基于SolidWorks的活塞蓄能器改進與仿真研究

李海軍， 王 雷， 王一明

(海軍航空大學岸防兵學院， 山東煙臺 264001)

引言

在液壓系統中，常常利用蓄能器來完成儲存、釋放油液的任務[1]。常用蓄能器類型主要有氣囊式、重錘式、液壓彈簧式[2]，其主要功能有：

(1) 作為系統動力源，在常規的液壓動力系統中常會用到蓄能器配合液壓缸回路的組合為整個系統進行供能[3]。當系統歸零時，蓄能器內通過儲存大量油液與高壓氣體完成蓄能，當系統給出動作信號時，氣體腔迅速膨脹推動活塞將大量高壓油液迅速排出，通過液壓回路完成系統動力供給。

其次也可以做為輔助動力源，在某些系統的原動機出現意外故障的情況下，可以作為緊急能源為系統供能[4]，緩沖故障發生的時間與速度，保護系統。

(2) 保持一個穩定的低速輸出為系統穩壓[5]。在某些需要在工作完成后長時間保持壓力的系統中，蓄能器負責保壓，保證在液壓泵等動力源關閉后將其自身存儲的能量持續的供給系統，補償系統泄漏，維持收尾工作的壓力。

(3) 緩沖液壓沖擊或壓力脈動[6]。液壓系統中優勢會出現泵突然啟停、閥門開閉的情況，此時會有大流量的油液經過系統回路，容易對系統造成一定量的損害，長此以往很容易導致液壓系統泄漏等事故，因此常把蓄能器安裝在易發生液壓沖擊的位置，吸收壓力脈動，緩沖系統動作。

1 活塞式氣液蓄能器工作數學模型

活塞式氣液蓄能器在建立數學模型時需要做以下假設[7]：

(1) 在整個作動過程中，缸體內氣體做功過程視為絕熱狀態變化過程，n=1.4；

(2) 相較于氣體的極易壓縮性，液體的壓縮性可不計；

(3) 理想狀態下忽略氣體的阻尼系數。

對其工作原理進行簡化處理。

如圖1所示，蓄能器氣體腔內存儲著高壓氮氣，通過氣體膨脹做功推動活塞迅速排出油液，完成系統動作[8]，故其可由氣體壓縮公式進行相關計算[9]：

(1)

式中，pa0—— 初始充氣壓力，MPa

Va0—— 初始體積

pa—— 充液后壓力

Va—— 充液后氣體體積(Va=Va0-V1)

圖1 活塞式蓄能器簡化模型

通常理想氣體狀態方程在高壓時容易出現誤差，因此也可以在數學建模時采用真實氣體狀態方程，對蓄能器內工作狀態后進行模擬[10]，充分考慮了高壓氣體分子之間的相互作用和氣體分子占有的體積[11]，盡可能的模擬實際工作情況。

[p+a(n/V)2](V-nb)=nRT

(2)

(3)

式中，p—— 蓄能器工作過程中的氣體壓強

a，b—— 范德瓦爾斯修正量

V0—— 蓄能器氣體初始體積

V—— 蓄能器氣體工作過程中的體積

n—— 氣體摩爾數

R —— 理想氣體常數

Q—— 閥門的液壓流量

t—— 作動工作時間

T—— 氣體絕對溫度

2 某型氣液蓄能器設計分析及改進

2.1 通用活塞式氣液蓄能器分析及不足

通過對活塞式蓄能器的相關文獻整理及原理分析得出，在設計加工時要注意以下幾方面：

(1) 蓄能器本質上仍是一個容器，缸體內部承載壓縮氣液體，要有有效措施解決氣液之間的泄漏與缸體兩邊端蓋的泄漏；

(2) 缸體內部不斷的進行充能、釋能的過程，即充放壓的過程，所以必須對其結構的疲勞極限和材料強度進行關注，對容易出現疲勞損壞的地方進行處理，減少應力集中；

(3) 活塞與筒壁的接觸力度必須要適中。接觸過緊會增大接觸阻尼系數，不僅會增大活塞的磨損，同時會減少蓄能器工作效率；過松便會引起氣液之間的泄漏。同時還要選用合適的密封圈，保證密封性能；

