液壓約束活塞發動機主運動系統間隙誤差影響分析

孫龍飛　霍煒　樊華敏　臧政

摘要：針對液壓型約束活塞發動機（hydraulic constrained piston engine，HCPE）主運動系統的運動精度對系統流量特性的影響，本文以液壓約束活塞發動機為研究對象，利用ADAMS和AMESim建立主運動系統的運動學模型和液壓模型，分析系統間隙誤差對系統運動規律、運動副作用力和流量脈動特性的影響。研究結果表明，間隙誤差對系統的位移、速度等運動規律影響不大;在氣缸與動子活塞-滑塊、連桿大頭與曲軸曲柄之間存在間隙誤差，對其產生的作用力有較大影響，且隨著間隙誤差的增大而增大，從而影響系統的運動穩定性，降低系統的使用壽命;間隙誤差對系統流量脈動影響較大，導致零部件振動增強，影響整機的使用性能。該研究為HCPE的優化設計提供了理論依據。

關鍵詞：HCPE; 運動學模型; 間隙誤差; 流量脈動

中圖分類號： TH113.2+2文獻標識碼： A

文章編號： 1006-9798（2020）02-0104-06; DOI： 10.13306/j.1006-9798.2020.02.016

目前，在汽車、輪船等領域廣泛采用以傳統的內燃機產生的熱能轉換成機械能，再利用柱塞泵將機械能轉換成液壓能的方式[1-2]。在傳統的內燃機和柱塞泵組合系統中，由于內燃機和柱塞泵串聯在一起，結構復雜，且存在能量傳輸線路長、利用效率低等問題[3-5]。因此，在2009年青島大學設計出一種新型熱能-液壓能轉換裝置——液壓約束活塞發動機（HCPE），該系統將內燃機和柱塞式液壓泵集成，可解決傳統內燃機-柱塞泵組所存在的問題[6]。HCPE的運動穩定性、流量脈動特性等是系統的主要特性，氣缸與動子活塞-滑塊、連桿大頭與曲軸曲柄、動子活塞-滑塊與活塞銷間產生的間隙誤差對系統的運動規律、運動副的作用力及流量脈動特性等產生重要影響。近年來，國內外諸多學者對機構的運動可靠性進行研究，趙竹青等人[7]針對內燃機的活塞-曲柄連桿機構在運動可靠性方面進行研究;李昌等人[8]運用ADAMS軟件，采用有效長桿理論模型，研究了曲柄滑塊機構的可靠性;馮元生等人[9-12]對不同機構之間的摩擦磨損進行了分析，指出了對于磨損可靠性中存在的三大重要問題，建立失效判據，并提出關于機構磨損可靠性的模糊算法等。國內還有很多學者針對飛機的升降起落、升降舵的操作以及飛機貨倉門鎖等機構進行分析優化[13-15]。同時，國外許多學者利用計算機仿真理論對機構運動精度及可靠性進行仿真分析[16-19]。基于此，本文主要以HCPE為研究對象，分析主運動系統的間隙誤差對系統運動規律、運動副作用力及流量特性的影響。該研究為HCPE的優化設計提供了依據。

1HCPE工作過程分析

1.1HCPE工作原理

軸向HDPE由3個工作室組成。其中，第1工作室即是燃燒系統工作室，它的原理與普通內燃機燃燒室相同，有進氣、壓縮、做功、排氣4個沖程，動子活塞-滑塊運行4個沖程通過燃料燃燒產生一個工作循環的

內能轉換成直線運動的動能。

第2工作室為液壓系統工作室，其工作原理與普通柱塞泵相同，有吸水和壓水兩個工作過程，是將直線運動的動能轉換成柱塞泵的液壓能。

第3工作室為輔助系統工作室，由于曲柄連桿機構的運動，限定了動子活塞-滑塊運動的工作行程，因此確定動子活塞-滑塊運動的上、下止點，以保證組件連續正常運動。此外，輔助系統還包括配氣、燃料供給、冷卻、潤滑等多個系統，從而使整體工作系統實現定時、配合、連續有效的運行[20]。軸向HDPE工作原理如圖1所示。

1.2HCPE主運動系統的運動方程

HCPE主運動系統受力圖如圖2所示。

工作的初始點在活塞的上止點，活塞的位移x為

因此，有

式中，h為動子活塞-滑塊軸向長度，m;r為曲軸曲柄半徑，m;l為連桿小頭和大頭的中心距，m;φ為曲軸轉角，rad;β為連桿擺角，rad。

2HCPE主運動系統模型

首先給出HCPE的結構參數，HCPE的結構參數如表1所示。其次利用ADAMS建立系統動力學模型，ADAMS中的HCPE模型如圖3所示。利用AMESim建立液壓系統模型，AMESim中液壓系統模型如圖4所示。采用系統動力學模型可以對主運動系統的運動規律、運動副之間的作用力、輸出流量脈動特性進行仿真。

