翁石光，王麗娟

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航海系，福建 廈門 361012)

0 引 言

船舶主機(jī)、發(fā)電機(jī)等作為船舶重要?jiǎng)恿υO(shè)備，在工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)及噪音較大。為此，研究人員通常采用隔振的方式來降低噪音及振動(dòng)等，以免其向船體其它部位的傳播，進(jìn)而提高船舶乘坐的舒適性[1]。

但是在采用隔振方式時(shí)，由于主機(jī)及發(fā)電機(jī)等大型設(shè)備與底座之間為彈性連接，為了避免惡劣海況及爆炸沖擊中，船舶軸系及管路極易因?yàn)樵O(shè)備的大位移而受到損壞，通常需在大型設(shè)備周圍安裝阻尼器，以限制設(shè)備的大位移[2]。

近年來，國內(nèi)外研究人員對船用阻尼器進(jìn)行了大量研究。這些研究內(nèi)容主要包含以下兩類：(1)機(jī)械式阻尼器。其采用純機(jī)械傳動(dòng)，不存在密封材料，避免了工作液的泄露；但機(jī)械式阻尼器存在著結(jié)構(gòu)尺寸大、載荷范圍小、容易卡死、可靠性低等缺點(diǎn)[3-4]；(2)液壓式阻尼器。其低速摩擦阻尼力小、載荷范圍大、不易卡死、可靠性高；但其也存在一定的缺點(diǎn)，比如具有儲油室、活塞行程大、閉鎖速度范圍大等等[5]。船用液壓阻尼器需具有載荷大、安裝空間小、體積小的特點(diǎn)，因此需對阻尼器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

針對以上的問題，在對液壓阻尼器進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，筆者將閉鎖速度靈敏度作為優(yōu)化目標(biāo)，基于孔口流動(dòng)原理建立約束條件，對阻尼器控制閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；同時(shí)，筆者采用AMESim建立阻尼器及試驗(yàn)臺仿真模型，將優(yōu)化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析，通過仿真結(jié)果的對比驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的閉鎖響應(yīng)性；通過樣機(jī)試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比，進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。

1 液壓阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船用液壓阻尼器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓阻尼器結(jié)構(gòu)圖

缸體由活塞分為左、右兩腔室，當(dāng)活塞軸向移動(dòng)時(shí)，由于活塞桿、輔助活塞桿直徑相同，油液可由一個(gè)腔室完全流入另一個(gè)腔室[6]。因此，阻尼器無需儲油腔，減小了體積。

活塞內(nèi)置控制閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 阻尼器控制閥結(jié)構(gòu)圖

活塞內(nèi)置控制閥的工作原理如下：

閥芯沿軸向向左移動(dòng)時(shí)，油液由阻尼器左腔室流入，通過小孔經(jīng)環(huán)形腔由錐形閥口流出；此時(shí)，由于油液流經(jīng)小孔及錐形孔時(shí)產(chǎn)生壓降，閥芯左、右部分存在壓差，當(dāng)壓差增加直至克服彈簧推力時(shí)，閥芯右移，左側(cè)錐形閥口閉合，此時(shí)活塞移動(dòng)速度即為阻尼器自鎖速度；阻尼器自鎖，左、右兩腔室油液停止流動(dòng)，活塞靜止，阻尼器為剛性支撐。

2 阻尼器建模

當(dāng)活塞以速度v沿軸向向左移動(dòng)時(shí)，油液流量[7]為：

(1)

式中：D—活塞直徑；d—活塞桿直徑；A—有效作用面積。

油液經(jīng)閥芯小孔產(chǎn)生壓降，根據(jù)長徑比，將小孔視為短孔，則流量公式為：

(2)

式中：Cd—流量系數(shù)；d0—小孔直徑；n—小孔個(gè)數(shù)；p1—小孔前油壓；p2—小孔后油壓；ρ—油液密度。

錐形閥口的油液流量公式為:

(3)

式中：φ—閥芯錐角半角；d2—閥座內(nèi)控直徑；x—閥口開度；p3—錐形閥口后部壓力。

由此可得閥芯液壓力[8]為：

(4)

根據(jù)式(1～3)，對式(4)進(jìn)行整理可得：

(5)

由于閥芯結(jié)構(gòu)及所受液壓力確定，則閥芯質(zhì)量與閥芯直徑之間關(guān)系式為：

(6)

為提高閥芯對速度的靈敏度，對式(6)進(jìn)行優(yōu)化，即：

(7)

視阻尼器閉鎖前的活塞移動(dòng)為穩(wěn)態(tài)過程，即錐形閥口開度為固定值，此時(shí)閥芯小孔處油液流通面積最小，流速最大。

由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》可知，閥芯小孔處油液流速應(yīng)不大于10 m/s，筆者設(shè)定其流速為9 m/s，由此可得：

(8)

