一种新型液压脉冲发生器的试验研究

胡　勇　季宦玉　王贡献

武汉理工大学，武汉，430063



一种新型液压脉冲发生器的试验研究

胡勇季宦玉王贡献

武汉理工大学，武汉，430063

摘要：提出一种适用于冲击碰撞试验的锥形间隙小孔组合节流液压脉冲发生器。通过调节节流面积和碰撞速度等参数，运用试验方法研究了脉冲发生器的负载自适应性、运动负载制动的高效性、脉冲波形可调性以及油液温升特性等机械动态特性。试验结果表明，采用开环控制方法调节节流口的通流面积来实现脉冲波形的调节正确可行，脉冲发生器可以满足相应冲击试验的要求。

关键词：碰撞试验；冲击脉冲发生器；冲击脉冲；油液温升

0引言

在汽车碰撞试验、跌落试验、运载工具制动等场合，缓冲或制动需要按预先设定的加速度曲线完成，以符合规范或设计要求。缓冲装置中的气液缓冲器在大位移缓冲制动场合应用较多，各种形式的缓冲结构及其性能研究仍然受到重视[1-3]。被动式液压缓冲器因具有吸收能力强，缓冲过程平稳，无反弹等特点而得到广泛应用[4]。但传统的被动式液压缓冲器仅用来实现制动，对制动时间和波形都没有要求，且不能调节制动波形。在冲击试验设备中，为了能够任意调节缓冲加速度波形，通流面积随时间的变化过程需要进行强制调节。对于冲击脉宽较大而流量要求较小的冲击，可以利用高速伺服阀进行阻尼控制，从而实现冲击波形的任意调节[5]，如液压伺服振动台。一些特殊的冲击试验，例如模拟水下爆炸冲击环境的冲击试验，用于冲击试验的阻尼制动器[6]需要在非常短的时间内完成冲击，并且流量很大。文献[7]采用一种成形阀口阻尼器实现冲击波形的调节，虽然其机械性能好，但制造加工复杂。文献[8]对液压脉冲发生器的机械特性进行了数值仿真分析预测，但是缺乏试验数据的支撑。本文提出了一种新型锥形间隙小孔组合节流结构的液压脉冲发生器，与传统只用于制动而不考虑制动加速度波形的液压缓冲器不同，该发生器可实现大流量的缓冲制动，而且缓冲加速度峰值与脉宽可大范围调节。在分析脉冲发生器工作原理的基础上，通过试验手段研究了该脉冲发生器的负载自适应性、脉冲波形可调性以及油液温升特性等相关机械动态特性。

1工作机理

图1是液压脉冲发生器结构原理图和实物图，该结构功能是使油液通过锥形间隙和小孔组合节流产生阻尼来吸收和消耗运动负载的动能，实现运动负载的紧急制动，使其获得一个波形可调的制动加速度脉冲。

(a)结构原理图(b)实物图图1　液压脉冲发生器结构原理图及实物图

冲击脉冲发生器工作过程中，运动负载以一定的速度推动活塞杆和活塞挤压阻尼腔的油液。在活塞运动的整个过程中，油液的流动状态分成三个不同的节流阶段。第一阶段在活塞进入节流环之前，阻尼腔的油液主要是通过图2a所示锐缘阀口和可调节流口排出；第二阶段为活塞进入节流环，图2a中的锐缘阀口消失，阻尼腔中油液由锥形间隙和可调节流口同时排出(图2b)；第三阶段为活塞锥形段完全进入节流阀中(图2c)，阻尼腔中油液由锥形间隙-环形间隙组成的通道和可调节流口排出。活塞在节流环运动过程中，由于油液的通流面积发生变化，所以节流产生了不断变化的阻尼力，使运动负载在阻尼腔高压油液的制动下获得一个冲击脉冲。由于阻尼力大小可以通过阻尼腔油液的等效通流面积来调节，所以冲击脉冲的幅值和脉宽调节可以通过控制可调节流口的通流面积来实现。

(a)节流第一阶段(b)节流第二阶段

(c)节流第三阶段图2　液压脉冲发生器节流过程

2脉冲发生器机械特性试验

为了考察脉冲发生器在进行瞬态冲击制动时所呈现出的一些独特机械特性，开展了对脉冲发生器在不同环形间隙、不同节流面积、不同运动负载速度下的制动性能以及温度场变化情况的一系列试验研究。图3和图4分别为试验原理图和试验装置系统现场实物照片，该试验系统主要由用于安装脉冲发生器的跌落试验台和数据采集及处理系统组成。在脉冲发生器上面安装了两个压力传感器和两个热电偶，分别用来测试脉冲发生器阻尼腔内不同位置的压力、油温和发生器的壁温。

