液壓沖擊抑制方法研究現狀與展望*

趙敏，楊波，李偉

(新疆大學機械工程學院,烏魯木齊市,830017)

0 引言

液壓沖擊現象廣泛存在于各類機械設備中,尤其是工程機械、農業機械、航空航天等設備中。它是造成機械振動、液壓管路破裂及水錘現象的主要成因。造成液壓沖擊現象的原因是多方面的,其中主要原因:一是液流慣性導致的液壓沖擊,由于液流管道內部流體迅速關閉和轉向,使得液流的速度與方向突然發生變化;二是工作中的部件突然發生制動或換向動作,因工作部件產生的液壓沖擊;三是氣泡從低壓油液進入高壓油液后,受到壓力的影響發生破裂,破裂會導致局部產生特別高的溫度和壓力,內部液流狀態從平流狀態過渡到湍流狀態,引起振動和噪聲[1]。

針對液壓沖擊現象造成的一系列問題,近年來學者們提出了很多種抑制液壓沖擊的方法。本文分別從液壓系統動力元件、執行元件、控制元件以及輔助元件方面進行闡述,并對未來抑制方法研究的趨勢進行了展望。

1 液壓沖擊抑制方法研究現狀

1.1 動力元件

液壓泵作為液壓系統的動力元件,將原動機輸入的機械能轉化為壓力能輸出,為執行元件提供壓力介質。按照流量是否可以調節,可以將液壓泵分為定量泵和變量泵兩種類型[2]。

1.1.1 定量泵抑制液壓沖擊方法研究

定量泵是指泵在工作時間內排出的油液體積是固定不變的。曹中一等[3]在研究混凝土泵泵送系統中發現在換向閥進行換向工作時,減小泵的排量可以有效減小液壓沖擊。丁剛[4]根據這一特性設計了圖1所示的變頻驅動液壓絞車系統,采用變頻電動機驅動定量泵,通過改變電機轉速進而改變輸出流量,在AMESim軟件上搭建閉環控制的變頻驅動液壓絞車系統,仿真發現在載荷突變時,系統仍然處于相對比較平穩的狀態。

圖1 變頻驅動液壓絞車系統工作原理Fig. 1 Working principle of the variable frequency drive hydraulic winch system

同樣張慧賢等[5]在此基礎上利用AMESim構建閉式液壓系統用以研究液壓泵流量、溢流閥壓力以及系統負載對轉向特性的影響,結果表明:較低的流量輸出可減小液壓沖擊,過高的載質量會產生較大的液壓沖擊,加入蓄能器能大幅改善液壓缸工作壓力的穩定性。

1.1.2 變量泵抑制液壓沖擊方法研究

變量泵是指排量可以發生改變的泵。張軍等[6]利用變量泵特性搭建了負載敏感系統,對泵排量調節滯后于閥的關閉速度進行研究,發現閥的關閉速度越快,引起的液壓沖擊越大,采用防沖擊閥可有效地消除液壓沖擊。牛瑞利等[7]提出在泵控子系統內設置流量前饋,經過仿真模擬發現能夠有效地降低壓降波動。

一些學者也提出利用泵閥聯合的方式減少液壓沖擊。丁海港等[8]提出了閥泵并聯分時變結構調速方案,解決了大功率液壓調速系統中效率與響應的矛盾,并兼顧系統的低速穩定性和加減速平穩性。張振等[9]研究發現泵閥聯合EHA在液壓泵源供油能力不足時會引起液壓沖擊,通過引入前饋控制,設計了圖2泵閥聯合EHA系統,可以有效提高響應速度,降低液壓沖擊。另一些學者在研究壓力脈動問題中,發現采用壓力脈動衰減器[10]在一定程度上也可以減少液壓沖擊。

圖2 泵閥聯合EHA組成原理Fig. 2 Composition principle of pump valve combined with EHA

因此,動力元件主要是通過改變泵的流量大小抑制液壓沖擊,但是其抑制效果取決于流量調節裝置的響應時間和調節范圍,響應時間越快,調節范圍越小,抑制效果越好,適用于對液壓沖擊抑制的實時性和頻次要求不高的場合。