3仿真分析

系統因設計、安裝等原因在氣缸與動子活塞-滑塊、動子活塞-滑塊與活塞銷、連桿大頭與曲軸曲柄間存在間隙誤差，本文討論上述間隙誤差對主運動系統運動規律、運動副之間作用力及流量脈動特性的影響。

3.1間隙誤差對運動規律的影響

系統在氣缸與動子活塞-滑塊產生的側向間隙誤差對主運動系統的運動規律產生影響。當間隙誤差分別為0.04，0.16，0.22 mm，理想狀態時，動子活塞-滑塊的運動規律如圖5所示。

由圖5可以看出，氣缸與動子活塞-滑塊之間的間隙誤差對動子活塞-滑塊的位移、速度的影響較小，對組件的加速度影響較大，且間隙誤差越大，波動越大，與理想狀態相比，在0.04，0.16，0.22 mm三個不同的間隙誤差下，加速度波動幅值分別為6 213，8 041，11 911 m/s，波動的平均值分別為1 104，1 477，2 252 m/s。由此可以說明，間隙誤差的增大可導致較大的慣性力，影響運動的平穩性。

3.2間隙誤差對運動副作用力的影響

系統在氣缸與動子活塞-滑塊的間隙誤差，對其產生的側向力有影響，氣缸與動子活塞-滑塊的側向力及波動如圖6所示。同時，在連桿大頭與曲軸曲柄的間隙誤差，對曲軸曲柄豎直方向的作用力產生影響，連桿大頭與曲軸曲柄的豎直方向受力及波動如圖7所示。

與理想狀態相比，在0.04，0.16，0.22 mm三個不同間隙誤差下，氣缸與動子活塞-滑塊側向力的波動幅值分別為2 922，4 038，5 533 N，波動平均值分別為337.6，359.8，521.0 N;連桿大頭與曲軸曲柄在豎直方向上的受力波動幅值分別為14 199，35 944，45 869 N。

由此表明，氣缸與動子活塞-滑塊、連桿大頭與曲軸曲柄的間隙誤差增大，導致其受到的相互作用力增大，波動增大，使構件的使用壽命變短、使用可靠性和運動穩定性降低。因此，需要提高主運動系統的運動精度、使用壽命和運動穩定性。

3.3間隙誤差對流量脈動的影響

1）動子活塞-滑塊與活塞銷間隙誤差的影響。動子活塞-滑塊和活塞銷間隙誤差對流量的影響如圖8所示。由圖8a可以看出，動子活塞-滑塊與活塞銷間隙誤差的增大，使輸出流量脈動也不斷增大;由圖8b可以看出，在0.04，0.06，0.08 mm的間隙誤差下，達到瞬時流量的差值分別為0.353，0.793，0.818 L/min。

2）氣缸與動子活塞-滑塊間隙誤差的影響。氣缸與動子活塞-滑塊的間隙誤差對流量的影響如圖9所示。由圖9a可以看出，氣缸與動子活塞-滑塊間隙誤差的增大，使輸出流量脈動的變大;由圖9b可以看出，在0.04，0.16，0.22 mm的間隙誤差下，達到瞬時流量差值的分別為0.953，1.668，2.046 L/min。

3）連桿大頭與曲軸曲柄間隙誤差的影響。連桿大頭與曲軸曲柄的間隙誤差對流量的影響如圖10所示。由圖10a可以看出，連桿大頭與曲軸曲柄間隙的誤差增大，使輸出流量脈動也增大;由圖10b可以看出，在0.04，0.12，0.18 mm不同的間隙誤差下，達到的瞬時流量差值分別為1.016，1.293，2.178 L/min。

4結束語

本文對液壓約束活塞發動機的主運動系統建立運動方程，利用ADAMS和AMESim建立系統的動力學模型和液壓模型，對氣缸與動子活塞-滑塊、動子活塞-滑塊與活塞銷及連桿大頭與曲軸曲柄間隙誤差對系統運動規律、運動副作用力及流量脈動的影響進行了仿真。在運動學方面，系統的間隙誤差增大對主運動系統的運動規律影響較小，但加速度產生較大波動;在受力方面，隨著系統間隙誤差的增大，氣缸與動子活塞-滑塊、連桿大頭與曲軸曲柄運動副之間受到的作用力也隨之增大，使構件磨損加快，使用壽命降低;在流量脈動方面，隨著間隙誤差不斷增大，流量脈動也隨之增大，使液壓系統在使用過程中振動增加，噪聲增大，降低了系統的使用壽命，影響整機使用性能。液壓約束活塞發動機主運動系統的可靠性還受尺寸誤差、綜合誤差等影響，考慮尺寸誤差運動學輸出方程、尺寸誤差影響方式等原因，本文未解決尺寸誤差對主運動系統可靠性的影響。該研究為以后雙元動力的研究提供了更加深厚的理論基礎。

參考文獻：

[1]王超， 王金. 機械可靠性工程[M]. 北京： 冶金工業出版社， 1992.

