一種新型水力緩沖器的緩沖特性研究

2015-12-06 07:50:04楊翊仁

重慶理工大學學報(自然科學) 2015年10期

劉勝，李鵬，楊翊仁

(西南交通大學力學與工程學院，成都 610031)

圖1為一種新型水力緩沖器結構模型，主要由套筒、活塞、碰撞部件、緩沖頭和緩沖彈簧組成。套筒與活塞桿之間安裝有預緊緩沖彈簧，使得相對靜止狀態下套筒底部與活塞頭部緊密貼合。運動部件安裝在緩沖器上部，并置于靜水中。工作時，運動部件隨緩沖器一起從一定高度落下。當進入下落行程末段時，緩沖頭與碰撞部件接觸，并以一定速度和加速度沖擊碰撞部件。沖擊過程中，緩沖頭壓縮碰撞部件彈性件，同時自身速度不斷減小，直至彈性件被完全壓縮，而后緩沖頭由剛性件提供支撐;另一方面，沖擊時緩沖頭壓縮活塞桿，從而擠壓套筒內的冷卻劑和緩沖彈簧，起到對運動部件緩沖的效果。運動部件完全靜止后，緩沖彈簧推動活塞桿和緩沖頭復位至安裝初始狀態。

本文依據水力緩沖器的結構和工作原理，建立下落過程和緩沖過程的結構控制方程和流體控制方程，計算緩沖過程中緩沖頭對碰撞部件的沖擊力、套筒內部壓強、套筒和活塞位移等參數的動態變化，分析各節流孔對沖擊力和壓強影響，對緩沖器結構進行優化。

圖1 水力緩沖器結構

1 控制方程

為建立緩沖過程的控制方程，首先給出以下基本假設:①在下落過程中，套筒與活塞為無相對運動，可視為一個整體;②各部件之間的碰撞為完全彈性碰撞，忽略碰撞阻尼，碰撞等效為彈簧作用，組件之間的碰撞剛度為組件拉壓剛度的串、并聯值［1－2］;③ 流體不可壓縮，其能量損失僅為局部能量損失;④僅考慮外部流場對緩沖器的流體形狀阻力。

1.1 結構控制方程

緩沖器在下落和緩沖過程中的結構示意圖如圖2所示。M1，M2分別為套筒和活塞桿的質量;Mf1，Mf2分別為二者排開水的質量;Cf，Cs分別為黏性阻力系數和形狀阻力系數;D1，D2，H1，H2分別為套筒與活塞桿的外直徑和高度;Sht為緩沖頭截面積;K，F0分別為緩沖彈簧剛度和預緊力;K1，K2，K3分別為組件各部分的碰撞剛度;H為活塞有效工作高度;He為碰撞部件彈性件最大壓縮行程;P1，P'1，P2，P'2分別為作用與套筒和活塞上的流體壓力。

圖2 緩沖器結構簡化示意圖

下落過程結構的運動方程可寫為［3］:

緩沖過程結構控制方程為

其中:

緩沖頭與碰撞部件之間的沖擊力為

其中δ為Dirichlet函數。

1.2 流體控制方程

圖3給出了緩沖過程中流量的計算模型。套筒與活塞之間的相對運動會擠出套筒主腔內的流體或吸入外部流體，因此各節流孔的流體流向及流量與此相對運動相關。

圖3 流量計算示意圖

首先假定當主腔內流體被擠出，且擠出流體均是從活塞頭部流出，而后經過各節流孔流出套筒;當流體被吸入主腔時，認為所有流體均流向活塞頭部。各節流孔流量分別記為αQ，βQ，γQ，ηQ，ξQ。忽略非定常項和位置水頭對總水頭的影響，可由Bernoulli方程［4］沿流線建立能量方程:

流體從節流孔流出主腔時

流體從節流孔流進主腔時

其中:i=1，2，…，5，分別對應5個不同節流孔;p，U分別為活塞頭部壓強與流速;pi，Ui分別為流出i號節流孔后的流體壓強與流速;∑hm，∑h'm分別為沿流線的所有局部能量損失，流出及流進二者不同。由于套筒側壁開有節流孔，各條流線上的能量方程與下落過程中活塞頭與各節流孔的相對位置相關。

忽略外部流場的流動，外部流場滿足

流動中的流量方程為

其中:λi= ±1，i=1，2，3，4，5為流向迭代指標;ΔV為副腔體積變化;λV=±1為副腔體積增大和縮小指標。

聯立式(5)～(8)，可得流量控制方程:

1.3 結構－流體控制方程耦合

流量控制方程中，活塞頭部流體流速應等于套筒與活塞的相對運動流速，即

采用 Newton迭代方法［5］求解式(9)。由式(9)獲得節流孔流量后，代入式(5)或(6)即可得到緩沖器內部壓強分布。

2 計算結果

采用Newmark積分格式［6］對結構控制方程求解。基于Fortran程序［7］編制整個求解過程數值計算程序。圖4給出了程序計算流程。圖5給出了當下落高度為1.75 m時沖擊力和活塞頭部壓力的時程曲線。顯然，在第1次沖擊之后，沖擊力和壓強都迅速降低。此外，當活塞經過套筒側壁節流孔時，壓強會出現顯著突變。