1.2 執行元件

液壓馬達和液壓缸作為常見的兩種液壓執行元件,其作用是將液壓能轉換為機械能,在液壓油的作用下輸出轉速和轉矩用來帶動機構進行工作。

1.2.1 液壓馬達抑制沖擊方法研究

液壓馬達在工作中因為壓差的原因極易產生氣穴,氣穴破裂會導致局部產生特別高的溫度和壓力,引起強烈的振動和噪聲。王建利等[11]利用AMESim軟件對五星式徑向柱塞馬達配流軸進行疲勞分析,發現通過降低壓強波動可以抑制液壓沖擊。郭霽賢[12]以柱塞馬達為研究對象,建立三維模型運用Fluent仿真模擬軟件分析油液流動特性和空化特性,發現在配流階段適當的改變進口壓力和背壓力可以明顯抑制空化現象,并提出一種新型組合型阻尼槽結構。

馬達轉速波動會影響工作的平穩性,造成機械振動。王坤[13]通過建立二端面轉軸相對轉動系統的非線性動力學方程,研究轉速波動的動力學性質。在此基礎上劉暢暢等[14]建立關于多參量與馬達耦合的動力學模型,發現電機轉速越低馬達引起的轉速波動越大,在工作條件允許的范圍內可選擇較高轉速的電機保證系統穩定性。柳金利[15]利用積分補償算法控制液壓馬達伺服系統經過Lyapunov理論驗證,仿真結果顯示自適應積分滑膜控制器具有較好的魯棒性。

1.2.2 液壓缸抑制沖擊方法研究

與液壓馬達不同的是同為執行元件的液壓缸是做往復直線運動和擺線運動。賴奇暐[16]在研究高壓斷路器時發現液壓缸緩沖特性,發現圓錐形活塞結構具有優良的緩沖性能。試驗結果表明緩沖壓力峰值同活塞直徑有關,緩沖速度與活塞的長度有關。劉曉琳等[17]優化液壓缸結構提出了一種復合緩沖液壓缸,仿真模擬表明復合緩沖液壓缸對硬沖擊和沖擊具有明顯的緩沖效果,而且比傳統的液壓缸動態響應更快。

因此,執行元件主要通過改變自身結構參數抑制液壓沖擊。但是這種方式無法根據工況實時調整,只能在特定工況下實現較好的抑制效果,適合與工況變化范圍不大的場合。

1.3 控制元件

液壓控制元件在液壓系統中是控制執行元件運動方向,承載能力和運動速度的,常見的液壓控制元件有壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。在液壓系統中閥的換向是導致液壓沖擊的主要原因[18]。

1.3.1 換向閥抑制沖擊方法研究

楊芬等[19]在工程實踐中發現換向引起的液壓沖擊嚴重影響了機械的正常工作,他們在傳統液控換向閥的基礎上進行了結構優化,試驗結果證明改進之后的液控換向閥在性能方面更加穩定。何沛桓等[20]在三位四通換向閥的基礎上,在閥芯上安裝磁流變阻尼裝置有效解決了換向導致液壓沖擊的問題。同樣王東華等[21]在針對此類問題提出了一種新型的無沖擊寬電壓防水型電磁換向閥,如圖3所示的閥芯采用帶節流槽的二臺肩式結構,極大降低了閥在開啟和關閉的換向沖擊。

圖3 無沖擊寬電壓防水型電磁換向閥Fig. 3 Non-impulse wide voltage waterproof electromagnetic directional valve1.電磁鐵 2.復位彈簧 3.墊圈 4.閥芯 5.閥體

1.3.2 單向閥和節流閥抑制沖擊方法研究

張祝新等[22]在研究節流閥特性時發現,限定液壓系統內部流量在一定程度上會緩解液壓沖擊。韓偉[23]通過研究液控單向閥產生沖擊的機理,在液控單向閥的基礎上優化閥芯結構,經過試驗對比驗證新型液控單向閥在大流量的場景對液壓沖擊有明顯的抑制作用。許同樂等[24]在液壓系統中配合使用單向閥和節流閥,發現對液壓沖擊有明顯抑制作用,且比單閥的效果更好。

