趙敏，楊波，李偉

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,烏魯木齊市,830017)

0 引言

液壓沖擊現(xiàn)象廣泛存在于各類機(jī)械設(shè)備中,尤其是工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、航空航天等設(shè)備中。它是造成機(jī)械振動(dòng)、液壓管路破裂及水錘現(xiàn)象的主要成因。造成液壓沖擊現(xiàn)象的原因是多方面的,其中主要原因:一是液流慣性導(dǎo)致的液壓沖擊,由于液流管道內(nèi)部流體迅速關(guān)閉和轉(zhuǎn)向,使得液流的速度與方向突然發(fā)生變化;二是工作中的部件突然發(fā)生制動(dòng)或換向動(dòng)作,因工作部件產(chǎn)生的液壓沖擊;三是氣泡從低壓油液進(jìn)入高壓油液后,受到壓力的影響發(fā)生破裂,破裂會(huì)導(dǎo)致局部產(chǎn)生特別高的溫度和壓力,內(nèi)部液流狀態(tài)從平流狀態(tài)過(guò)渡到湍流狀態(tài),引起振動(dòng)和噪聲[1]。

針對(duì)液壓沖擊現(xiàn)象造成的一系列問(wèn)題,近年來(lái)學(xué)者們提出了很多種抑制液壓沖擊的方法。本文分別從液壓系統(tǒng)動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件以及輔助元件方面進(jìn)行闡述,并對(duì)未來(lái)抑制方法研究的趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 液壓沖擊抑制方法研究現(xiàn)狀

1.1 動(dòng)力元件

液壓泵作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件,將原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力能輸出,為執(zhí)行元件提供壓力介質(zhì)。按照流量是否可以調(diào)節(jié),可以將液壓泵分為定量泵和變量泵兩種類型[2]。

1.1.1 定量泵抑制液壓沖擊方法研究

定量泵是指泵在工作時(shí)間內(nèi)排出的油液體積是固定不變的。曹中一等[3]在研究混凝土泵泵送系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)在換向閥進(jìn)行換向工作時(shí),減小泵的排量可以有效減小液壓沖擊。丁剛[4]根據(jù)這一特性設(shè)計(jì)了圖1所示的變頻驅(qū)動(dòng)液壓絞車系統(tǒng),采用變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵,通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變輸出流量,在AMESim軟件上搭建閉環(huán)控制的變頻驅(qū)動(dòng)液壓絞車系統(tǒng),仿真發(fā)現(xiàn)在載荷突變時(shí),系統(tǒng)仍然處于相對(duì)比較平穩(wěn)的狀態(tài)。

圖1 變頻驅(qū)動(dòng)液壓絞車系統(tǒng)工作原理Fig. 1 Working principle of the variable frequency drive hydraulic winch system

同樣張慧賢等[5]在此基礎(chǔ)上利用AMESim構(gòu)建閉式液壓系統(tǒng)用以研究液壓泵流量、溢流閥壓力以及系統(tǒng)負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)向特性的影響,結(jié)果表明:較低的流量輸出可減小液壓沖擊,過(guò)高的載質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生較大的液壓沖擊,加入蓄能器能大幅改善液壓缸工作壓力的穩(wěn)定性。

1.1.2 變量泵抑制液壓沖擊方法研究

變量泵是指排量可以發(fā)生改變的泵。張軍等[6]利用變量泵特性搭建了負(fù)載敏感系統(tǒng),對(duì)泵排量調(diào)節(jié)滯后于閥的關(guān)閉速度進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)閥的關(guān)閉速度越快,引起的液壓沖擊越大,采用防沖擊閥可有效地消除液壓沖擊。牛瑞利等[7]提出在泵控子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置流量前饋,經(jīng)過(guò)仿真模擬發(fā)現(xiàn)能夠有效地降低壓降波動(dòng)。

