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液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵液壓沖擊現(xiàn)象分析

文檔作者：陳清文檔來(lái)源：江西宜春鉭鈮礦		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月10日
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第24卷第4期機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)簋與剴嶄V01．24，No．4
至里!!圭Z星旦!型竺：竺竺!壘望!竺竺塑墮竺竺!!!竺苧望竺蘭!堂璺!!!竺生!墮：!蘭Q!!
文章編號(hào)：1002—6673(201 I)04-105-03
液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵液壓沖擊現(xiàn)象分析
陳清
(江西宜春鉭鈮礦，江西宜春336000)
摘要：介紹了采用插裝閥控制的液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵，針對(duì)液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵中存在的液壓沖擊問(wèn)題，
建立液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型。通過(guò)Matlab／simulink仿真得出產(chǎn)生液壓
沖擊的主要原因及其對(duì)液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵排出性能的影響。對(duì)液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵的進(jìn)一步研
究具有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：液壓高頻；液壓沖擊；仿真
中圖分類(lèi)號(hào)：THl32．2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10．3969／j．issn．1002-6673。2011．04．045
O引言
液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵采用全液壓驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)活
塞或柱塞的高頻直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。直接吸入和排出液體。
相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械式往復(fù)泵。液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵具有體
積小，重量輕，排出流量較穩(wěn)定等特點(diǎn)，更易滿(mǎn)足各行
業(yè)的需要。
然而液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵在工作過(guò)程中存在液壓沖
擊。進(jìn)油路上的液壓沖擊將引發(fā)與之相應(yīng)的液缸在排出
瞬間缸內(nèi)產(chǎn)生水力沖擊。并最終導(dǎo)致排出總管內(nèi)產(chǎn)生壓
力脈沖尖峰，從而影響泵的排出性能il-31。因此，本文對(duì)
液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵工作過(guò)程中的液壓沖擊現(xiàn)象進(jìn)行理
論建模與分析。得出造成液壓沖擊的主要原因并進(jìn)行優(yōu)
化設(shè)計(jì)，對(duì)今后液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵的進(jìn)一步研究，具
有一定的參考價(jià)值。
1液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵的工作原理
液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)水泵主要由手動(dòng)換向閥l、減壓
閥2、單向閥3、邏輯插裝閥4．14．2、高速開(kāi)關(guān)閥5．1—
5．2、蓄能器6、液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)7、行程開(kāi)
關(guān)8．1—8．2、泵缸9等組成。液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)
構(gòu)與往復(fù)水泵的液力端用聯(lián)軸器直接連接，因此，往復(fù)
泵的行程8．和頻率ft的大小直接決定于液壓高頻直線(xiàn)往
復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程s2和頻率毛的大小。液壓高頻直線(xiàn)往
復(fù)水泵工作過(guò)程分為兩個(gè)階段：
(1)液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)水泵吸水階段。手動(dòng)換向閥
收稿日期：20”_05-16
作者簡(jiǎn)介：陳清(1967-)，男。江西高安人，高級(jí)工程師。
主要從事礦業(yè)機(jī)械技術(shù)開(kāi)發(fā)與管理等方面的工作。
通壓力油．后腔通工作原理
油箱，水泵開(kāi)始吸水工作，直至活塞桿上的擋塊壓下行
程開(kāi)關(guān)8．1．水泵完成吸水動(dòng)作。
(2)液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)水泵吸水階段的油液循環(huán)油