(a)试验台总体结构图(b)脉冲发生器结构原理图1.加速度传感器　2.质量块　3.安装平台　4.导轨　5.脉冲发生器　6.安装支座　7.排气孔　8.液面　9.活塞　10.回油腔　11.压力传感器　12.调节装置　13.阻尼腔　14.热电偶(壁温)　15.热电偶(油温)　16.回油腔图3　脉冲发生器试验原理图

图4　脉冲发生器试验装置

图5为脉冲发生器的尺寸示意图，试验所用的脉冲发生器的尺寸如下：缓冲腔的内径d2=30mm，锥形活塞小端直径为d1-2h=24mm，活塞的高度h0=20mm，可调节流口的直径为5mm，节流环的高度L=100mm，回油腔的直径d=48mm，回油腔的高度为70mm(图3b中序号10所指环形通道的轴向尺寸)，排气孔的直径为10mm(图3b中序号7所指的孔)。质量块(包括安装平台)为7.5kg。油液体积弹性模量为700MPa，油液动力黏度系数为0.1。

图5　脉冲发生器的尺寸示意图

试验工况如表1所示，其中对可调节流口的调节只用了两种状态，开表示可调节流口通流面积全开，关表示可调节流口通流面积为零。通过更换锥形活塞来调节活塞与节流环之间的径向间隙。通过调整质量块的落差高度来实现冲击速度的调节。

表1　试验工况

3试验结果与分析

图6中实线为工况1质量块的加速度试验数据，对应的傅里叶变换如图7所示。由图7可知，质量块和活塞杆组成的振动系统的基本频率为900Hz(有限元计算的基频为898Hz)。由于质量块与活塞杆碰撞产生加速脉冲的高频成分高，引起质量块和活塞杆系统的振动，所以试验测试数据有高频振荡。为了得到由脉冲发生器产生加速度波形的清晰轮廓，对试验数据进行滤波，将系统振荡的高频滤掉，可以清晰地看到质量块加速度的形状。

图6　工况1质量块加速度时间历程

图7　工况1加速度的傅里叶变换

3.1脉冲发生器对运动负载的适应性

图8和图9分别表示当质量块以不同的速度(3m/s和4m/s)撞击脉冲发生器活塞杆时质量块的加速度时间历程和脉冲发生器中的瞬态压力。由试验结果可以看出，冲击速度越大，质量块的加速度峰值就越大，脉冲发生器中的压力也就越大，相反，质量块加速度脉冲的脉宽就越小，这说明锥形间隙脉冲发生器产生的加速度波形特性对外载负荷特性依赖性很强。

图8　质量块加速度时间历程(可调通道状态：开)

图9　阻尼腔内的瞬态压力(可调通道状态：开)

3.2环形间隙对加速度脉冲调节

图10和图11所示分别为脉冲发生器的冲击速度为4m/s时，活塞杆的制动加速度曲线和阻尼缸内的压力变化情况。从试验结果可以看出，活塞与节流环间隙的大小对加速度脉冲的幅值和脉宽影响非常明显。当环形间隙δ为0.05mm、0.08mm和0.1mm时，对应的加速度峰值分别为48g、40g和33g，脉宽分别为24ms、30ms和33ms。与此相对应的阻尼缸内的压力分别达到8MPa、6MPa和5.5MPa。试验结果说明，通过调整环形节流缝隙是实现对加速度波形调节的最有效手段。

图10　质量块加速度时间历程(v=4 m/s)

图11　阻尼腔内的瞬态压力(v=4 m/s)

3.3可调节流通道对加速度脉冲的调节

虽然通过改变脉冲发生器活塞与节流环的间隙可以明显地对脉冲的特性进行调节，但在实际操作中非常麻烦。因此在脉冲发生器结构中设置可调节流通道，其主要目的是在固定节流间隙的情况下，对制动加速度波形的幅值和脉宽进行一定范围的调整。在试验过程中，可调节流通道通流面积的调节是通过对调整螺母的旋转实现节流通道的关闭和开通而实现。固定节流缝隙为0.05mm，考察可调节流孔在关闭和开通情况下，对加速度的调节效果。

图12和图13分别表示可调节流孔的通流面积对质量块的加速度以及脉冲发生器内压力的影响。从试验结果可知，当可调节流孔处于关闭和开通状态时，对加速度的幅值和脉宽具有一定的调节作用。当可调节流通道处于关闭状态时，制动加速度的幅值有明显的升高，与此同时脉宽相应地变窄。阻尼腔内的压力也相应地增大。