一些學(xué)者也提出利用泵閥聯(lián)合的方式減少液壓沖擊。丁海港等[8]提出了閥泵并聯(lián)分時(shí)變結(jié)構(gòu)調(diào)速方案,解決了大功率液壓調(diào)速系統(tǒng)中效率與響應(yīng)的矛盾,并兼顧系統(tǒng)的低速穩(wěn)定性和加減速平穩(wěn)性。張振等[9]研究發(fā)現(xiàn)泵閥聯(lián)合EHA在液壓泵源供油能力不足時(shí)會(huì)引起液壓沖擊,通過(guò)引入前饋控制,設(shè)計(jì)了圖2泵閥聯(lián)合EHA系統(tǒng),可以有效提高響應(yīng)速度,降低液壓沖擊。另一些學(xué)者在研究壓力脈動(dòng)問(wèn)題中,發(fā)現(xiàn)采用壓力脈動(dòng)衰減器[10]在一定程度上也可以減少液壓沖擊。

圖2 泵閥聯(lián)合EHA組成原理Fig. 2 Composition principle of pump valve combined with EHA

因此,動(dòng)力元件主要是通過(guò)改變泵的流量大小抑制液壓沖擊,但是其抑制效果取決于流量調(diào)節(jié)裝置的響應(yīng)時(shí)間和調(diào)節(jié)范圍,響應(yīng)時(shí)間越快,調(diào)節(jié)范圍越小,抑制效果越好,適用于對(duì)液壓沖擊抑制的實(shí)時(shí)性和頻次要求不高的場(chǎng)合。

1.2 執(zhí)行元件

液壓馬達(dá)和液壓缸作為常見的兩種液壓執(zhí)行元件,其作用是將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,在液壓油的作用下輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩用來(lái)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。

1.2.1 液壓馬達(dá)抑制沖擊方法研究

液壓馬達(dá)在工作中因?yàn)閴翰畹脑驑O易產(chǎn)生氣穴,氣穴破裂會(huì)導(dǎo)致局部產(chǎn)生特別高的溫度和壓力,引起強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲。王建利等[11]利用AMESim軟件對(duì)五星式徑向柱塞馬達(dá)配流軸進(jìn)行疲勞分析,發(fā)現(xiàn)通過(guò)降低壓強(qiáng)波動(dòng)可以抑制液壓沖擊。郭霽賢[12]以柱塞馬達(dá)為研究對(duì)象,建立三維模型運(yùn)用Fluent仿真模擬軟件分析油液流動(dòng)特性和空化特性,發(fā)現(xiàn)在配流階段適當(dāng)?shù)母淖冞M(jìn)口壓力和背壓力可以明顯抑制空化現(xiàn)象,并提出一種新型組合型阻尼槽結(jié)構(gòu)。

馬達(dá)轉(zhuǎn)速波動(dòng)會(huì)影響工作的平穩(wěn)性,造成機(jī)械振動(dòng)。王坤[13]通過(guò)建立二端面轉(zhuǎn)軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)方程,研究轉(zhuǎn)速波動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上劉暢暢等[14]建立關(guān)于多參量與馬達(dá)耦合的動(dòng)力學(xué)模型,發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越低馬達(dá)引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)越大,在工作條件允許的范圍內(nèi)可選擇較高轉(zhuǎn)速的電機(jī)保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。柳金利[15]利用積分補(bǔ)償算法控制液壓馬達(dá)伺服系統(tǒng)經(jīng)過(guò)Lyapunov理論驗(yàn)證,仿真結(jié)果顯示自適應(yīng)積分滑膜控制器具有較好的魯棒性。

1.2.2 液壓缸抑制沖擊方法研究

與液壓馬達(dá)不同的是同為執(zhí)行元件的液壓缸是做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)和擺線運(yùn)動(dòng)。賴奇暐[16]在研究高壓斷路器時(shí)發(fā)現(xiàn)液壓缸緩沖特性,發(fā)現(xiàn)圓錐形活塞結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的緩沖性能。試驗(yàn)結(jié)果表明緩沖壓力峰值同活塞直徑有關(guān),緩沖速度與活塞的長(zhǎng)度有關(guān)。劉曉琳等[17]優(yōu)化液壓缸結(jié)構(gòu)提出了一種復(fù)合緩沖液壓缸,仿真模擬表明復(fù)合緩沖液壓缸對(duì)硬沖擊和沖擊具有明顯的緩沖效果,而且比傳統(tǒng)的液壓缸動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。

