液压约束活塞发动机主运动系统间隙误差影响分析

孙龙飞　霍炜　樊华敏　臧政

摘要：针对液压型约束活塞发动机（hydraulic constrained piston engine，HCPE）主運动系统的运动精度对系统流量特性的影响，本文以液压约束活塞发动机为研究对象，利用ADAMS和AMESim建立主运动系统的运动学模型和液压模型，分析系统间隙误差对系统运动规律、运动副作用力和流量脉动特性的影响。研究结果表明，间隙误差对系统的位移、速度等运动规律影响不大;在气缸与动子活塞-滑块、连杆大头与曲轴曲柄之间存在间隙误差，对其产生的作用力有较大影响，且随着间隙误差的增大而增大，从而影响系统的运动稳定性，降低系统的使用寿命;间隙误差对系统流量脉动影响较大，导致零部件振动增强，影响整机的使用性能。该研究为HCPE的优化设计提供了理论依据。

关键词：HCPE; 运动学模型; 间隙误差; 流量脉动

中图分类号： TH113.2+2文献标识码： A

文章编号： 1006-9798（2020）02-0104-06; DOI： 10.13306/j.1006-9798.2020.02.016

目前，在汽车、轮船等领域广泛采用以传统的内燃机产生的热能转换成机械能，再利用柱塞泵将机械能转换成液压能的方式[1-2]。在传统的内燃机和柱塞泵组合系统中，由于内燃机和柱塞泵串联在一起，结构复杂，且存在能量传输线路长、利用效率低等问题[3-5]。因此，在2009年青岛大学设计出一种新型热能-液压能转换装置——液压约束活塞发动机（HCPE），该系统将内燃机和柱塞式液压泵集成，可解决传统内燃机-柱塞泵组所存在的问题[6]。HCPE的运动稳定性、流量脉动特性等是系统的主要特性，气缸与动子活塞-滑块、连杆大头与曲轴曲柄、动子活塞-滑块与活塞销间产生的间隙误差对系统的运动规律、运动副的作用力及流量脉动特性等产生重要影响。近年来，国内外诸多学者对机构的运动可靠性进行研究，赵竹青等人[7]针对内燃机的活塞-曲柄连杆机构在运动可靠性方面进行研究;李昌等人[8]运用ADAMS软件，采用有效长杆理论模型，研究了曲柄滑块机构的可靠性;冯元生等人[9-12]对不同机构之间的摩擦磨损进行了分析，指出了对于磨损可靠性中存在的三大重要问题，建立失效判据，并提出关于机构磨损可靠性的模糊算法等。国内还有很多学者针对飞机的升降起落、升降舵的操作以及飞机货仓门锁等机构进行分析优化[13-15]。同时，国外许多学者利用计算机仿真理论对机构运动精度及可靠性进行仿真分析[16-19]。基于此，本文主要以HCPE为研究对象，分析主运动系统的间隙误差对系统运动规律、运动副作用力及流量特性的影响。该研究为HCPE的优化设计提供了依据。

1HCPE工作过程分析

1.1HCPE工作原理

轴向HDPE由3个工作室组成。其中，第1工作室即是燃烧系统工作室，它的原理与普通内燃机燃烧室相同，有进气、压缩、做功、排气4个冲程，动子活塞-滑块运行4个冲程通过燃料燃烧产生一个工作循环的

内能转换成直线运动的动能。

第2工作室为液压系统工作室，其工作原理与普通柱塞泵相同，有吸水和压水两个工作过程，是将直线运动的动能转换成柱塞泵的液压能。

第3工作室为辅助系统工作室，由于曲柄连杆机构的运动，限定了动子活塞-滑块运动的工作行程，因此确定动子活塞-滑块运动的上、下止点，以保证组件连续正常运动。此外，辅助系统还包括配气、燃料供给、冷却、润滑等多个系统，从而使整体工作系统实现定时、配合、连续有效的运行[20]。轴向HDPE工作原理如图1所示。

1.2HCPE主运动系统的运动方程

HCPE主运动系统受力图如图2所示。

工作的初始点在活塞的上止点，活塞的位移x为

因此，有

式中，h为动子活塞-滑块轴向长度，m;r为曲轴曲柄半径，m;l为连杆小头和大头的中心距，m;φ为曲轴转角，rad;β为连杆摆角，rad。

2HCPE主运动系统模型

首先给出HCPE的结构参数，HCPE的结构参数如表1所示。其次利用ADAMS建立系统动力学模型，ADAMS中的HCPE模型如图3所示。利用AMESim建立液压系统模型，AMESim中液压系统模型如图4所示。采用系统动力学模型可以对主运动系统的运动规律、运动副之间的作用力、输出流量脉动特性进行仿真。

3仿真分析

系统因设计、安装等原因在气缸与动子活塞-滑块、动子活塞-滑块与活塞销、连杆大头与曲轴曲柄间存在间隙误差，本文讨论上述间隙误差对主运动系统运动规律、运动副之间作用力及流量脉动特性的影响。

3.1间隙误差对运动规律的影响

系统在气缸与动子活塞-滑块产生的侧向间隙误差对主运动系统的运动规律产生影响。当间隙误差分别为0.04，0.16，0.22 mm，理想状态时，动子活塞-滑块的运动规律如图5所示。