1.3.3 電液比例閥抑制沖擊方法研究

電液比例閥是通過輸入的電壓或電流信號對工作閥芯的運動進行控制的液壓元件。利用工作閥閥芯的位移變化進而改變閥芯通流能力,使流量輸出、壓力輸出與輸入的電信號按照一定的比例工作。當產生液壓沖擊時,減小電液比例閥電信號,降低通過閥的流量和壓力的輸出,吸收液壓沖擊。這種方法對閥芯響應頻率要求較高。

Zhao等[25]提出了一種新型的用于液壓頂板支架的兩位三通電液比例換向閥。由圖4所示新閥包含兩個先導級和兩個主閥芯。兩個先導級相互配合,控制兩個主閥芯的運動,即進口閥芯和出口閥芯。進氣閥閥芯采用Valvistor原理。該閥可實現通道PA的手動先導控制和電液比例流量控制,通過仿真模型驗證該優化方法可以顯著提高閥芯的響應速度,提升斜率信號下閥芯位移的線性度。此外,系統分析了快速切換閥不連續流動引起的腔室壓力波動和閥芯位移。分析表明,提高脈寬調制載波頻率是降低波動幅度的有效途徑。

圖4 新型比例閥模型Fig. 4 New proportional valve model

Wang等[26]通過對Valvistor閥的研究提出了一種高性能的比例流量閥。該閥的閉環流量控制系統采用模糊PID控制器,反饋系統是由反向傳播神經絡(BPNN)來進行調控。結果表明,使用BPNN進行推理可以快速準確地獲取流數據,當負載壓力突變時,主孔口的壓差發生變化,流量可以在短時間內保持在設定點。

付永領等[27]通過AMESim建立了操舵系統換向壓力沖擊模型,經過仿真研究表明,通過優化放大器輸出的比例電磁鐵的控制電流,可以有效地減少比例方向閥換向產生的壓力沖擊。楊慶俊等[28]提出四段控制策略,即主充油階段、副充油階段、低壓待命階段和升壓階段,通過離合缸內壓力和漸進關閉緩沖器的結合較好地解決了由于負載壓力突變產生的壓力沖擊。臧貽娟[29]將PID算法加入系統中進行仿真分析,結果顯示系統受到的沖擊變小,工作平穩,系統平穩性得到了提高。

因此,控制元件對于液壓沖擊抑制有明顯效果,節流閥和單向閥通過限制流量,以減緩液壓沖擊;換向閥通過提高響應速度,減少油液帶來的瞬時沖擊變化;相比較而言,電控比例閥在流量和換向方面對液壓沖擊的抑制效果更為明顯,由閉環控制的比例閥是通過偏差量進行控制,適用于高精度、高響應速度的場合。

1.4 輔助元件

液壓輔助元件是液壓系統的一個重要組成部分,它包括蓄能器、油箱、熱交換器、管件、密封裝置等,通過合理的選用可以在很大程度影響液壓系統的效率、溫升、工作可靠性等技術性能[30]。

1.4.1 蓄能器抑制液壓沖擊方法研究

在液壓系統中,蓄能器是吸收脈動、抑制壓力沖擊、提供備用液壓源的裝置。根據蓄能器內部能量轉換形式,可將蓄能器分為重錘式,彈簧式和充氣式3種[31]。當液壓系統壓力突然升高時,液壓油壓縮蓄能器內部氣囊,降低液壓系統壓力,達到吸收壓力沖擊的效果。

朱建國等[32]通過合理配置多個蓄能器解決了輥壓機在工作時液壓沖擊大,液壓儀表元件壽命短等一系列問題。得出在輥壓機液壓系統中大型蓄能器NXQ1/2-L140可以用來吸收壓力脈動和壓力沖擊,中型蓄能器NXQ1/2-L25可以用來吸收壓力脈動,小蓄能器NXQ1/2-L0.63對輥壓機系統內的液壓元件可以起到保護作用。