因此,執(zhí)行元件主要通過(guò)改變自身結(jié)構(gòu)參數(shù)抑制液壓沖擊。但是這種方式無(wú)法根據(jù)工況實(shí)時(shí)調(diào)整,只能在特定工況下實(shí)現(xiàn)較好的抑制效果,適合與工況變化范圍不大的場(chǎng)合。

1.3 控制元件

液壓控制元件在液壓系統(tǒng)中是控制執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)方向,承載能力和運(yùn)動(dòng)速度的,常見的液壓控制元件有壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。在液壓系統(tǒng)中閥的換向是導(dǎo)致液壓沖擊的主要原因[18]。

1.3.1 換向閥抑制沖擊方法研究

楊芬等[19]在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)換向引起的液壓沖擊嚴(yán)重影響了機(jī)械的正常工作,他們?cè)趥鹘y(tǒng)液控?fù)Q向閥的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,試驗(yàn)結(jié)果證明改進(jìn)之后的液控?fù)Q向閥在性能方面更加穩(wěn)定。何沛桓等[20]在三位四通換向閥的基礎(chǔ)上,在閥芯上安裝磁流變阻尼裝置有效解決了換向?qū)е乱簤簺_擊的問(wèn)題。同樣王東華等[21]在針對(duì)此類問(wèn)題提出了一種新型的無(wú)沖擊寬電壓防水型電磁換向閥,如圖3所示的閥芯采用帶節(jié)流槽的二臺(tái)肩式結(jié)構(gòu),極大降低了閥在開啟和關(guān)閉的換向沖擊。

圖3 無(wú)沖擊寬電壓防水型電磁換向閥Fig. 3 Non-impulse wide voltage waterproof electromagnetic directional valve1.電磁鐵 2.復(fù)位彈簧 3.墊圈 4.閥芯 5.閥體

1.3.2 單向閥和節(jié)流閥抑制沖擊方法研究

張祝新等[22]在研究節(jié)流閥特性時(shí)發(fā)現(xiàn),限定液壓系統(tǒng)內(nèi)部流量在一定程度上會(huì)緩解液壓沖擊。韓偉[23]通過(guò)研究液控單向閥產(chǎn)生沖擊的機(jī)理,在液控單向閥的基礎(chǔ)上優(yōu)化閥芯結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證新型液控單向閥在大流量的場(chǎng)景對(duì)液壓沖擊有明顯的抑制作用。許同樂(lè)等[24]在液壓系統(tǒng)中配合使用單向閥和節(jié)流閥,發(fā)現(xiàn)對(duì)液壓沖擊有明顯抑制作用,且比單閥的效果更好。

1.3.3 電液比例閥抑制沖擊方法研究

電液比例閥是通過(guò)輸入的電壓或電流信號(hào)對(duì)工作閥芯的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制的液壓元件。利用工作閥閥芯的位移變化進(jìn)而改變閥芯通流能力,使流量輸出、壓力輸出與輸入的電信號(hào)按照一定的比例工作。當(dāng)產(chǎn)生液壓沖擊時(shí),減小電液比例閥電信號(hào),降低通過(guò)閥的流量和壓力的輸出,吸收液壓沖擊。這種方法對(duì)閥芯響應(yīng)頻率要求較高。

