旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)液壓變頻激振器設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化仿真分析*

宋艷芳 湯東亞 楊 茵

(①同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201800；②河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000；③河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院產(chǎn)教融合發(fā)展中心，河南 南陽(yáng) 473000；④洛陽(yáng)拖拉機(jī)研究所有限公司，河南 南陽(yáng) 471000)

液壓激振器是利用周期液壓脈沖的方式使油缸發(fā)生反復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而工作對(duì)象受到高頻脈沖的作用，目前已被廣泛應(yīng)用于液壓機(jī)，地面打樁等工程領(lǐng)域[1-5]。到目前為止，許多學(xué)者取得了一定的成果，但并未有效克服工作階段因復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性而導(dǎo)致難以控制的缺陷[6-8]。根據(jù)以上分析，本文綜合考慮液壓與氮爆的特點(diǎn)對(duì)液壓激振器進(jìn)行了研究。為液壓激振器配備了蓄能器激振腔，可以對(duì)沖擊活塞發(fā)揮蓄能輔助的效果，設(shè)置蓄能器后，沖擊器的受力狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)過(guò)程變得更加復(fù)雜[9-11]。郭志剛[12]采用立體正交的方法獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，并利用MTALAB軟件計(jì)算得到最優(yōu)組合條件。王素清[13]設(shè)計(jì)了電液壓高頻沖擊系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于剁銼機(jī)中，此系統(tǒng)屬于強(qiáng)制配流振動(dòng)沖擊系統(tǒng)，實(shí)際工作頻率介于4～20 Hz。Wang X Y等[14]為沉管樁機(jī)安裝了液壓振動(dòng)器，使其底部與振動(dòng)夾樁箱相連，端部經(jīng)彈性塊和振動(dòng)懸掛架進(jìn)行連接，從而獲得了更大的激振力，實(shí)現(xiàn)成樁質(zhì)量的顯著提升。

本文為了提高液壓沖擊器的沖擊控制穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種具有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的液壓變頻激振器，并給出了回程運(yùn)動(dòng)和沖程運(yùn)動(dòng)控制方程。運(yùn)用Simulink平臺(tái)對(duì)其展開(kāi)仿真分析，并優(yōu)化頻率和平衡塊量關(guān)鍵參數(shù)。該研究對(duì)提高激振器的穩(wěn)定性具有重要的研究意義。

1 沖擊器工作原理

圖1給出本文設(shè)計(jì)液壓振動(dòng)系統(tǒng)各組成部分。

為達(dá)到精確控制系統(tǒng)的高頻振動(dòng)過(guò)程，本研究設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的激振器，可以在電機(jī)帶動(dòng)下進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)只需要利用變頻器來(lái)調(diào)控電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速便能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)液壓振動(dòng)系統(tǒng)的主振頻率。當(dāng)激振器芯軸沿順時(shí)針?lè)较虬l(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸套矩形通液口連接進(jìn)液槽D與回液槽C，同時(shí)液壓缸完成油液換向，兩槽之間的油液相連后進(jìn)行換向期間，矩形通液口會(huì)發(fā)生瞬間關(guān)閉的情況，此時(shí)，激振器和液壓缸將會(huì)形成以下3種開(kāi)口關(guān)系：首先，矩形通液口和進(jìn)液槽D發(fā)生接通時(shí)，液壓缸的上腔與下腔都發(fā)生高壓進(jìn)油；接著，矩形口發(fā)生關(guān)閉，液壓缸的上腔處于高壓狀態(tài)，下腔沒(méi)有油液通入；最后，矩形口連通回液槽C，上腔處于高壓狀態(tài)，下腔發(fā)生回液。從本質(zhì)層面分析，可以將激振器視為圖1中的三位四通閥，該閥口一直保持全開(kāi)的狀態(tài)[15]。

2 控制方程

2.1 回程運(yùn)動(dòng)

活塞在回程運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，前腔處于高壓狀態(tài)，后腔不受壓力作用，活塞桿對(duì)激振腔施加壓縮作用[15]。表達(dá)式：

(1)

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可以得到：

p0V0=p(x)·V(x)=C

(2)

(3)

對(duì)以上式子(1)、(2)、(3)進(jìn)行聯(lián)立得到式(4)：

(4)

經(jīng)求導(dǎo)獲得式(4)的二階微分方程：

(5)

式中：X和M分別表示活塞位移和質(zhì)量；P0和V0分別表示初始工作階段的激振腔壓力和激振腔體積；f表示活塞運(yùn)動(dòng)速度函數(shù)；p代表液壓系統(tǒng)工作壓力；A1與A2分別表示活塞前端面與后端面有效面積；A3是活塞桿后端面截面積；P和V分別表示活塞位移的激振腔壓力和體積。