陳杰[33]結合皮囊蓄能器和亥姆霍茲共振器的結構和特點設計了一種亥姆霍茲共振器內嵌充氣皮囊的新型皮囊式管道消振器。如圖5所示,利用氣體壓縮性對壓力沖擊進行吸收,實驗數據表明新型管道消振器有效提高了吸收壓力沖擊性能,從而提高系統工作的平穩性。

圖5 皮囊式管道消振器結構簡圖Fig. 5 Structure diagram of bladder-type pipeline shock absorber1.穿孔管 2.管狀皮囊 3.充氣閥 4.耐壓殼體 5.管接頭

秦澤等[34]為了解決傳統蓄能器在放能過程中出口無法提供穩定的壓力油而導致蓄能器的能量再利用效率低下的問題,研究了一種新型雙皮囊式蓄能器。由圖6可知在傳統蓄能器氣囊中增加一個增壓油囊,當雙皮囊蓄能器釋放液壓油時,油壓降低,氣囊中被壓縮的氣體開始膨脹。壓力傳感器檢測到壓力下降并與控制裝置設置的參數進行比較,電業比例換向閥接收到信號開始工作,液壓油從高壓蓄能器流入增壓油囊,此時油囊膨脹,壓縮氣囊,氣壓保持恒定,實現雙皮囊蓄能器的出油口油壓恒定。通過AMESim仿真模擬在合理匹配參數的情況下,新型蓄能器可以為系統提供穩定壓力油,且新型蓄能器相比普通蓄能器可多釋放25%能量,電機功率降低9.85%,電機節約6.9%能量。

圖6 雙皮囊蓄能器恒壓系統原理Fig. 6 Principle of constant pressure system of double bladder accumulator1.高壓油源 2.單向閥 3.高壓蓄能器 4.雙皮囊蓄能器 5.壓力傳感器 6.電磁比例換向閥

同樣為了解決流體壓力保持穩定的問題,國內Zhao等[35]利用凸輪結構的非線性運動設計了一種低壓降組合活塞式液壓蓄能器。這種新型蓄能器的油腔和氣腔各帶有一個活塞,兩個活塞依靠旋轉的凸輪結構進行連接,由于壓力和氣體體積之間存在非線性關系,在凸輪結構帶動兩個活塞運動工作的同時可以有效地使流體壓力保持在一個相對穩定的范圍之內。

Cronk等[36]提出了一種液壓飛輪蓄能器(HFA)。它是一種繞其軸線旋轉的傳統活塞式蓄能器。該裝置將能量存儲在加壓氣體中,以及固體和流體成分的旋轉動能中,實現能量互補的特性。因為HFA工作中飛輪儲存的能量占據主導地位,飛輪在怠速狀態下會產生較高的能量損耗,此外飛輪蓄能器對飛輪的材料要求也很高。

鮑東杰[37]通過AMESim搭建了液壓飛輪蓄能器和四配流窗口軸向柱塞泵的物理仿真模型,并在挖掘機上進行試驗,通過調節泵的斜盤傾角,可以有效減少負載抖動,同相同體積下的傳統蓄能器相比,該系統兼顧能量回收的同時也提高了儲能密度。由圖7可知,此系統總共有3種模式[38],第一種模式是雙馬達動能模式,液壓油從A,C口流入,電磁離合器閉合,從B,D口流出直接流入油箱。第二種模式是雙馬達液壓能模式液壓油A,C口,電磁離合器處于斷開狀態,B、D口通入液壓飛輪蓄能器的右端蓋,儲存為蓄能器的勢能。第三種模式是混合動力模式液壓油進入A、C口,電磁離合器處于閉合狀態。配流盤外圈A、B工作在馬達工況,帶動液壓飛輪蓄能器旋轉,將液壓能轉化為飛輪的動能儲存;D口通入右端蓋,內圈C、D工作在泵工況,液壓能轉化為液壓飛輪蓄能器的內腔室氣體的勢能。隨著油液進入外腔室,不斷增加飛輪的慣量,空心軸的結構提高了氣體容量,使更多的油液可以進入外腔室,轉化為內腔室氣體的勢能,同時增大了飛輪的慣量,從而提高了飛輪的動能;在該模式下,從負載下降收集的能量轉化為液壓飛輪蓄能器的動能和勢能,兼顧了較高的能量密度和儲能效率等多項性能指標,在放能階段通過調節四配流窗口液壓泵的排量,按照預設的速度曲線使負載勻速上升或下降。