Zhao等[25]提出了一種新型的用于液壓頂板支架的兩位三通電液比例換向閥。由圖4所示新閥包含兩個(gè)先導(dǎo)級(jí)和兩個(gè)主閥芯。兩個(gè)先導(dǎo)級(jí)相互配合,控制兩個(gè)主閥芯的運(yùn)動(dòng),即進(jìn)口閥芯和出口閥芯。進(jìn)氣閥閥芯采用Valvistor原理。該閥可實(shí)現(xiàn)通道PA的手動(dòng)先導(dǎo)控制和電液比例流量控制,通過(guò)仿真模型驗(yàn)證該優(yōu)化方法可以顯著提高閥芯的響應(yīng)速度,提升斜率信號(hào)下閥芯位移的線性度。此外,系統(tǒng)分析了快速切換閥不連續(xù)流動(dòng)引起的腔室壓力波動(dòng)和閥芯位移。分析表明,提高脈寬調(diào)制載波頻率是降低波動(dòng)幅度的有效途徑。

圖4 新型比例閥模型Fig. 4 New proportional valve model

Wang等[26]通過(guò)對(duì)Valvistor閥的研究提出了一種高性能的比例流量閥。該閥的閉環(huán)流量控制系統(tǒng)采用模糊PID控制器,反饋系統(tǒng)是由反向傳播神經(jīng)絡(luò)(BPNN)來(lái)進(jìn)行調(diào)控。結(jié)果表明,使用BPNN進(jìn)行推理可以快速準(zhǔn)確地獲取流數(shù)據(jù),當(dāng)負(fù)載壓力突變時(shí),主孔口的壓差發(fā)生變化,流量可以在短時(shí)間內(nèi)保持在設(shè)定點(diǎn)。

付永領(lǐng)等[27]通過(guò)AMESim建立了操舵系統(tǒng)換向壓力沖擊模型,經(jīng)過(guò)仿真研究表明,通過(guò)優(yōu)化放大器輸出的比例電磁鐵的控制電流,可以有效地減少比例方向閥換向產(chǎn)生的壓力沖擊。楊慶俊等[28]提出四段控制策略,即主充油階段、副充油階段、低壓待命階段和升壓階段,通過(guò)離合缸內(nèi)壓力和漸進(jìn)關(guān)閉緩沖器的結(jié)合較好地解決了由于負(fù)載壓力突變產(chǎn)生的壓力沖擊。臧貽娟[29]將PID算法加入系統(tǒng)中進(jìn)行仿真分析,結(jié)果顯示系統(tǒng)受到的沖擊變小,工作平穩(wěn),系統(tǒng)平穩(wěn)性得到了提高。

因此,控制元件對(duì)于液壓沖擊抑制有明顯效果,節(jié)流閥和單向閥通過(guò)限制流量,以減緩液壓沖擊;換向閥通過(guò)提高響應(yīng)速度,減少油液帶來(lái)的瞬時(shí)沖擊變化;相比較而言,電控比例閥在流量和換向方面對(duì)液壓沖擊的抑制效果更為明顯,由閉環(huán)控制的比例閥是通過(guò)偏差量進(jìn)行控制,適用于高精度、高響應(yīng)速度的場(chǎng)合。

1.4 輔助元件

液壓輔助元件是液壓系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,它包括蓄能器、油箱、熱交換器、管件、密封裝置等,通過(guò)合理的選用可以在很大程度影響液壓系統(tǒng)的效率、溫升、工作可靠性等技術(shù)性能[30]。

1.4.1 蓄能器抑制液壓沖擊方法研究

在液壓系統(tǒng)中,蓄能器是吸收脈動(dòng)、抑制壓力沖擊、提供備用液壓源的裝置。根據(jù)蓄能器內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換形式,可將蓄能器分為重錘式,彈簧式和充氣式3種[31]。當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力突然升高時(shí),液壓油壓縮蓄能器內(nèi)部氣囊,降低液壓系統(tǒng)壓力,達(dá)到吸收壓力沖擊的效果。

朱建國(guó)等[32]通過(guò)合理配置多個(gè)蓄能器解決了輥壓機(jī)在工作時(shí)液壓沖擊大,液壓儀表元件壽命短等一系列問(wèn)題。得出在輥壓機(jī)液壓系統(tǒng)中大型蓄能器NXQ1/2-L140可以用來(lái)吸收壓力脈動(dòng)和壓力沖擊,中型蓄能器NXQ1/2-L25可以用來(lái)吸收壓力脈動(dòng),小蓄能器NXQ1/2-L0.63對(duì)輥壓機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的液壓元件可以起到保護(hù)作用。