(4) 活塞厚度盡量保證，防止出現活動時卡頓，生澀的現象；

(5) 對活塞形狀進行改變，盡量使活塞形狀凹陷于氣體腔一側，這樣可以在初次充能時將高壓液油側的氣體排空；同時可以增大氣體腔體積，增加設備蓄能潛力。

2.2 某型蓄能器的改進與分析

由于蓄能器是壓力容器，所以判斷在耐久循環試驗中產生漏油現象的原因為，蓄能器內部某處應力集中，長時間充放壓，導致疲勞破壞[12]。

針對上述的分析，對某型蓄能器進行改進，并在SolidWorks中建立三維模型，對于活塞蓄能器的諸多零件，建模相對復雜，但由于其本身筒式結構及內部零部件的對稱性，使得建模過程能夠足夠簡化，下面簡述其參數化建模的過程：

(1) 在草圖環境中創建活塞蓄能器缸體及活塞部分剖面輪廓，旋轉形成活塞實體；

(2) 用拉伸特征創建位移傳感器模型；

(3) 在缸體兩端嵌入端蓋模型后，用編輯、鏡像命令復制端蓋鉚釘，完成對蓄能器的密封；

(4) 在建立好的端蓋模型中嵌入SolidWorks中常用閥門、管路等；

(5) 倒角等命令完成整個活塞凸臺的建模。

建模后如圖2、圖3所示。

圖2 SolidWorks三維模型

圖3 內部結構

整個活塞蓄能器包括缸體、蓄能器套筒、活塞、兩側端蓋、位移傳感器、電磁閥、充氣接口、壓力變送器等。

在模型設計上首先利用加厚的法蘭盤制作氣面端蓋和液面端蓋，通過適量的鉚釘對其進行固定，保證了缸體整體的密封性；在氣體腔一側增加套筒，使得氣體腔活塞行程固定，能夠保證氣體壓縮比穩定，即可以控制氣體體積，保證每次儲能量穩定，使得右側的油液腔每次最大注入的液油體積固定；將活塞氣體腔一側掏空，增大了可蓄積氣體的體積，減少活塞質量，節約材料；提高活塞厚度，增加密封圈的數量，密封圈是維持氣液間密封性的關鍵，因為在蓄能器工作時，活塞滑動極有可能造成液油泄漏[13]，因此選用T型特康格萊圈和5型特康AQ封配對使用[14]，并且在兩者之間開出凹槽并填充黃油，如此便能防止氣體腔內氣體泄漏到油腔，同時還可潤滑氣腔內表面。

完成初期的改進設計后，建立三維模型并對其進行應變分析，選材料為45號鋼(抗拉強度為σb=600 MPa，屈服點σs=350 MPa)，可以得到應變云圖，如圖4所示。圖中顏色變化表示應變的大小，顏色越深應變越大[15]。

由靜力學分析可以看到，蓄能器筒受內壓力，在進行作動時，氣體膨脹做功，筒壁發生明顯形變。該圖像

圖4 蓄能器應變分布

能明顯看出形變位置，但其實形變數值并不大，只是相較于端口處筒壁發生的形變更加明顯。對缸筒徑向變形ΔD計算，處于變形允許范圍之內。

(4)

其中，γ為0.3泊松比；E為206 GPa彈性模量；pnx為20 MPa額定最高壓力。

通過法蘭盤端蓋固定端口之后，可以在圖中看出端口兩端的形變相較于筒壁基本可以忽略不計，在端口處基本未發生形變，說明蓄能器的封口結構嚴密，具有良好的密封性，證明該蓄能器改進后能在正常工作的同時較好的解決泄漏的問題。

3 結論

(1) 活塞式結構是目前應用成熟的類型，可以基于經典蓄能器工作原理建立數學模型，但在建模時需考慮到氣體分子之間的體積盡可能模擬實際工況；

(2) 兩側端蓋與缸體結合密封、活塞厚度及形狀、活塞與管壁接觸力度等均影響蓄能器整體性能，需針對改進；

(3) 在通過加厚端蓋、掏空氣體腔一側活塞、增加和改變活塞接觸面環切與材料填充等改進操作建模后，仿真得出改進蓄能器應力集中變得圓滑，形變值很小，缸體結構嚴密，密封性增強，良好解決其泄漏問題。