2.2 沖程運(yùn)動(dòng)

塞在沖程運(yùn)動(dòng)階段中，前、后腔中都會(huì)產(chǎn)生高壓，并且激振腔也會(huì)對(duì)活塞末端產(chǎn)生推力作用，由于活塞和缸壁之間會(huì)形成摩擦阻力，數(shù)學(xué)模型：

(6)

(7)

ΔF=p·(A2-A1)-Mg

(8)

對(duì)式(2)、(6)、(7)、(8)聯(lián)立得到式(9)：

(9)

通過(guò)求導(dǎo)式(9)獲得以下二階微分方程：

(10)

不考慮各項(xiàng)次要因素產(chǎn)生的影響，為液壓激振器活塞構(gòu)建回程與沖程運(yùn)動(dòng)階段的數(shù)學(xué)模型，給出了活塞速度、位移和加速度的相互關(guān)系。隨著活塞對(duì)激勵(lì)進(jìn)一步壓縮，P0持續(xù)提高，不斷延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間后，位移與f1(x)積分值都持續(xù)增大，這時(shí)回程運(yùn)動(dòng)也到達(dá)后期階段，加速度也明顯增大。根據(jù)以上分析結(jié)果，P0在沖程運(yùn)動(dòng)階段持續(xù)變小，同時(shí)獲得了更大位移，引起活塞加速度發(fā)生減小現(xiàn)象。

3 MATLAB仿真分析

3.1 仿真模型

利用Simulink軟件平臺(tái)，并構(gòu)建得到液壓激振器沖擊運(yùn)動(dòng)與回程運(yùn)動(dòng)模型，圖2給出了從圖庫(kù)中調(diào)用的Simulink仿真模型。本文選擇Hi-Tech200小型破碎錘作為測(cè)試對(duì)象，控制液壓激振器系統(tǒng)壓力介于8～10 MPa，打擊頻率介于450～720次/分，缸體內(nèi)徑為72.5 mm，活塞的上端面與下端面半徑分別為32.5 mm與33.5 mm。根據(jù)規(guī)定的參數(shù)設(shè)置條件，利用Simulink軟件平臺(tái)設(shè)定合適的參數(shù)與液壓流動(dòng)回路控制方式。

3.2 動(dòng)態(tài)過(guò)程分析

選擇系統(tǒng)壓力為10 MPa液壓激振器系統(tǒng)回路作為對(duì)象，通過(guò)Simulink軟件仿真測(cè)試了液壓激振器沖程與回程運(yùn)動(dòng)過(guò)程，獲得圖3與圖4所示的油缸桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程的位移、加速度與沖擊速度曲線。沖程運(yùn)動(dòng)與回程運(yùn)動(dòng)分別通過(guò)實(shí)線與虛線進(jìn)行表示。

根據(jù)圖3與圖4測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入沖擊行程階段時(shí)，活塞依然保持加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但加速度發(fā)生了逐漸降低，這是因?yàn)榛钊皼_擊時(shí)，激振腔受到活塞的壓縮作用減弱，從而釋放出了更多的激振腔空間現(xiàn)，激勵(lì)作用于活塞上的力和系統(tǒng)作用于活塞上的力差值發(fā)生了降低，力作用方向和運(yùn)動(dòng)方向呈相反的狀態(tài)，由此導(dǎo)致活塞加速度發(fā)生降低。進(jìn)入回程運(yùn)動(dòng)階段時(shí)，活塞先發(fā)生加速度不斷降低的加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，之后發(fā)生減速但加速度持續(xù)增大，激振腔發(fā)生了壓縮，形成的壓力差跟運(yùn)動(dòng)方向一致，從而實(shí)現(xiàn)活塞的加速回程運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)持續(xù)約40 s，前腔依然保持常高壓，而激振腔則被壓縮至臨界值，產(chǎn)生了和運(yùn)動(dòng)方向相反的壓力差，因此活塞在回程過(guò)程中發(fā)生加速度逐漸增大的減速過(guò)程。根據(jù)模型仿真分析可知，沖擊末速度達(dá)到了6.21 m/s，回程的最大速度為1.14 m/s。設(shè)置蓄能器激振腔后，可以對(duì)活塞沖程運(yùn)動(dòng)過(guò)程發(fā)揮助推效果，具有緩沖回程運(yùn)動(dòng)的功能。特別是進(jìn)行速度控制時(shí)，可通過(guò)蓄能器激振腔與液壓系統(tǒng)的相互配合，達(dá)到更穩(wěn)定的速度控制效果，可以確保每個(gè)動(dòng)作都實(shí)現(xiàn)最大化運(yùn)行的目標(biāo)。