陳杰[33]結(jié)合皮囊蓄能器和亥姆霍茲共振器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種亥姆霍茲共振器內(nèi)嵌充氣皮囊的新型皮囊式管道消振器。如圖5所示,利用氣體壓縮性對(duì)壓力沖擊進(jìn)行吸收,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明新型管道消振器有效提高了吸收壓力沖擊性能,從而提高系統(tǒng)工作的平穩(wěn)性。

圖5 皮囊式管道消振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 5 Structure diagram of bladder-type pipeline shock absorber1.穿孔管 2.管狀皮囊 3.充氣閥 4.耐壓殼體 5.管接頭

秦澤等[34]為了解決傳統(tǒng)蓄能器在放能過(guò)程中出口無(wú)法提供穩(wěn)定的壓力油而導(dǎo)致蓄能器的能量再利用效率低下的問(wèn)題,研究了一種新型雙皮囊式蓄能器。由圖6可知在傳統(tǒng)蓄能器氣囊中增加一個(gè)增壓油囊,當(dāng)雙皮囊蓄能器釋放液壓油時(shí),油壓降低,氣囊中被壓縮的氣體開始膨脹。壓力傳感器檢測(cè)到壓力下降并與控制裝置設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行比較,電業(yè)比例換向閥接收到信號(hào)開始工作,液壓油從高壓蓄能器流入增壓油囊,此時(shí)油囊膨脹,壓縮氣囊,氣壓保持恒定,實(shí)現(xiàn)雙皮囊蓄能器的出油口油壓恒定。通過(guò)AMESim仿真模擬在合理匹配參數(shù)的情況下,新型蓄能器可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定壓力油,且新型蓄能器相比普通蓄能器可多釋放25%能量,電機(jī)功率降低9.85%,電機(jī)節(jié)約6.9%能量。

圖6 雙皮囊蓄能器恒壓系統(tǒng)原理Fig. 6 Principle of constant pressure system of double bladder accumulator1.高壓油源 2.單向閥 3.高壓蓄能器 4.雙皮囊蓄能器 5.壓力傳感器 6.電磁比例換向閥

同樣為了解決流體壓力保持穩(wěn)定的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)Zhao等[35]利用凸輪結(jié)構(gòu)的非線性運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)了一種低壓降組合活塞式液壓蓄能器。這種新型蓄能器的油腔和氣腔各帶有一個(gè)活塞,兩個(gè)活塞依靠旋轉(zhuǎn)的凸輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接,由于壓力和氣體體積之間存在非線性關(guān)系,在凸輪結(jié)構(gòu)帶動(dòng)兩個(gè)活塞運(yùn)動(dòng)工作的同時(shí)可以有效地使流體壓力保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍之內(nèi)。

Cronk等[36]提出了一種液壓飛輪蓄能器(HFA)。它是一種繞其軸線旋轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)活塞式蓄能器。該裝置將能量存儲(chǔ)在加壓氣體中,以及固體和流體成分的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能中,實(shí)現(xiàn)能量互補(bǔ)的特性。因?yàn)镠FA工作中飛輪儲(chǔ)存的能量占據(jù)主導(dǎo)地位,飛輪在怠速狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生較高的能量損耗,此外飛輪蓄能器對(duì)飛輪的材料要求也很高。