[2]劉惟信. 機械可靠性設計[M]. 北京： 清華大學出版社， 1995.

[3]肖祥麟. 摩擦學導論[M]. 上海： 同濟大學出版社， 1990.

[4]黃鎮東， 何大為， 張富州， 等. 機械動力學[M]. 西安： 西安工業大學出版社， 1989.

[5]張策. 彈性連桿機構的分析與設計[M]. 北京： 機械工業出版社， 1997.

[6]孟憲舉， 張策. 機構運動與動力精度概率分析模型[J]. 機械科學與技術， 2004， 23（1）： 66-70.

[7]趙竹青. 機構運動精度可靠性設計方法及步驟[J]. 西安聯合大學學報， 2001， 4（4）： 52-55.

[8]李昌， 韓興， 孫志禮. 基于機構運動精度的可靠性虛擬實驗方法研究[J]. 機械設計， 2007， 24（11）： 17-21.

[9]馮元生. 機構磨損可靠性[J]. 航空學報， 1993， 14（12）： 642-644.

[10]馮元生， 馮蘊雯， 呂震宙. 機構磨損可靠性分析方法[J]. 質量與可靠性， 1999（3）： 24-27.

[11]趙美英， 馮元生. 機構磨損可靠性高精度算法[J]. 機械強度， 1998， 20（1）： 49-52.

[12]任和， 馮元生， 賈少鵬. 機構磨損的模糊可靠性算法研究[J]. 機械科學與技術， 1998， 17（1）： 46-48.

[13]龍江， 張鐸. 飛機應急起落架的機構運動可靠性研究[J]. 機械強度， 2005， 27（5）： 624-627.

[14]賈少澎， 馮元生. 某型飛機升降舵操縱機構的跟隨可靠性分析[J]. 機械科學與技術， 1998， 17（4）： 571-573.

[15]尹明德， 歐陽祖行， 武仿. 貨艙門鎖機構系統磨損可靠性分析和評估[J]. 南京航空航天大學學報， 1995， 27（3）： 300-305.

[16]Papadrakakis M， Lagaros N D. Reliability-based structural optimization using meural networks and Monte Carlo simulation[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 2002， 191（32）： 34-91.

[17]Di Sciuva M， Lomario D. A comparison between monte carlo and FORMs calculating the reliability of a composite structure[J]. Composite Structures， 2003， 59（1）： 155-162.

[18]Mazumdar M， Coit D W， Bride K M. A highly efficient Monte Carlo method for assessment of system reliability based on a Markov model[J]. Quality Control and Applied Statistics， 2001， 46（1）： 109-112.

[19]Lankamm H M， Nikravesh P E. Continuous contact force models for impact analysis in multi-body systems[J]. Springer， 1994（5）： 193-207.

[20]王正鍵， 陳瑞晶. 現代汽車構造[M]. 3版. 廣州： 華南理工大學出版社， 2012.

Influence Analysis of Clearance Error in Main Constraint System of Hydraulic Confined Piston Engine

SUN Longfei， HUO Wei， FAN Huamin， ZANG Zheng

（School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：Aiming at the influence of the motion accuracy of the main motion system of the hydraulic constrained piston engine （HCPE） on the flow characteristics of the system， this paper the hydraulic constrained piston engine as the research object. The kinematics model of main kinematics system using ADAMS and the hydraulic model of the main kinematics system using AMESim are established to analyze the effect of the system clearance error on the system motion law， motion side-effect force and flow pulsation characteristics. The research results show that： the clearance error has little effect on the movement laws of the system's displacement and speed， etc; the clearance error between the cylinder and the mover piston-slider， the connecting rod head and the crankshaft has a large effect on the force produced by it and it increases with the increase of the clearance error， which affects the system's motion stability and reduces the service life of the system; the clearance error has a greater effect on the system flow pulsation， resulting in increased vibration of parts and components and affecting the performance of the entire machine. The research provides a theoretical basis for the optimal design of HCPE.

Key words：HCPE; Kinematics model; Clearance Error; flow pulse

收稿日期： 2019-12-18; 修回日期： 2020-02-10

基金項目： 山東省重點研發計劃（2017GGX50106）

作者簡介： 孫龍飛（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向為車輛節能減排與新能源技術。

通信作者： 霍煒，女，碩士，副教授，碩士生導師，主要研究方向為車輛節能減排與新能源技術。 Email： qdhuowei@126.com