路。當(dāng)液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)水泵吸水動(dòng)作完成時(shí)，話(huà)塞桿
上的擋塊壓下行程開(kāi)關(guān)8．1，發(fā)出電信號(hào)使1YA得電，
而2YA失電，高速開(kāi)關(guān)閥5．1右位工作，壓力油經(jīng)控制
油路進(jìn)入插裝閥4．1控制腔，插裝閥4．1打開(kāi)，此時(shí)液
壓高頻直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)7前后腔同時(shí)通入壓力油，由
于液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)7后腔的有效作用面積大
于前腔的有效作用面積，活塞在前后腔壓力差的作用下
向右運(yùn)動(dòng)。液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)水泵開(kāi)始排水工作，直至
碰到行程開(kāi)關(guān)8．2，水泵完成排水過(guò)程，進(jìn)入下一個(gè)工
作循環(huán)。
2液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵液壓沖擊現(xiàn)象研究
圖2為液壓驅(qū)動(dòng)高頻往復(fù)水泵系統(tǒng)工作原理的簡(jiǎn)化
圖。由于液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)水泵的所有元件都集成在泵
105
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
·制造業(yè)信息化·
站上．因此可忽略管道對(duì)系統(tǒng)的影響，主要考慮邏輯插
裝閥2對(duì)液壓系統(tǒng)的影響。M為液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵液
力端運(yùn)動(dòng)部件和吸、排水管路的總質(zhì)量。
1．變量泵
2．單向閥
3．邏輯插裝周
4．高速開(kāi)關(guān)同
5．蓄能器
6．液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)機(jī)構(gòu)
7．直動(dòng)式溢流閑
圖2液壓驅(qū)動(dòng)高頻往復(fù)泵液壓系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖
2．1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立
(1)系統(tǒng)力平衡方程：
p1(”A2)=M警+附F (1)
式中：Pl一往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)前腔壓力(Pa)；Al一前腔有
效作用面積(m2)；儼運(yùn)動(dòng)部件速度(m／s)；曠粘性摩擦
阻尼系數(shù)(k幽)；F-負(fù)載(N)。
(2)液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)前腔流量連續(xù)方程：
vQ。?_-，VE ddtpl+gpl
(2)
式中：Q。一進(jìn)入前腔的流量(m3，8)；V一液壓高頻直
線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)后腔容積(m3)；E一液壓油體積彈性模量
(N／m2)；K一高頻直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)前腔泄漏系數(shù)
(m5／N·8)。
(3)邏輯插裝閥的流量方程： Q-=cA、／掣(3)
式中：C廠(chǎng)流量系數(shù)；√5卜邏輯插裝閥的通流面
積(m2)；曠工作液體的密度(k咖3)。
2．2系統(tǒng)仿真模型的建立
由式(1)可知P。、v、F是相對(duì)與時(shí)間的變量，假設(shè)在
△￡的時(shí)間內(nèi)，Pl、v、F的增量分別為Apl、Av、AF。
則對(duì)式(1)兩邊取增量并作拉普拉斯變換。可得： △v-紐半(4)
同理可對(duì)式(2)兩邊取增量并作拉普拉斯變換，可得：
Apl=聳蟛皿k垃(5)
寺8+K-
式(3)為非線(xiàn)性方程。需要先將其線(xiàn)性化才能聯(lián)立
求解，對(duì)式(3)兩邊去增量并將其按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，可得：
Q-=Q嘏aAr AArv
OaOpll△pl
(6)
令：
106
cf魯=ca 2(p-p．)：
c產(chǎn)鹽0pl=上P c抵、／弛P世’ V
(7)
(8)
式(6)一(8)中：Q廣穩(wěn)態(tài)流量(m3，8)；G。廣穩(wěn)態(tài)增益
(m3，8)；CD一壓力流量系數(shù)(Pa)；妒穩(wěn)態(tài)時(shí)閥口的過(guò)
流面積(m2)。將式(7)、(8)代入式(6)整理后，得流量變
化量：
△Ql=Ql-Q．=C。AAw-CPA pt (9)
根據(jù)式(4)、(5)、(9)建立系統(tǒng)的方框如圖3所示。
圖3系統(tǒng)方框圖
根據(jù)圖3所示的系統(tǒng)方框圖，可相應(yīng)地在Matlab／
Simulink中建立系統(tǒng)的仿真模型圖岡。其中。系統(tǒng)模型輸
入量為換向閥通流面積增量△AT，系統(tǒng)輸出量為速度增
量Au、壓力增量Ap。。
2．3仿真分析
在液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)水泵工作過(guò)程中，活塞運(yùn)動(dòng)頻
率較快，導(dǎo)致邏輯插裝閥的切換也很頻繁，因此閥口面
積、可近似認(rèn)為是脈動(dòng)函數(shù)。
在邏輯插裝閥閥口開(kāi)啟的過(guò)程中。隨著速度的增大，
壓力出現(xiàn)峰值，然后隨著速度的平穩(wěn)，壓力也趨于穩(wěn)定。
這說(shuō)明在閥換向過(guò)程中。存在瞬時(shí)壓力突變，將產(chǎn)生液