鮑東杰[37]通過(guò)AMESim搭建了液壓飛輪蓄能器和四配流窗口軸向柱塞泵的物理仿真模型,并在挖掘機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),通過(guò)調(diào)節(jié)泵的斜盤傾角,可以有效減少負(fù)載抖動(dòng),同相同體積下的傳統(tǒng)蓄能器相比,該系統(tǒng)兼顧能量回收的同時(shí)也提高了儲(chǔ)能密度。由圖7可知,此系統(tǒng)總共有3種模式[38],第一種模式是雙馬達(dá)動(dòng)能模式,液壓油從A,C口流入,電磁離合器閉合,從B,D口流出直接流入油箱。第二種模式是雙馬達(dá)液壓能模式液壓油A,C口,電磁離合器處于斷開狀態(tài),B、D口通入液壓飛輪蓄能器的右端蓋,儲(chǔ)存為蓄能器的勢(shì)能。第三種模式是混合動(dòng)力模式液壓油進(jìn)入A、C口,電磁離合器處于閉合狀態(tài)。配流盤外圈A、B工作在馬達(dá)工況,帶動(dòng)液壓飛輪蓄能器旋轉(zhuǎn),將液壓能轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能儲(chǔ)存;D口通入右端蓋,內(nèi)圈C、D工作在泵工況,液壓能轉(zhuǎn)化為液壓飛輪蓄能器的內(nèi)腔室氣體的勢(shì)能。隨著油液進(jìn)入外腔室,不斷增加飛輪的慣量,空心軸的結(jié)構(gòu)提高了氣體容量,使更多的油液可以進(jìn)入外腔室,轉(zhuǎn)化為內(nèi)腔室氣體的勢(shì)能,同時(shí)增大了飛輪的慣量,從而提高了飛輪的動(dòng)能;在該模式下,從負(fù)載下降收集的能量轉(zhuǎn)化為液壓飛輪蓄能器的動(dòng)能和勢(shì)能,兼顧了較高的能量密度和儲(chǔ)能效率等多項(xiàng)性能指標(biāo),在放能階段通過(guò)調(diào)節(jié)四配流窗口液壓泵的排量,按照預(yù)設(shè)的速度曲線使負(fù)載勻速上升或下降。

圖7 液壓飛輪蓄能器能量回收系統(tǒng)原理圖Fig. 7 Schematic diagram of the hydraulic flywheel accumulator energy recovery system

1.4.2 管道設(shè)計(jì)抑制液壓沖擊方法研究

國(guó)內(nèi)外學(xué)者也通過(guò)對(duì)管道建立數(shù)學(xué)模型分析管道壓力特性,用來(lái)研究沖擊抑制。Ghidaout[39]、法特[40]等利用數(shù)值分析方法,得出在流速一定的條件下管道振動(dòng)幅值會(huì)隨著管道特定參數(shù)發(fā)生變化;隨后吳凡等[41]在考慮管道內(nèi)存在復(fù)雜流體現(xiàn)象下,建立了有限分段集中參數(shù)管道模型,利用AMESim進(jìn)行仿真分析,得到管道液壓沖擊壓力振蕩特性,由表1和表2可知,隨著管道的直徑和長(zhǎng)度的增加,液壓沖擊的峰值壓力會(huì)降低。

表1 不同直徑對(duì)應(yīng)壓力的峰值Tab. 1 Peak pressure corresponding to different diameters

表2 不同長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)壓力的峰值Tab. 2 Peak value of the corresponding pressure at different lengths

同樣仿生學(xué)對(duì)液壓沖擊抑制和液壓管路設(shè)計(jì)有借鑒作用。郭長(zhǎng)虹等[42]提出了一種仿生式的液壓管路,他們的靈感來(lái)源于動(dòng)物心臟供血血管。通過(guò)利用管道“外剛內(nèi)柔,內(nèi)壁光滑”的特點(diǎn),在管道內(nèi)部直接吸收流量脈動(dòng),使管道內(nèi)的流體盡可能處于穩(wěn)流狀態(tài)。在ANSYS中進(jìn)行仿真模型試驗(yàn),并對(duì)調(diào)整內(nèi)部參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行分析。結(jié)果表明,仿生式液壓管路對(duì)液壓沖擊抑制和流量脈動(dòng)吸收具有明顯效果,為之后研究液壓沖擊抑制提供了新的研究方法和途徑。

