某火炮液压缓冲器缓冲特性研究

郝保臣，孙卫国，潘孝斌

(1.南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094； 2.南京常荣声学股份有限公司， 南京 210008)

缓冲器用于吸收高速机械的惯性冲击，防止刚性碰撞对机械设备造成损伤[1]。本文分析的某火炮液压缓冲器具有特殊用途：它是适应某火炮架体摆动的缓冲装置，并非火炮反后坐装置，被缓冲的架体与底座通过转动轴连接，在重力与缓冲力作用下做下摆转动，要求下摆过程缓冲力平稳、时间尽可能短、到位速度接近于零。为满足工作时间要求，整个运动过程是一个先加速后减速的过程，而速度的变化导致缓冲力的大小改变，需要通过调整流液通道截面面积对缓冲力大小进行调节。由于缓冲器流液孔流道特征变化较大，因此液压阻力系数K的值也具有极大变化范围，将K设定为一常量的设计方法不再适用，得到的仿真结果也不能满足实际需要。

黄景峰等[2]利用伯努利方程建立了一种液压缓冲装置的数学模型，在Simulink平台下搭建了缓冲器的计算模型，根据Simulink模型对结构参数进行仿真计算，并分析了流液孔等参数对缓冲性能的影响。张笑慰等[3]利用Matlab/Simulink环境，对气液缓冲器进行了仿真，分析了阻尼孔阻尼与速度的关系和液体粘度、气体压力等对缓冲器动态特性的影响。上述论文为相关领域研究提供了很好的思路，本文针对新设计的液压缓冲器如何确定液压阻力系数K以及其工程应用展开研究。

1 某火炮缓冲器结构与工作原理

某火炮装置结构简图如图1。架体通过转动轴与底座相连，液压缓冲器一端连接架体，一端连接底座。工作时将架体绕转动中心抬升至某一位置，迅速释放，使架体在重力作用下绕转动轴向下转动，缓冲器活塞杆被推进缓冲器缸体内。在液压阻力与重力的共同作用下，架体按照预定的规律向下摆动。

分析架体的运动可以得到如下的微分运动方程

(1)

Ff=p1·A1-p2·A2

(2)

式中：p1为活塞工作面所受平均压力，A1为活塞工作面面积，p2为活塞非工作面的平均压力，相应地，A2为活塞非工作面面积。

该液压缓冲器的结构示意图如图2，其中阻尼孔指的是活塞上开的通孔，节流杆的截面直径沿轴向变化，为加工制造方便，分为等截面圆柱段和变截面锥段。当活塞杆受外力作用向油缸内缩回时，无杆腔内液体压力升高，高于有杆腔，导致阻尼孔两侧油液存在压差，油液通过阻尼孔挤入有杆腔，形成液压阻力。通过节流杆与阻尼孔的配合，调节液压阻力，实现快速且平稳的缓冲下摆，并将末速度控制为接近于零。

节流杆与阻尼孔配合形成的流液孔通道是一圆环状流道。该流道间隙与直径比极小，不适合用流体力学给定的公式确定其沿程阻力损失。考虑通过流场仿真，模拟缓冲器内部流动，根据流场结果反推，确定液压阻力系数K的值。

2 液压阻力系数

2.1 流场建模

为了便于流场仿真分析，将活塞和筒壁边界固定，给定入流速度V和出口压力，进行等效运动处理,如图3所示。实际工作过程中，液压缓冲器的缸体固定，活塞杆运动。活塞杆运动速度V′与流场模型中的入流速度V的关系为

(3)

在实际应用中，缓冲器所提供的液压阻力的变化可以通过改变流液孔面积ax实现。在活塞阻尼孔尺寸一定的情况下，流液孔面积的变化，主要由节流杆直径决定，故节流杆的直径不是固定值，而是根据需要的工作特性按一定规律沿节流杆的轴向变化。为了方便研究液压阻力系数K与活塞杆速度V′、流液孔面积ax的关系，在建模过程中，将节流杆取为一个直径固定的圆柱体，通过建立多个模型，得到不同流液孔面积、入流速度时的K值。 进一步通过式(3)得到K与活塞杆速度V′的关系。

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伯努利方程如式(4)所示。

(4)

在图3所示的流动模型中，v1=ω，v2=V，ω为阻尼孔处绝对速度，V为入流速度。由流量连续性方程得到

(5)

式中：Ax为入流断面的面积；ax为活塞阻尼孔与节流杆配合形成的流液孔的面积。

假设流动能量损失Hr正比于动能，则有

(6)