由图5可以看出，气缸与动子活塞-滑块之间的间隙误差对动子活塞-滑块的位移、速度的影响较小，对组件的加速度影响较大，且间隙误差越大，波动越大，与理想状态相比，在0.04，0.16，0.22 mm三个不同的间隙误差下，加速度波动幅值分别为6 213，8 041，11 911 m/s，波动的平均值分别为1 104，1 477，2 252 m/s。由此可以说明，间隙误差的增大可导致较大的惯性力，影响运动的平稳性。

3.2间隙误差对运动副作用力的影响

系统在气缸与动子活塞-滑块的间隙误差，对其产生的侧向力有影响，气缸与动子活塞-滑块的侧向力及波动如图6所示。同时，在连杆大头与曲轴曲柄的间隙误差，对曲轴曲柄竖直方向的作用力产生影响，连杆大头与曲轴曲柄的竖直方向受力及波动如图7所示。

与理想状态相比，在0.04，0.16，0.22 mm三个不同间隙误差下，气缸与动子活塞-滑块侧向力的波动幅值分别为2 922，4 038，5 533 N，波动平均值分别为337.6，359.8，521.0 N;连杆大头与曲轴曲柄在竖直方向上的受力波动幅值分别为14 199，35 944，45 869 N。

由此表明，氣缸与动子活塞-滑块、连杆大头与曲轴曲柄的间隙误差增大，导致其受到的相互作用力增大，波动增大，使构件的使用寿命变短、使用可靠性和运动稳定性降低。因此，需要提高主运动系统的运动精度、使用寿命和运动稳定性。

3.3间隙误差对流量脉动的影响

1）动子活塞-滑块与活塞销间隙误差的影响。动子活塞-滑块和活塞销间隙误差对流量的影响如图8所示。由图8a可以看出，动子活塞-滑块与活塞销间隙误差的增大，使输出流量脉动也不断增大;由图8b可以看出，在0.04，0.06，0.08 mm的间隙误差下，达到瞬时流量的差值分别为0.353，0.793，0.818 L/min。

2）气缸与动子活塞-滑块间隙误差的影响。气缸与动子活塞-滑块的间隙误差对流量的影响如图9所示。由图9a可以看出，气缸与动子活塞-滑块间隙误差的增大，使输出流量脉动的变大;由图9b可以看出，在0.04，0.16，0.22 mm的间隙误差下，达到瞬时流量差值的分别为0.953，1.668，2.046 L/min。

3）连杆大头与曲轴曲柄间隙误差的影响。连杆大头与曲轴曲柄的间隙误差对流量的影响如图10所示。由图10a可以看出，连杆大头与曲轴曲柄间隙的误差增大，使输出流量脉动也增大;由图10b可以看出，在0.04，0.12，0.18 mm不同的间隙误差下，达到的瞬时流量差值分别为1.016，1.293，2.178 L/min。

4结束语

本文对液压约束活塞发动机的主运动系统建立运动方程，利用ADAMS和AMESim建立系统的动力学模型和液压模型，对气缸与动子活塞-滑块、动子活塞-滑块与活塞销及连杆大头与曲轴曲柄间隙误差对系统运动规律、运动副作用力及流量脉动的影响进行了仿真。在运动学方面，系统的间隙误差增大对主运动系统的运动规律影响较小，但加速度产生较大波动;在受力方面，随着系统间隙误差的增大，气缸与动子活塞-滑块、连杆大头与曲轴曲柄运动副之间受到的作用力也随之增大，使构件磨损加快，使用寿命降低;在流量脉动方面，随着间隙误差不断增大，流量脉动也随之增大，使液压系统在使用过程中振动增加，噪声增大，降低了系统的使用寿命，影响整机使用性能。液压约束活塞发动机主运动系统的可靠性还受尺寸误差、综合误差等影响，考虑尺寸误差运动学输出方程、尺寸误差影响方式等原因，本文未解决尺寸误差对主运动系统可靠性的影响。该研究为以后双元动力的研究提供了更加深厚的理论基础。

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Influence Analysis of Clearance Error in Main Constraint System of Hydraulic Confined Piston Engine

SUN Longfei， HUO Wei， FAN Huamin， ZANG Zheng

（School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：Aiming at the influence of the motion accuracy of the main motion system of the hydraulic constrained piston engine （HCPE） on the flow characteristics of the system， this paper the hydraulic constrained piston engine as the research object. The kinematics model of main kinematics system using ADAMS and the hydraulic model of the main kinematics system using AMESim are established to analyze the effect of the system clearance error on the system motion law， motion side-effect force and flow pulsation characteristics. The research results show that： the clearance error has little effect on the movement laws of the system's displacement and speed， etc; the clearance error between the cylinder and the mover piston-slider， the connecting rod head and the crankshaft has a large effect on the force produced by it and it increases with the increase of the clearance error， which affects the system's motion stability and reduces the service life of the system; the clearance error has a greater effect on the system flow pulsation， resulting in increased vibration of parts and components and affecting the performance of the entire machine. The research provides a theoretical basis for the optimal design of HCPE.

Key words：HCPE; Kinematics model; Clearance Error; flow pulse

收稿日期： 2019-12-18; 修回日期： 2020-02-10

基金项目： 山东省重点研发计划（2017GGX50106）

作者简介： 孙龙飞（1993-），男，硕士研究生，主要研究方向为车辆节能减排与新能源技术。

通信作者： 霍炜，女，硕士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为车辆节能减排与新能源技术。 Email： qdhuowei@126.com