圖7 液壓飛輪蓄能器能量回收系統原理圖Fig. 7 Schematic diagram of the hydraulic flywheel accumulator energy recovery system

1.4.2 管道設計抑制液壓沖擊方法研究

國內外學者也通過對管道建立數學模型分析管道壓力特性,用來研究沖擊抑制。Ghidaout[39]、法特[40]等利用數值分析方法,得出在流速一定的條件下管道振動幅值會隨著管道特定參數發生變化;隨后吳凡等[41]在考慮管道內存在復雜流體現象下,建立了有限分段集中參數管道模型,利用AMESim進行仿真分析,得到管道液壓沖擊壓力振蕩特性,由表1和表2可知,隨著管道的直徑和長度的增加,液壓沖擊的峰值壓力會降低。

表1 不同直徑對應壓力的峰值Tab. 1 Peak pressure corresponding to different diameters

表2 不同長度對應壓力的峰值Tab. 2 Peak value of the corresponding pressure at different lengths

同樣仿生學對液壓沖擊抑制和液壓管路設計有借鑒作用。郭長虹等[42]提出了一種仿生式的液壓管路,他們的靈感來源于動物心臟供血血管。通過利用管道“外剛內柔,內壁光滑”的特點,在管道內部直接吸收流量脈動,使管道內的流體盡可能處于穩流狀態。在ANSYS中進行仿真模型試驗,并對調整內部參數對模型進行分析。結果表明,仿生式液壓管路對液壓沖擊抑制和流量脈動吸收具有明顯效果,為之后研究液壓沖擊抑制提供了新的研究方法和途徑。

1.4.3 阻尼器與阻尼孔抑制液壓沖擊方法研究

液壓阻尼器與阻尼孔是通過對流量進行控制用來延緩變化,減少振蕩。楊智超等[13]研究磁流變液阻尼器(MRD)。通過MATLAB軟件中的遺傳算法工具箱對影響阻尼變化的關鍵數據進行優化,在Maxwell軟件內進行電磁場仿真分析得到優化之后的MRD,實現了降低,調節換向閥換向時帶來的液壓沖擊。陳亮等[44]設計一種新型阻尼器,通過實驗對比新型阻尼器與活塞式阻尼器相比對于降低液壓沖擊和壓力脈動具有明顯的作用。而阻尼孔大多同閥類元件進行聯合使用。國外學者Eyres[45]通過對帶有阻尼孔的安全閥進行建模仿真分析阻尼器在閥類零件中的功效。訚耀保等[46]在普通雙級溢流閥的基礎上加裝阻尼孔,試驗結果證明在不增加溢流閥尺寸的前提下,通過阻尼作用降低了先導閥回路的開環增益,解決了在極端小尺寸溢流閥先導級穩定控制的問題。

綜上所述,在液壓沖擊抑制中,阻尼器和阻尼孔通常是配合控制元件進行使用的,單獨使用時對液壓沖擊的抑制并不明顯;管道設計偏向于仿生學,其工作原理同蓄能器相近,在一定程度上可以降低液壓沖擊的峰值壓力,但受成本和工況環境的限制,并不能進行普及應用;蓄能器通過氣囊伸縮吸收液壓沖擊,在使用過程中成本相對較低、可靠性好、安裝簡單,常常被作為吸收液壓沖擊的重要裝置,但瞬時沖擊大,氣囊壓縮范圍有限,只能在特定工況下取得良好的抑制效果,適用于低頻沖擊、工況變化范圍不大的場合。通過對蓄能器工作方式和結構的改進,可以降低液壓系統在工作時的瞬時沖擊,擴展工況應用范圍。