忽略重力变化，根据连续性条件由式(4)推导得

(7)

综合考虑各种损失，将式(7)进一步简化为

(8)

式中：K为液压阻力系数，或称理论与实际符合系数[4]。根据式(8)有

(9)

式中：ρ、p2为给定值，Ax、ax均由流场模型决定。给定一个入流速度，通过流场仿真得到流场内部压力p1，即可由式(9)计算得到相应的液压阻力系数的值。

2.2 流场仿真

入流速度V设定为0.1～0.5 m/s,间隔0.1 m/s。例如以入流速度V=0.1 m/s得到的流场速度分布如图5所示。

通过设定不同的入流速度，得到活塞面上压力值，根据式(9)计算得到液压阻力系数K值，对得到的数据进行拟合，结果如图6所示。

2.3 液压阻力系数分析

在缓冲器结构尺寸固定的情况下，影响缓冲器内流场变化的主要参数为入流速度和节流杆直径。在实际应用中，节流杆的直径是沿轴向变化的。分别以节流杆直径为9.1～9.9 mm，间隔为0.2 mm,建立五个流场计算模型，按上述分析方法，得到计算结果如图7所示。

从图7的结果可知，随着节流杆直径的增加，阻尼孔内流道面积ax的减小，K值逐渐增大，当ax小到一定程度时，K值急剧增大。当入流速度V下降，也即活塞杆运动速度V′下降时，K值也有所增大。对于该液压缓冲器模型，液压阻力系数的理论取值范围为1.5～8.5。

3 仿真结果应用与验证

3.1 台架试验与运动仿真

为了测试液压缓冲器的工作效果，进行了台架试验。每次试验初始，活塞杆被拉出的长度均不同，进行多次试验，以测试架体在不同位置时，缓冲器的缓冲效果。通过试验不仅验证了液压缓冲器的工作效果，也得到了架体、活塞杆等的运动数据。

联立式(1)、式(2)、式(8)，利用Matlab/Simulink仿真环境，建立运动模型。在运动模型中，K值可以作为一个常量输入，也可以作为一个变量输入。当K作为一个变量输入时，K的确定方法如下：在节流杆的锥段上均匀选取八个点，根据此点的流液孔面积ax和活塞运动到此点的速度，利用图7通过线性插值法确定仿真模型中该点的K值。其中速度的值参考K取常量时仿真得到的活塞运动到此点的速度值。由于运动模型是关于架体角位移θ的微分方程组，将K值与活塞运动到节流杆某点时架体角位移θ的值一一对应，得到K值与θ的函数关系，如图8所示。

实际的K与θ的函数关系应为一连续的曲线，但是这种关系只能通过试验反推得到。设计时，很难找到函数K=f(θ)的准确表达式，因此只能用分段函数近似。这种近似方法，对于缓冲器性能的研究是有效的。通过仿真结果与实验数据的对比，验证了液压阻力系数动态取值的合理性。

3.2 运动仿真结果分析

分别取K=3、5，进行K为常量的运动仿真，并与K为变量时的仿真结果进行对比，结果如图9所示。

图9表明，K值取固定值得到的仿真结果与利用Fluent结果插值得到的仿真结果差别比较明显。其中K=3时得到的仿真结果，在运动的初始阶段与用Fluent结果插值得到的仿真结果相近，但在运动的截止时间上差别较大。利用本文插值法得到的位移曲线与试验曲线对比如图10所示。

图10展示了活塞位移分别为218 mm和153 mm时，试验结果与Simulink仿真结果的对比。可见，利用本文插值法得到的仿真结果与试验数据吻合。

如图11所示，活塞杆的速度先增加后减小，仿真结果显示缓冲结束时活塞杆速度为0.009 3 m/s，接近于零。图12为仿真得到的缓冲过程中缓冲力的大小变化过程，缓冲力在0.565 s时达到2.062 7 N的最大值,随后有所减小并保持稳定。通过试验验证，动态取K值方法与实际相符，设计的缓冲器满足使用要求。

4 结论

1) 根据流场仿真得到的K值与真实值相符。在运动模型中，根据V、ax的值选取适当的K值代入，可以得到与真实运动相一致的结果。

2) 对K进行动态取值的运动模型可以很好的预测缓冲时间、最大缓冲力等动力学参数。新的K值确定与选取方法的应用，为缓冲器的设计及其工作效果的预测、评估提供了较为可靠的参考。