搖桿以及其他平面機構進行了計算機仿真分析[12-15]。

本文對三缸HCPE液壓系統模型進行流量脈動仿真分析，研究3種運動副取不同間隙誤差時，系統流量特性的變化情況。

1 HCPE系統模型的建立

1.1 HCPE工作原理

HCPE系統整體結構組成如圖1所示。

1—連桿；2—導向滑塊；3—聯接桿；4—進水口；5—液壓柱塞；6—連接板；7—動力活塞；8—第1工作室；9—第2工作室；10—出水口；11—第3工作室；12—曲軸； A-分流點。圖1 HCPE系統整體結構圖

HCPE系統一般由3個工作室組成。第1個工作室是發動機燃燒室，工作原理與傳統內燃式燃燒室類似，也是通過進氣、壓縮、做功、排氣4個沖程完成一個工作循環，動力活塞-導向滑塊運行4個沖程完成一次燃料燃燒內能向直線運動動能的轉換。第2個工作室是液壓工作室，工作原理與傳統液壓泵類似，通過吸水、壓水兩個過程完成一次工作循環，實現直線運動動能向液壓能的輸出。第3個工作室為輔助工作室，通過曲柄連桿機構對動力活塞-導向滑塊組件進行運動約束，限定工作行程，保證組件正常工作，實現系統工作定時、協調及輔助系統驅動。

1.2 HCPE液壓系統模型的建立

本文所設計的HCPE是一種雙元動力輸出裝置，該機構機械能輸出部分參照原有內燃機，液壓輸出部分為自行設計，液壓柱塞與活塞-柱塞-滑塊組成固定連接。機構主要參數有：動力活塞-導向滑塊行程x=90mm；曲柄半徑r=45mm；連桿長度l=130mm；動力活塞和導向滑塊直徑D=82mm；活塞中心線偏離曲軸中心1.2mm；液壓柱塞直徑16mm，每缸柱塞數為3；主軸徑62mm；連桿軸徑28mm。

首先，在Adams中建立HCPE取不同間隙誤差的仿真模型，如圖2所示，并在ADAMS中對其進行運動仿真分析，然后，將得到的數據導入AMESim中，進行仿真分析，得到間隙誤差對系統流量特性的影響。在AMESim中建立的液壓系統的簡化模型如圖3所示。

圖2 HCPE仿真模型

圖3 液壓系統模型

2 間隙誤差對系統流量脈動的影響

HCPE作為一種雙元動力集成輸出裝置，動力活塞和液壓柱塞是固連在一起的，動力活塞運動狀態的變化會對液壓性能產生一定影響。本文通過對沒有間隙和含有間隙模型進行對比，分析間隙誤差對流量特性的影響。

2.1 活塞銷與導向滑塊徑向間隙誤差對系統流量脈動的影響

在活塞銷與導向滑塊之間間隙誤差分別取0.04mm、0.06mm、0.08mm時及理想狀態(無誤差)下，對模型流量脈動進行仿真分析，得到結果如圖4所示(本刊系黑白印刷，相關疑問咨詢作者)。圖4(a)上方為系統流量脈動的局部放大圖。

圖4 活塞銷與導向滑塊徑向間隙誤差影響下流量變化圖

由圖4(a)可以看出，隨著間隙的變大，動力活塞運動狀態發生一定程度的變化，帶動柱塞運動發生變化，而使得流量脈動變大。圖4(b)為瞬時流量差值圖，經過分析計算，在0.04mm、0.06mm、0.08mm的間隙誤差下，瞬時流量差值的平均值分別為0.352L/min、0.794L/min、0.819L/min。綜上所述，系統間隙誤差越大，流量脈動越大。

2.2 動力活塞與氣缸側向間隙誤差對系統流量脈動的影響

在動力活塞與氣缸側向間隙誤差分別取0.04mm、0.16mm、0.22mm時及理想狀態(無誤差)下，對系統流量脈動進行仿真分析，得到結果如圖5所示，圖5(a)上方為系統流量脈動的局部放大圖。

圖5 動力活塞與氣缸側向間隙誤差影響下流量變化圖

由圖5(a)可以看出，隨著間隙誤差的增加，流量脈動變大。圖5(b)為瞬時流量差值圖，經過分析計算，在0.04mm、0.16mm、0.22mm的間隙誤差下，瞬時流量差值的平均值分別為0.954L/min、1.669L/min、2.045L/min。綜上所述，系統間隙誤差越大，流量脈動越大。

2.3 連桿大頭與曲軸曲柄徑向間隙誤差對系統流量脈動的影響

在連桿大頭和曲軸曲柄之間轉動副徑向間隙誤差分別取0.04mm、0.12mm、0.18mm時及理想狀態(無誤差)下，對系統流量脈動進行仿真分析，得到結果如圖6所示。圖6(a)上方為系統流量脈動的局部放大圖。

圖6 連桿大頭和曲軸曲柄徑向間隙誤差影響下流量變化圖

由圖6(a)可以看出，隨著間隙誤差的增大，柱塞輸出流量脈動變大。圖6(b)為瞬時流量的差值，經過分析計算，在0.04mm、0.12mm、0.18mm的間隙誤差下，瞬時流量差值的平均值分別為1.017L/min、1.294L/min、2.179L/min。綜上所述，系統間隙誤差越大，流量脈動越大，瞬時流量差值的平均值越大, 且對比其他部位間隙誤差對系統流量脈動的影響，連桿大頭和曲軸曲柄之間轉動副徑向間隙誤差對流量脈動影響最大。

2.4 綜合各項誤差對流量的影響

在綜合考慮上述各項誤差的情況下，對系統流量脈動進行仿真分析，3組誤差的選取與上述運動分析時相對應，得到結果如圖7所示。圖7(a)上方為系統流量脈動的局部放大圖。

圖7 綜合不同誤差影響下流量變化圖

由圖7(a)可以看出，隨著間隙誤差的增大，輸出流量脈動變大。圖7(b)為瞬時流量差值圖，在3組誤差下，分析計算得瞬時流量差值的平均值分別為1.444L/min、2.265L/min、3.487L/min。

通過上述各種間隙誤差對輸出流量的影響可以看出，當動力活塞間隙誤差增加時，系統運動產生一定程度的變動，從而引起了柱塞運動變化，使得流量脈動相對柱塞理想運動狀態下發生變化。隨著誤差增大，流量脈動變大。脈動的增加會使得部分液壓能量不能得到合理的利用，降低能量利用率，造成能量損耗，并且脈動的增大會使得機構振動增強，噪聲變大，加快機體零件損壞速度，加大損耗，對整機性能產生不利影響。所以，為了提高能量利用率、減少構件損耗，提高系統運行可靠度，需要對構件運動副間隙誤差進行優化控制。

3 結語

通過對含有間隙誤差的HCPE液壓系統模型進行流量脈動仿真分析，得到在不同間隙誤差下，系統流量特性的變化規律。分析結果表明：

1) 隨著間隙誤差的增加，系統流量脈動增大，會帶來零部件之間振動加強，噪聲增大，給整機系統帶來不利的影響。

2) 隨著間隙誤差的增加，瞬時流量差值的平均值越大, 且對比其他部位間隙誤差對系統流量脈動的影響，連桿大頭和曲軸曲柄之間轉動副徑向間隙誤差對流量脈動影響最大。

3) 間隙誤差對系統流量脈動影響明顯，因此，需要對機構間隙進行進一步合理設計，減小間隙誤差，以保證零部件以及系統使用的可靠性。