阻尼器移動(dòng)速度小于閉鎖速度時(shí)，無支撐力，應(yīng)盡量降低移動(dòng)阻力。液壓阻尼器低速移動(dòng)阻力主要為活塞兩側(cè)壓差產(chǎn)生的推力及密封件摩擦力。由其性能參數(shù)要求可知，低速移動(dòng)阻力應(yīng)小于額定載荷的2%；而密封件摩擦力相較于壓差推力過小，可忽略不計(jì)。

于是活塞壓差推力可表示為：

2(p1-p3)A≤0.02peA

(9)

將式(1～3)代入式(9)可得：

(10)

阻尼器性能參數(shù)如表1所示。

表1 液壓阻尼器性能參數(shù)

在綜合考慮阻尼器性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，由式(7，8，10)可得優(yōu)化目標(biāo)為：

max(X1+KX2)

(11)

該優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的確定，可在確保液壓阻尼器性能的基礎(chǔ)上，提高閉鎖速度靈敏度，減小阻尼器體積，以便于安裝和維護(hù)。

其約束條件為：

(12)

常規(guī)值與優(yōu)化值的選取如圖3所示。

圖3 常規(guī)值與優(yōu)化值選取

常規(guī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)控制閥性能參數(shù)表如表2所示。

表2 常規(guī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)控制閥性能參數(shù)

取最優(yōu)值為點(diǎn)A，可得X1=0.028，X2=0.118，經(jīng)計(jì)算優(yōu)化，設(shè)計(jì)控制閥的參數(shù)如表2中A組所示。

為了便于常規(guī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，筆者取圖3中優(yōu)化目標(biāo)邊界及優(yōu)化目標(biāo)內(nèi)的B、C兩點(diǎn)作為常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)果。其中，在B點(diǎn)時(shí)X1=0.028，X2=0.06；在C點(diǎn)時(shí)X1=0.01，X2=0.118。

3 建模仿真與試驗(yàn)分析

3.1 阻尼器仿真模型建立

筆者通過AMESim建立阻尼器模型及液壓加載試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚9]，如圖4所示。

阻尼器仿真模型包括BAP12缸體子模型、BHO013閥芯短孔模型、BAP025錐形滑閥閥口模型、BAP12閥芯后端模型、MAS005帶限位及阻力的閥芯質(zhì)量模型、SPR000A線性彈簧模型。

圖4 AMESim仿真模型

液壓加載試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶℉J001雙出桿液壓缸模型、HFLOC恒流液壓源模型、三位四通換向閥模型。系統(tǒng)中，加載液壓缸最大輸出力通過溢流閥進(jìn)行限定，通過換向閥控制加載液壓缸移動(dòng)方向。

3.2 常規(guī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果對比

通過對表2中的3組控制閥參數(shù)進(jìn)行處理，筆者得到阻尼器閉鎖的速度仿真曲線，如圖5所示。

圖5 阻尼器閉鎖速度曲線

由圖5可知：當(dāng)阻尼器速度達(dá)到290 mm/min時(shí)，阻尼器開始自鎖，直至停止移動(dòng)，且優(yōu)化設(shè)計(jì)較常規(guī)設(shè)計(jì)的閉鎖時(shí)間更短。

由此可知，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，阻尼器的閉鎖響應(yīng)更好。

3.3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

利用阻尼器試驗(yàn)臺，筆者將所設(shè)計(jì)的阻尼器試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行閉鎖速度試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)及仿真曲線如圖6所示。

由圖6的對比結(jié)果可知：試驗(yàn)與仿真結(jié)果中，推力曲線及速度曲線變化情況相似，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。

二者產(chǎn)生差異的主要原因分析如下：

(1)達(dá)到閉鎖速度后，由于樣機(jī)試驗(yàn)中控制閥關(guān)閉，液壓系統(tǒng)存在慣性，難以立即停止，導(dǎo)致試驗(yàn)曲線中的速度下降曲線滯后于仿真曲線中的速度下降曲線[10-12]；

(2)阻尼器速度降為0時(shí)，壓縮腔內(nèi)的壓縮油液存在體積膨脹，阻尼器反向移動(dòng)；且阻尼器推力為最大值時(shí)，溢流閥打開，推力微降。因此，試驗(yàn)中當(dāng)速度降為0時(shí)，試驗(yàn)樣機(jī)中速度曲線存在反向速度；且當(dāng)推力達(dá)最大值時(shí)，推力曲線存在一定的下降趨勢。

圖6 試驗(yàn)曲線與仿真曲線對比分析

4 結(jié)束語

基于孔口流動(dòng)原理，筆者建立了船用液壓阻尼器的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，通過求解得出了優(yōu)化結(jié)果，完成了控制閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；利用AMESim對優(yōu)化設(shè)計(jì)及常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了對比分析；最后將優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。

由仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可知：對阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有效提高控制閥閉鎖的快速響應(yīng)性，從而提高阻尼器的閉鎖響應(yīng)。