1.4.3 阻尼器與阻尼孔抑制液壓沖擊方法研究

液壓阻尼器與阻尼孔是通過(guò)對(duì)流量進(jìn)行控制用來(lái)延緩變化,減少振蕩。楊智超等[13]研究磁流變液阻尼器(MRD)。通過(guò)MATLAB軟件中的遺傳算法工具箱對(duì)影響阻尼變化的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化,在Maxwell軟件內(nèi)進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真分析得到優(yōu)化之后的MRD,實(shí)現(xiàn)了降低,調(diào)節(jié)換向閥換向時(shí)帶來(lái)的液壓沖擊。陳亮等[44]設(shè)計(jì)一種新型阻尼器,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比新型阻尼器與活塞式阻尼器相比對(duì)于降低液壓沖擊和壓力脈動(dòng)具有明顯的作用。而阻尼孔大多同閥類元件進(jìn)行聯(lián)合使用。國(guó)外學(xué)者Eyres[45]通過(guò)對(duì)帶有阻尼孔的安全閥進(jìn)行建模仿真分析阻尼器在閥類零件中的功效。訚耀保等[46]在普通雙級(jí)溢流閥的基礎(chǔ)上加裝阻尼孔,試驗(yàn)結(jié)果證明在不增加溢流閥尺寸的前提下,通過(guò)阻尼作用降低了先導(dǎo)閥回路的開環(huán)增益,解決了在極端小尺寸溢流閥先導(dǎo)級(jí)穩(wěn)定控制的問(wèn)題。

綜上所述,在液壓沖擊抑制中,阻尼器和阻尼孔通常是配合控制元件進(jìn)行使用的,單獨(dú)使用時(shí)對(duì)液壓沖擊的抑制并不明顯;管道設(shè)計(jì)偏向于仿生學(xué),其工作原理同蓄能器相近,在一定程度上可以降低液壓沖擊的峰值壓力,但受成本和工況環(huán)境的限制,并不能進(jìn)行普及應(yīng)用;蓄能器通過(guò)氣囊伸縮吸收液壓沖擊,在使用過(guò)程中成本相對(duì)較低、可靠性好、安裝簡(jiǎn)單,常常被作為吸收液壓沖擊的重要裝置,但瞬時(shí)沖擊大,氣囊壓縮范圍有限,只能在特定工況下取得良好的抑制效果,適用于低頻沖擊、工況變化范圍不大的場(chǎng)合。通過(guò)對(duì)蓄能器工作方式和結(jié)構(gòu)的改進(jìn),可以降低液壓系統(tǒng)在工作時(shí)的瞬時(shí)沖擊,擴(kuò)展工況應(yīng)用范圍。

2 存在問(wèn)題

1) 液壓元件的信號(hào)處理和快速響應(yīng)是制約液壓沖擊抑制的最大問(wèn)題,雖然通過(guò)類似PID控制可以減緩液壓沖擊,提高液壓元件響應(yīng)速度,但依據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)的情況來(lái)看,在系統(tǒng)進(jìn)行換向工作時(shí)仍舊會(huì)有明顯的階躍現(xiàn)象,目前針對(duì)液壓元件的仿真模擬環(huán)境的設(shè)定也并沒有較為普遍的理論模型,且各種控制算法也不能精確反應(yīng)元件內(nèi)部動(dòng)態(tài)變化和性能參數(shù)之間的關(guān)系。

2) 氣囊式蓄能器作為常用的輔助元件被廣泛用于吸收液壓沖擊,但瞬時(shí)沖擊大,氣囊壓縮范圍有限,只能在特定工況下取得良好的抑制效果,面對(duì)高壓、大流量等極端工況,氣囊式蓄能器的作用有限,雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出一種開式蓄能器的概念,但受限于應(yīng)用場(chǎng)景和使用效果,并不能滿足當(dāng)前的應(yīng)用需求,仍需要進(jìn)行不斷地改進(jìn)和完善。

3) 在液壓系統(tǒng)中,良好的密封性有益于系統(tǒng)穩(wěn)定,這就對(duì)密封元件提出了更高的要求。首先對(duì)于材料選取的原則需要滿足在高溫高壓下良好的工作性能以及抗腐蝕性能,其次還需要考慮與之連接的配合材料的膨脹系數(shù),確定適合的配合方式。