壓沖擊。由圖3知，壓力增量Ap。的大小主要數(shù)V、M、
△AT有關(guān)，本文在考慮其他參數(shù)不變的情況下，只改變
其中的一個(gè)參數(shù)，觀察閥開(kāi)啟過(guò)程中其速度和壓力曲線(xiàn)。
找出影響壓力變化的關(guān)鍵因素，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
(1)參數(shù)變化而其他參數(shù)不變時(shí)的速度和壓力曲線(xiàn)
見(jiàn)圖4。
(2)參數(shù)變化而其他參數(shù)不變時(shí)的速度和壓力曲線(xiàn)
見(jiàn)圖5。
4}—百砭—百面—司茸—贏i—司塒
t“)
r——’_—————1——————100●
—1齏r商r百畜1桶-Ore
t(·)
Ca)V為510"Ma2 (b)V為2101釅
圖4參數(shù)V變化而其他參斂不變時(shí)的速度和壓力曲線(xiàn)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
·制造業(yè)信息化·
(a)M為15kg (b)M為60kg
田5參數(shù)M變化而其他參數(shù)不變時(shí)的速度和壓力曲線(xiàn)
“．)
(a)閥口開(kāi)啟規(guī)律為脈沖函敖
“●)
(b)闈口開(kāi)啟規(guī)律為梯形函敖
t“) “·)
(c)脈動(dòng)函數(shù)時(shí)的速度壓力由殘(d)梯形函數(shù)時(shí)的速度壓力曲線(xiàn)
圖6參數(shù)變化而其他參數(shù)不變時(shí)的速度和壓力曲線(xiàn)
(3)閥口開(kāi)啟規(guī)律變化而其他參數(shù)不變時(shí)的速度和
壓力曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。
2．4仿真結(jié)果分析
由圖4—6可以看出：增大前腔容積能夠減小液壓沖
擊峰值；增大質(zhì)量M增大活塞運(yùn)動(dòng)慣性，將增大液壓沖
擊。而對(duì)壓力增量Ap。的影響最大的是閥口面積△AT的
開(kāi)啟規(guī)律，當(dāng)△AT的開(kāi)啟規(guī)律為脈沖函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)
生較大的液壓沖擊；當(dāng)△AT的開(kāi)啟規(guī)律為梯形函數(shù)時(shí)，
壓力變化值是跟速度變化值同步的，壓力變化平緩，沒(méi)
有壓力突變。
3結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了分
析，建立了其Matlab／simulink仿真模型。通過(guò)對(duì)液壓高
頻直線(xiàn)往復(fù)泵理論分析和仿真結(jié)果研究表明．閥的響應(yīng)
時(shí)間是造成液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵的液壓沖擊現(xiàn)象的主要
原因，只有通過(guò)減慢閥的響應(yīng)時(shí)間，才能減小液壓沖擊
對(duì)液壓高頻直線(xiàn)往復(fù)泵性能的影響。
參考文獻(xiàn)：
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(上接第114頁(yè))結(jié)構(gòu)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等情況，對(duì)設(shè)計(jì)變量
的變化范圍進(jìn)行限定。其結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可表示為：
mid(X)
s．t．叮。s【州=600MPa
lI，一≤【∞】=1．5mm
xim≤】【i5Xi“tt(i．1，2)
式中x戶(hù)和】【i“分別為設(shè)計(jì)變量的下限和上限。
2．2優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析
通過(guò)在設(shè)定的變化范圍內(nèi)改變方膜片的結(jié)構(gòu)尺寸，
經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算得到方膜片的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。表1是優(yōu)化
前后方膜片的結(jié)構(gòu)尺寸及性能參數(shù)。優(yōu)化結(jié)果顯示各項(xiàng)
狀態(tài)參數(shù)在符合設(shè)計(jì)要求條件下。非線(xiàn)性誤差得到明顯
降低。達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。
表1方膜片的結(jié)構(gòu)尺寸及性能參數(shù)
名稱(chēng)優(yōu)化前參數(shù)優(yōu)化后參數(shù)
方形膜片邊長(zhǎng)(m) 3．5000E—D2 3．8580E—02
方形膜片厚度(m) 1．0000E—03 1．7686E—03
最大應(yīng)力(MPa) 1．0385E+3 5．9627E+02
膜片中心位移(m) 1．2935EJOB 6．3786E—)4
非線(xiàn)性誤差O．69356 0．030598
3結(jié)論
通過(guò)有限元分析得出了載荷和結(jié)構(gòu)尺寸的變化對(duì)方
形平膜片位移、應(yīng)力與非線(xiàn)性誤差的影響關(guān)系，通過(guò)對(duì)
模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。使方形膜片的性能指標(biāo)得到進(jìn)一步的
優(yōu)化，提高了彈性元件的設(shè)計(jì)精度。
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107

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