重型机械液压阻尼器的设计和应用

肖琴 吕涛 丁姝元 李铮 王子怡

【摘 要】本研究设计了一种由蓄能器作为储能元件和提供摩擦的节流孔组成的液压装置，以抑制机器在运行过程中的振动。首先，根据理想气体定律建立了气体弹簧的模型。为了用图形模拟工具对气体过程进行建模，需要找到一种可以与数值求解器集成的气体定律形式。为了模拟实际工况，利用范德华方程对模型进行了改进，对任何状态变化都应用统一的模型表示。之后利用绝热和等温的特殊状态变化进行了验证。确定了蓄能器容量和孔口尺寸等尺寸参数后，最后确定了操作参数和极限参数。阻尼器的工作过程包括气体预充至预定压力、近等温静态加载过程和动态运行过程中的绝热变化。

【关键词】振动阻尼;液压阻尼;气体定律

引言

山特维克公司的阿尔卑斯矿的采矿机械，在运行过程中会受到剧烈的振动。需要采取减震措施。本项目的目标是研究使用支撑千斤顶的液压缸来抑制振动的可能性。为此，必须设计一个用作弹簧的液压存储元件（蓄能器）和一个提供摩擦的节流装置，以期在施工前的仿真模型中达到测试系统的效果。现有的机器复杂机械仿真模型必须用所提出的阻尼系统的适当模型进行扩展，目前需要解决的主要问题是建立具有弹性特性的蓄能器中气体体积的模型，特别是热分析行为。文中给出了设计参数和建立动态仿真模型所必需的步骤。

配备有用于运动的液压缸的支撑千斤顶的系统，是由液压蓄能器和节流孔板组成的。该设备的基本方案，就是所述仿真工作的主题。

1.专业术语

P蓄能器的预充压力;V蓄能器的标称体积;P机器在静止期间支撑时的气缸压力;V体积（气体）当机器在静止期间支撑时的气缸压力;k对于氮气绝热指数k=1.4;Ac，A气缸活塞面积和气体边界表面面积蓄能器;x，y活塞位移和气体边界位移;V，v气体体积和比气体体积;P，Pv孔板名义压降和实际压力损失;q孔板名义流量P;kv孔板常数;Fs汽缸弹簧力（与活塞位置有关）;Fr阻力摩擦力（与活塞速度有关）;R，R i通用气体常数，比气体常数;m，n气体量，质量或摩尔绝对温度;Q，W，E传热，机械功和能量。

2.液压蓄能器

液压蓄能器为系统提供弹簧特性。第一种设计通常是从理想气体定律出发，利用理想气体方程进行的：

理想气体的状态变化用下列方程描述：

等容态变化：

等温状态变化：

绝热状态变化：

在使用蓄能器之前，先执行充注过程，将装置预加载到一定压力。它包括氮气瓶的绝热膨胀和蓄电池容积的绝热压缩。根据经验我们知道，预压后的压力变化不大，因此这一复杂的过程不会被评估，而只是假设在体积为V时以给定的初始压力P开始。当机器静止不动并应用支撑千斤顶时，蓄能器中的压力再次增加。气体体积的温度也会增加，但还有一段时间会再次下降。所以这是一个等温过程，产生一个压强，也就是静态工作压强。根据Equ.3可算得气体体积为

机器开始工作时会发生振荡。由于变化很快，这是一个绝热过程。来自Equ.4的实际压力如下：

如果有人对工作点附近与蓄能器相连的气缸产生的弹簧常数感兴趣，可以通过以下公式来求：

对于简化的模拟，气缸活塞对外部载荷的弹性反作用力仅取决于气缸活塞的位移x，也遵循Equ.6。

3.孔板摩擦的引入

蓄能器为阻尼器提供弹性特性。为了将动能耗散为热量，需要一个摩擦元件。对此可以应用孔板。流量与压降之间的关系为：

这种简单的模式被首次用于阻尼器的设计，摩擦力与速度的平方成正比，使用孔以外的其他设备可以提高散热性能。

4.理想气体蓄电池的仿真模型

要模拟包含气体体积的系统，必须找到一种可以通过求解器积分的气体定律形式。对控制容积（蓄能器的气体容积）应用热力学第一定律，即能量守恒定律。

Q描述了从状态1到状态2变化期间系统表面的热交換。从气体体积W12输出的机械功是正确的。它由机械的“轴功”和具有比体积vi的进气的流动功组成。原始体积的能量从E变为E。忽略了势能和动能，所以流体能E只包含内能。没有化学反应，这种能量就是热能。定容比热的定义。用焓收集气体的体积功和内能，这可以用恒压下的比热来表示，假设cp为常数，积分从T=0到Ti，给出，给出了温度T的一个微分方程，该方程可以在无奇异性的情况下进行数值求解。用Equ.1使用比气体常数可以找到体积的压力。这个模型适用于理想气体的任意状态变化。它很容易通过一个定义的状态变化来验证，并将结果与Equ2、3或4进行比较。此外，还显示出了绝热变化和等温变化。为了保持温度恒定，适当控制热交换。理想气体定律pV =nRT对于液压蓄能器中使用的高压可能不够精确。用范德瓦尔斯模型可以进行改进。使用van der Waals方程的原因是，它在数学上非常简单，但仍然表现出临界和相变行为，并预测了一阶气液相变。它包含两个新的常数a和b，每个气体都是唯一的，给出这些值的表格可以在许多文本中找到。引入常数a来修正分子间的引力，引入常数b来解释分子所占的体积。

使用范德华方程的真实气体过程的完整模型在这项设计中已经诞生。系统首先计算初始气体质量，然后开始模拟动态过程。

5.应用

现在，气体过程的模型是完整的，并且可以被封装以供应用，10升的初始容积压缩为2升。与理想气体溶液相比，压力和温度都略高。应该注意的是，这里所示系统的目的不是以图解的方式求解气体方程，而是模拟一个随时间变化的任意过程，其目标是实现与机械系统的协同仿真，并与环境的热交换进行建模。

6.结语

本文所提出的模型很好地优化了阻尼系统的设计。结果表明，机械设计限制了吸能效果的实现。实际的实现尚待实现。理想气体模型和实际气体模型之间的差异对阻尼系统的设计并不重要。然而，van der Waals模型不适合非常精确的计算，因为临界常数的个别值与实验不太一致，尽管它在定性方面很有用。

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（作者单位：1.上海振华重工（集团）股份有限公司;2.中国矿业大学徐海学院;3.重庆市三峡医药高等专科学校;4.中国矿业大学徐海学院;5.山西传媒学院）