重型機(jī)械液壓阻尼器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

肖琴 呂濤 丁姝元 李錚 王子怡

【摘?要】本研究設(shè)計(jì)了一種由蓄能器作為儲(chǔ)能元件和提供摩擦的節(jié)流孔組成的液壓裝置，以抑制機(jī)器在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)。首先，根據(jù)理想氣體定律建立了氣體彈簧的模型。為了用圖形模擬工具對(duì)氣體過(guò)程進(jìn)行建模，需要找到一種可以與數(shù)值求解器集成的氣體定律形式。為了模擬實(shí)際工況，利用范德華方程對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)任何狀態(tài)變化都應(yīng)用統(tǒng)一的模型表示。之后利用絕熱和等溫的特殊狀態(tài)變化進(jìn)行了驗(yàn)證。確定了蓄能器容量和孔口尺寸等尺寸參數(shù)后，最后確定了操作參數(shù)和極限參數(shù)。阻尼器的工作過(guò)程包括氣體預(yù)充至預(yù)定壓力、近等溫靜態(tài)加載過(guò)程和動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中的絕熱變化。

【關(guān)鍵詞】振動(dòng)阻尼;液壓阻尼;氣體定律

引言

山特維克公司的阿爾卑斯礦的采礦機(jī)械，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到劇烈的振動(dòng)。需要采取減震措施。本項(xiàng)目的目標(biāo)是研究使用支撐千斤頂?shù)囊簤焊讈?lái)抑制振動(dòng)的可能性。為此，必須設(shè)計(jì)一個(gè)用作彈簧的液壓存儲(chǔ)元件（蓄能器）和一個(gè)提供摩擦的節(jié)流裝置，以期在施工前的仿真模型中達(dá)到測(cè)試系統(tǒng)的效果。現(xiàn)有的機(jī)器復(fù)雜機(jī)械仿真模型必須用所提出的阻尼系統(tǒng)的適當(dāng)模型進(jìn)行擴(kuò)展，目前需要解決的主要問(wèn)題是建立具有彈性特性的蓄能器中氣體體積的模型，特別是熱分析行為。文中給出了設(shè)計(jì)參數(shù)和建立動(dòng)態(tài)仿真模型所必需的步驟。

配備有用于運(yùn)動(dòng)的液壓缸的支撐千斤頂?shù)南到y(tǒng)，是由液壓蓄能器和節(jié)流孔板組成的。該設(shè)備的基本方案，就是所述仿真工作的主題。

1.專業(yè)術(shù)語(yǔ)

P蓄能器的預(yù)充壓力;V蓄能器的標(biāo)稱體積;P機(jī)器在靜止期間支撐時(shí)的氣缸壓力;V體積（氣體）當(dāng)機(jī)器在靜止期間支撐時(shí)的氣缸壓力;k對(duì)于氮?dú)饨^熱指數(shù)k=1.4;Ac，A氣缸活塞面積和氣體邊界表面面積蓄能器;x，y活塞位移和氣體邊界位移;V，v氣體體積和比氣體體積;P，Pv孔板名義壓降和實(shí)際壓力損失;q孔板名義流量P;kv孔板常數(shù);Fs汽缸彈簧力（與活塞位置有關(guān)）;Fr阻力摩擦力（與活塞速度有關(guān)）;R，R i通用氣體常數(shù)，比氣體常數(shù);m，n氣體量，質(zhì)量或摩爾絕對(duì)溫度;Q，W，E傳熱，機(jī)械功和能量。

2.液壓蓄能器

液壓蓄能器為系統(tǒng)提供彈簧特性。第一種設(shè)計(jì)通常是從理想氣體定律出發(fā)，利用理想氣體方程進(jìn)行的：

理想氣體的狀態(tài)變化用下列方程描述：

等容態(tài)變化：

等溫狀態(tài)變化：

絕熱狀態(tài)變化：

在使用蓄能器之前，先執(zhí)行充注過(guò)程，將裝置預(yù)加載到一定壓力。它包括氮?dú)馄康慕^熱膨脹和蓄電池容積的絕熱壓縮。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我們知道，預(yù)壓后的壓力變化不大，因此這一復(fù)雜的過(guò)程不會(huì)被評(píng)估，而只是假設(shè)在體積為V時(shí)以給定的初始?jí)毫開始。當(dāng)機(jī)器靜止不動(dòng)并應(yīng)用支撐千斤頂時(shí)，蓄能器中的壓力再次增加。氣體體積的溫度也會(huì)增加，但還有一段時(shí)間會(huì)再次下降。所以這是一個(gè)等溫過(guò)程，產(chǎn)生一個(gè)壓強(qiáng)，也就是靜態(tài)工作壓強(qiáng)。根據(jù)Equ.3可算得氣體體積為

機(jī)器開始工作時(shí)會(huì)發(fā)生振蕩。由于變化很快，這是一個(gè)絕熱過(guò)程。來(lái)自Equ.4的實(shí)際壓力如下：