3.3 振動(dòng)主參數(shù)影響分析

3.3.1 頻率對(duì)振動(dòng)主參數(shù)的影響

設(shè)定不同激振器頻率，控制泵流量78 L/min，得到圖5與圖6中的振幅與加速度曲線。

對(duì)圖5進(jìn)行分析可知，逐漸增大激振器頻率后，系統(tǒng)發(fā)生了輸出振幅量降低現(xiàn)象，形成了上移的振動(dòng)中心，20 Hz與50 Hz兩種頻率下形成的振幅波形中可以觀察到光滑的波谷曲線，在峰值處形成了高頻諧波，從而降低了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，在80 Hz頻率下形成了光滑的波形，呈現(xiàn)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的特征。對(duì)液壓缸缸體長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，需對(duì)位置偏移造成的影響進(jìn)行分析并適當(dāng)增加行程，此系統(tǒng)實(shí)際工作頻段位于高頻區(qū)，可以獲得更優(yōu)的輸出性能。

圖6顯示，逐漸提高激振器頻率后，系統(tǒng)達(dá)到了更大的輸出加速度，表現(xiàn)出跟位移變化趨勢(shì)相反的特點(diǎn)，由于在加速度波形中形成了一定比例的高頻諧波成分，說(shuō)明液壓缸的上下腔壓力存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性，屬于動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。

3.3.2 平衡塊量對(duì)振動(dòng)主參數(shù)的影響

圖7與圖9給出了系統(tǒng)輸出振動(dòng)的位移與激振力曲線。

根據(jù)圖7可知，當(dāng)平衡塊量由200 kg提高至2 500 kg時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生了振幅小幅增長(zhǎng)現(xiàn)象。當(dāng)質(zhì)量由200 kg提高至1 400 kg時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)平衡位置先發(fā)生往上偏移的變化現(xiàn)象，隨著質(zhì)量提高至2 500 kg時(shí)，發(fā)生了振動(dòng)平衡位置下移現(xiàn)象，因此介于1 400～2 500 kg范圍存在一個(gè)最大振動(dòng)平衡位置的質(zhì)量值。

根據(jù)圖8可知，平衡塊量為200 kg時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到了最小激振力。提高負(fù)載質(zhì)量后，形成了更大的激振力，將負(fù)載質(zhì)量由200 kg提高到800 kg的過(guò)程中，激振力發(fā)生了顯著提高。繼續(xù)將負(fù)載質(zhì)量由800 kg提高到1 400 kg時(shí)，只發(fā)生了激振力幅值的小幅增加，當(dāng)負(fù)載質(zhì)量由1 400 kg提高到2 500 kg的過(guò)程中，激振力發(fā)生了顯著降低。以上研究結(jié)果表明，當(dāng)液壓振動(dòng)系統(tǒng)的平衡塊量過(guò)小時(shí)，系統(tǒng)只能產(chǎn)生很小的激振力，無(wú)法激起系統(tǒng)振動(dòng)，而當(dāng)平衡塊量過(guò)大超出激振力范圍后，同樣無(wú)法激起系統(tǒng)的振動(dòng)，這使得平衡塊量存在一個(gè)最優(yōu)取值區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，隨著平衡塊量的提高，激振力也隨之增大，在此區(qū)間內(nèi)進(jìn)行成型機(jī)振動(dòng)時(shí)，同時(shí)振幅不會(huì)降低，這也是慣性振動(dòng)系統(tǒng)所不具備的一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

圖9顯示，在初始階段隨著平衡塊量的提高，加速度發(fā)生了增大；而當(dāng)平衡塊量提高到800 kg之后，加速度發(fā)生了降低，由此引起振動(dòng)負(fù)載慣性力的幅度也發(fā)生減小，從而降低了激振動(dòng)工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)進(jìn)入沖擊行程階段時(shí)，活塞依然保持加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但加速度發(fā)生了逐漸降低。進(jìn)入回程運(yùn)動(dòng)階段時(shí)，活塞先發(fā)生加速度不斷降低的加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，之后發(fā)生減速但加速度持續(xù)增大，實(shí)現(xiàn)活塞的加速回程運(yùn)動(dòng)。

(2)逐漸增大激振器頻率后，系統(tǒng)發(fā)生了輸出振幅量降低現(xiàn)象，形成了上移的振動(dòng)中心。逐漸提高激振器頻率后，系統(tǒng)達(dá)到了更大的輸出加速度，表現(xiàn)出跟位移變化趨勢(shì)相反的特點(diǎn)。當(dāng)液壓振動(dòng)系統(tǒng)的平衡塊量過(guò)小時(shí)，系統(tǒng)只能產(chǎn)生很小的激振力，隨著平衡塊量的提高，激振力也隨之增大。