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基于动边界的阀控缸系统水击振动传输特性分析

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  阀控缸系统是工业工程中应用较广泛的一种液压驱动方式,由于液压换向阀动作时间极短,关阀(开阀)时压力很快达到压力波动最大值,所以液压换向阀启闭时会产生严重的水击,对其后的输油管路和执行元件———液压缸的动态特性有直接的影响,液压水击现象是管道的非恒定流动,是流动参数阶跃变化时的动态过渡过程,是管道系统破坏的重要原因之一。相当多的文献[1~3]对液压系统考虑耦合效应的机械振动特性进行了深入的研究,针对处于执行机构和控制阀之间管道的振动产生的机理以及振动模型的建立取得了成熟的成果,但仅停留在研究流体与管路的耦合,对液压系统的水击振动特性没有得到重视。

  根据水击压力的传输途径将液压管路和液压缸的研究中考虑活塞运动的影响定义为动边界管路,不考虑活塞运动的影响定义为定边界管路。液压系统的水击振动的激振源主要是由于换向阀的启闭动作产生的耦合水击响应,如果将执行元件———液压缸看作液压管路的动边界条件,则阀腔内的水击振动入射波通过液压管路达到执行元件然后发生反射,反射波与入射波相互作用,对输入端的水击进行放大和传播,形成阀控缸系统的水击振动动态特性。根据管路的结构特征参数的不同,水击振动在传播过程中会产生共振、超常压力、应力和噪声,给系统的执行机构带来极大的威胁。因此,很有必要对水击冲击在动边界条件的液压系统中传播进行动态分析,以揭示其变化规律。文献[4~6]在进行此类系统的动态分析时,往往是忽略了活塞边界发生的变化。因而模拟液压缸内运动边界的问题,实际上也是向完整本质地模拟液压元件运动过程的迈进,将使人们从集中参数仿真液压元件或系统跨越到非集中参数的仿真,进而为系统设计的改进和元件性能设计的改进,提供有力的理论依据。

  1 定边界阀控缸系统水击振动传输的频域描述

  为了对具有动边界条件的阀控缸系统进行水击响应传输特性分析,从油液的运动方程、连续性方程通过零初始条件的Laplace变换,从时域变换到s域,首先得到定边界阀控缸系统的频域描述;然后对管路与执行元件的连接耦合问题采用传递矩阵分析法求解系统的频率特性方程。

  1·1 建立油液管路传输频率特性模型

  以某型电液舵机调节器的刚性管路内非定常流为研究对象。油液流动为换向阀的耦合水击响应信号,由于油液本身流速远小于水击波的传播速度,忽略恒定流速的影响;管路半径小于油液流动的波长,管内油液为无旋运动并且不受重力影响,为轴对称流动,压力沿管横断面相等,没有切向速度分量;管路长度远大于管径;油液和管壁间无热传导,即管壁是绝热的,管内油液与外界无热交换,温度在径向均匀分布。

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