如果有人對(duì)工作點(diǎn)附近與蓄能器相連的氣缸產(chǎn)生的彈簧常數(shù)感興趣，可以通過(guò)以下公式來(lái)求：

對(duì)于簡(jiǎn)化的模擬，氣缸活塞對(duì)外部載荷的彈性反作用力僅取決于氣缸活塞的位移x，也遵循Equ.6。

3.孔板摩擦的引入

蓄能器為阻尼器提供彈性特性。為了將動(dòng)能耗散為熱量，需要一個(gè)摩擦元件。對(duì)此可以應(yīng)用孔板。流量與壓降之間的關(guān)系為：

這種簡(jiǎn)單的模式被首次用于阻尼器的設(shè)計(jì)，摩擦力與速度的平方成正比，使用孔以外的其他設(shè)備可以提高散熱性能。

4.理想氣體蓄電池的仿真模型

要模擬包含氣體體積的系統(tǒng)，必須找到一種可以通過(guò)求解器積分的氣體定律形式。對(duì)控制容積（蓄能器的氣體容積）應(yīng)用熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律。

Q描述了從狀態(tài)1到狀態(tài)2變化期間系統(tǒng)表面的熱交換。從氣體體積W12輸出的機(jī)械功是正確的。它由機(jī)械的“軸功”和具有比體積vi的進(jìn)氣的流動(dòng)功組成。原始體積的能量從E變?yōu)镋。忽略了勢(shì)能和動(dòng)能，所以流體能E只包含內(nèi)能。沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，這種能量就是熱能。定容比熱的定義。用焓收集氣體的體積功和內(nèi)能，這可以用恒壓下的比熱來(lái)表示，假設(shè)cp為常數(shù)，積分從T=0到Ti，給出，給出了溫度T的一個(gè)微分方程，該方程可以在無(wú)奇異性的情況下進(jìn)行數(shù)值求解。用Equ.1使用比氣體常數(shù)可以找到體積的壓力。這個(gè)模型適用于理想氣體的任意狀態(tài)變化。它很容易通過(guò)一個(gè)定義的狀態(tài)變化來(lái)驗(yàn)證，并將結(jié)果與Equ2、3或4進(jìn)行比較。此外，還顯示出了絕熱變化和等溫變化。為了保持溫度恒定，適當(dāng)控制熱交換。理想氣體定律pV =nRT對(duì)于液壓蓄能器中使用的高壓可能不夠精確。用范德瓦爾斯模型可以進(jìn)行改進(jìn)。使用van der Waals方程的原因是，它在數(shù)學(xué)上非常簡(jiǎn)單，但仍然表現(xiàn)出臨界和相變行為，并預(yù)測(cè)了一階氣液相變。它包含兩個(gè)新的常數(shù)a和b，每個(gè)氣體都是唯一的，給出這些值的表格可以在許多文本中找到。引入常數(shù)a來(lái)修正分子間的引力，引入常數(shù)b來(lái)解釋分子所占的體積。

使用范德華方程的真實(shí)氣體過(guò)程的完整模型在這項(xiàng)設(shè)計(jì)中已經(jīng)誕生。系統(tǒng)首先計(jì)算初始?xì)怏w質(zhì)量，然后開始模擬動(dòng)態(tài)過(guò)程。

5.應(yīng)用

現(xiàn)在，氣體過(guò)程的模型是完整的，并且可以被封裝以供應(yīng)用，10升的初始容積壓縮為2升。與理想氣體溶液相比，壓力和溫度都略高。應(yīng)該注意的是，這里所示系統(tǒng)的目的不是以圖解的方式求解氣體方程，而是模擬一個(gè)隨時(shí)間變化的任意過(guò)程，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)與機(jī)械系統(tǒng)的協(xié)同仿真，并與環(huán)境的熱交換進(jìn)行建模。

6.結(jié)語(yǔ)

本文所提出的模型很好地優(yōu)化了阻尼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，機(jī)械設(shè)計(jì)限制了吸能效果的實(shí)現(xiàn)。實(shí)際的實(shí)現(xiàn)尚待實(shí)現(xiàn)。理想氣體模型和實(shí)際氣體模型之間的差異對(duì)阻尼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并不重要。然而，van der Waals模型不適合非常精確的計(jì)算，因?yàn)榕R界常數(shù)的個(gè)別值與實(shí)驗(yàn)不太一致，盡管它在定性方面很有用。

參考文獻(xiàn)：

[1]Mitsubishi Heavy Industries Machinery System Ltd.;"Corrugated Board Web Cutting Device And Corrugated Board Manufacturing Device" in Patent Application Approval Process（USPTO 20200031082）[J].Politics & Government Week，2020.

[2]趙東，馬汝建，王威強(qiáng)，蔡冬梅.新型摩擦阻尼器在重型機(jī)械振動(dòng)控制中的應(yīng)用[J].重型機(jī)械，2005（01）：8-11.

[3]孫大剛，諸文農(nóng)，馬衛(wèi)東，王潤(rùn)之.大型、超大型履帶式推土機(jī)橡膠緩沖裝置的研制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，1998（04）：30-33+46.

（作者單位：1.上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院;3.重慶市三峽醫(yī)藥高等專科學(xué)校;4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院;5.山西傳媒學(xué)院）