2 存在問題

1) 液壓元件的信號處理和快速響應是制約液壓沖擊抑制的最大問題,雖然通過類似PID控制可以減緩液壓沖擊,提高液壓元件響應速度,但依據仿真和實驗的情況來看,在系統進行換向工作時仍舊會有明顯的階躍現象,目前針對液壓元件的仿真模擬環境的設定也并沒有較為普遍的理論模型,且各種控制算法也不能精確反應元件內部動態變化和性能參數之間的關系。

2) 氣囊式蓄能器作為常用的輔助元件被廣泛用于吸收液壓沖擊,但瞬時沖擊大,氣囊壓縮范圍有限,只能在特定工況下取得良好的抑制效果,面對高壓、大流量等極端工況,氣囊式蓄能器的作用有限,雖然國內外學者提出一種開式蓄能器的概念,但受限于應用場景和使用效果,并不能滿足當前的應用需求,仍需要進行不斷地改進和完善。

3) 在液壓系統中,良好的密封性有益于系統穩定,這就對密封元件提出了更高的要求。首先對于材料選取的原則需要滿足在高溫高壓下良好的工作性能以及抗腐蝕性能,其次還需要考慮與之連接的配合材料的膨脹系數,確定適合的配合方式。

4) 液壓系統中能量的高效利用是長久以來一直被關注的問題,而現有研究中大部分都是通過液壓元件的配合使用來抑制液壓沖擊,而針對回收利用液壓沖擊產生的能量損耗并沒有提出完整的概念構想,目前專家學者對此方向研究較少,這也是存在的問題之一。

3 展望

隨著液壓技術的更新迭代和流體動力學基礎的不斷完善,跨學科研究,多學科融合形成當今發展趨勢,筆者通過整理國內外對液壓沖擊抑制方法的最新研究成果,認為液壓沖擊抑制將會從以下幾個方向發展。

1) 為提高液壓元件的快速響應和精準控制,需要建立完善的液壓元件仿真模擬環境的理論模型,并將理論建模和實驗相結合;液壓元件的設計也不應該局限于對傳統元件的結構優化而應該結合前沿技術和科學思想在仿生學,流體動力學以及控制技術方面進行學科創新,設計出具有模塊化,輕量化,智能化等特點的液壓元件,進一步完善液壓抑制沖擊方法。

2) 現有研究主要集中在常規工況下,但是在高壓、大流量等極端工況下,液壓沖擊現象危害極大,如何將現有研究成果轉化至極端工況下并成功應用,是今后液壓沖擊抑制方法的又一個研究趨勢。

3) 密封元件可以避免液壓系統中產生氣穴現象,是抑制液壓沖擊系統中重要的組成部分,而良好的密封性能則取決于密封材質和密封結構。因此,對于材料性能和結構的優化是將來密封元件研究的重點方向。

4) 能量回收既是時代要求也是我們將來研究方向的重點,面對液壓系統中復雜的能量轉換環節和能量消耗狀況,如何將液壓沖擊能量轉換為液壓驅動提高液壓傳動效率這也是當前急需解決的問題。

4 結語

本文梳理了國內外近幾年對液壓沖擊抑制的研究現狀,從動力元件、執行元件、控制元件、輔助元件四個角度總結了現有抑制沖擊方法的優缺點。其中動力元件主要是通過改變泵的流量大小抑制液壓沖擊,但是其抑制效果取決于流量調節裝置的響應時間和調節范圍,適用于對液壓沖擊抑制的實時性和頻次要求不高的場合;執行元件主要通過改變自身結構參數抑制液壓沖擊,在特定工況下可實現較好的抑制效果,適用于工況變化范圍不大的場合;控制元件通過措施調整通流量可顯著抑制液壓沖擊,適用于高精度、高響應速度的場合;蓄能器作為輔助元件被廣泛用于吸收液壓沖擊,但瞬時沖擊大,氣囊壓縮范圍有限,只能在特定工況下取得良好的抑制效果,適用于低頻沖擊、工況變化范圍不大的場合,為今后液壓沖擊抑制智能化,高效化發展提供了有益借鑒。