4) 液壓系統(tǒng)中能量的高效利用是長(zhǎng)久以來(lái)一直被關(guān)注的問(wèn)題,而現(xiàn)有研究中大部分都是通過(guò)液壓元件的配合使用來(lái)抑制液壓沖擊,而針對(duì)回收利用液壓沖擊產(chǎn)生的能量損耗并沒有提出完整的概念構(gòu)想,目前專家學(xué)者對(duì)此方向研究較少,這也是存在的問(wèn)題之一。

3 展望

隨著液壓技術(shù)的更新迭代和流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)的不斷完善,跨學(xué)科研究,多學(xué)科融合形成當(dāng)今發(fā)展趨勢(shì),筆者通過(guò)整理國(guó)內(nèi)外對(duì)液壓沖擊抑制方法的最新研究成果,認(rèn)為液壓沖擊抑制將會(huì)從以下幾個(gè)方向發(fā)展。

1) 為提高液壓元件的快速響應(yīng)和精準(zhǔn)控制,需要建立完善的液壓元件仿真模擬環(huán)境的理論模型,并將理論建模和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合;液壓元件的設(shè)計(jì)也不應(yīng)該局限于對(duì)傳統(tǒng)元件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化而應(yīng)該結(jié)合前沿技術(shù)和科學(xué)思想在仿生學(xué),流體動(dòng)力學(xué)以及控制技術(shù)方面進(jìn)行學(xué)科創(chuàng)新,設(shè)計(jì)出具有模塊化,輕量化,智能化等特點(diǎn)的液壓元件,進(jìn)一步完善液壓抑制沖擊方法。

2) 現(xiàn)有研究主要集中在常規(guī)工況下,但是在高壓、大流量等極端工況下,液壓沖擊現(xiàn)象危害極大,如何將現(xiàn)有研究成果轉(zhuǎn)化至極端工況下并成功應(yīng)用,是今后液壓沖擊抑制方法的又一個(gè)研究趨勢(shì)。

3) 密封元件可以避免液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象,是抑制液壓沖擊系統(tǒng)中重要的組成部分,而良好的密封性能則取決于密封材質(zhì)和密封結(jié)構(gòu)。因此,對(duì)于材料性能和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是將來(lái)密封元件研究的重點(diǎn)方向。

4) 能量回收既是時(shí)代要求也是我們將來(lái)研究方向的重點(diǎn),面對(duì)液壓系統(tǒng)中復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和能量消耗狀況,如何將液壓沖擊能量轉(zhuǎn)換為液壓驅(qū)動(dòng)提高液壓傳動(dòng)效率這也是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文梳理了國(guó)內(nèi)外近幾年對(duì)液壓沖擊抑制的研究現(xiàn)狀,從動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件四個(gè)角度總結(jié)了現(xiàn)有抑制沖擊方法的優(yōu)缺點(diǎn)。其中動(dòng)力元件主要是通過(guò)改變泵的流量大小抑制液壓沖擊,但是其抑制效果取決于流量調(diào)節(jié)裝置的響應(yīng)時(shí)間和調(diào)節(jié)范圍,適用于對(duì)液壓沖擊抑制的實(shí)時(shí)性和頻次要求不高的場(chǎng)合;執(zhí)行元件主要通過(guò)改變自身結(jié)構(gòu)參數(shù)抑制液壓沖擊,在特定工況下可實(shí)現(xiàn)較好的抑制效果,適用于工況變化范圍不大的場(chǎng)合;控制元件通過(guò)措施調(diào)整通流量可顯著抑制液壓沖擊,適用于高精度、高響應(yīng)速度的場(chǎng)合;蓄能器作為輔助元件被廣泛用于吸收液壓沖擊,但瞬時(shí)沖擊大,氣囊壓縮范圍有限,只能在特定工況下取得良好的抑制效果,適用于低頻沖擊、工況變化范圍不大的場(chǎng)合,為今后液壓沖擊抑制智能化,高效化發(fā)展提供了有益借鑒。