图12　质量块加速度时间历程(v=4 m/s,δ=0.05 mm)

图13　脉冲发生器内的瞬态压力(v=4 m/s,δ=0.05 mm)

3.4脉冲发生器脉冲的平移特性

图14为工况4(表1)下锥形活塞小端与节流环的初始距离为零时，质量块的加速度试验曲线。从图14中可以看出，脉冲发生器的阻尼力在质量块接触活塞杆时刻就即刻增大，加速度峰值很快出现。

图14　工况4加速度试验曲线

图15的试验曲线为工况8下锥形活塞小端与节流环的初始距离为10mm时，质量块的加速度试验曲线和仿真曲线。从图15中可以看出，加速度峰值不像工况4那样出现得那么早，而是在时间轴上推迟出现，这一现象说明，通过调节活塞与节流环的初始距离可以调整加速度峰值在时间轴出现的位置。

图15　工况8加速度试验曲线

图14、图15中的仿真曲线由文献[7]中的脉冲发生器工作机理模型通过数值仿真方法获得。从试验结果可知，质量块在各种工况下撞击脉冲发生器活塞杆，由于脉冲发生器的节流阻尼作用，质量块被急剧制动，获得一个加速度脉冲，此脉冲的峰值约30g～50g，脉冲时间约10～15ms，脉冲波形与数值仿真分析预测波形非常接近，在脉冲峰值处和结束段有误差。理论与试验结果之间的偏差主要来自于制动末端加速度脉宽的“拖长”，是因为这种结构形式的脉冲发生器对运动负载有依赖性。

由于瞬时(ms级)冲击时间非常短，瞬时高压下油液存在可压缩性，还存在气化现象，很难通过油压或加速度信号反馈来及时调整脉冲波形；但由上文中分别通过调节节流间隙、节流通道和锥形活塞的初始位置很方便地实现对脉冲波形的调节可以看出，这种通过预设条件而不需反馈信号调整波形的开环前馈控制策略对脉冲波形调节可行有效。

3.5脉冲发生器油温和壁温

图16　工况1油液温度试验数据

图16为工况1油液温度变化曲线，温度最大变化不到4 ℃。图17为工况1脉冲发生器缸壁的温度变化曲线，温度最大变化不到2 ℃。上述试验数据说明：根据黏度与温度的关系，试验中油温的变化不大，温度对油液黏度的影响很小，可以忽略不计。

图17　工况1缸壁温度试验曲线

4结论

(1)脉冲发生器是将锐缘节流、缝隙渐缩、缝隙节流和小孔节流进行组合，通过调节不同阶段节流阻尼特性从而实现运动负载的缓冲制动，而且脉冲波形可调，可以满足相应冲击试验的要求。

(2)脉冲发生器的调节装置通过调节节流口的通流面积来实现对脉冲波形的调节，试验说明了这种调节措施的可行性和正确性。这种调节方法基于前馈开环控制思想，在技术上实现起来简单易行，从而避免了采用闭环反馈控制方法对波形控制调节的技术难题，尤其是在这种瞬间大流量工况，现有的伺服阀和控制方法都无法满足工程要求的情况下，采用开环控制方法是切实可行的。

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(编辑王艳丽)

收稿日期：2016-01-13

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51275369)

中图分类号：O351.2；TH113.2

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.12.014

作者简介：胡勇，男，1981年生。武汉理工大学物流工程学院讲师、博士。主要研究方向为港口机械结构动力学、起重机关键零部件优化。发表论文10余篇。季宦玉，男，1993年生。武汉理工大学物流工程学院硕士研究生。王贡献，男，1976年生。武汉理工大学物流工程学院教授、博士。

ExperimentalInvestigationonCharacteristicsofaNovelHydraulicShockPulseGenerator

HuYongJiHuanyuWangGongxian

WuhanUniversityofTechnology,Wuhan,430063

Abstract:A novel structure of shock pulse generator with combination of throttling by cone-shape spool and orifice was presented herein. Its mechanical dynamic properties were demonstrated experimentally such as: being able to self-adapt to the external loads applied to it; with high efficient dissipation of kinetic energy instantly; prompt and easy adjustment of the widths and amplitudes of shock pulses by changing the equivalent flow area of the damping orifices and the gap between the cone and inter wall of the cylinder. The experimental results indicate the feasibility of the open-loop control approach by changing the equivalent flow area to control the pulse waveform and the shock pulse generator can meet the requirements of various impact tests.

Key words:impact test; shock pulse generator; shock pulse; oil temperature rise