并联结构液压波形发生器的动态特性研究

　　0　引言

　　在汽车碰撞试验、跌落试验、运载工具制动等场合,缓冲或制动需要按预先设定的加速度曲线完成,以符合规范或设计要求.通过改变缓冲器的流体通流面积,使其按一定规律减小并切换,可实现制动加速度波形的有级调节^[1-4].在冲击试验设备中,为了能够任意调节缓冲加速度波形,通流面积随时间的变化过程需要进行强制调节.对于冲击脉宽较大而流量要求较小的冲击,可以利用高速伺服阀进行阻尼控制,从而实现冲击波形的任意调节^[5-7],如液压伺服振动台.然而一些特殊的冲击试验,例如模拟水下爆炸冲击环境,用于冲击试验的阻尼制动器需要在非常短的时间内完成冲击,并且流量很大,目前还没有一种伺服阀能够实现这种大流量、高速制动过程的控制.

　　本文提出一种新型的液压缓冲结构——冲击波形发生器,与传统只用于制动而不考虑制动加速度波形的液压缓冲器不同,它可实现大流量的缓冲制动,而且缓冲加速度峰值与脉宽可大范围调节.下面通过介绍波形器的原理以及建立系统运动的数学模型,给出调节器原理的数值仿真结果并对其动态特性进行了分析,说明其原理的可行性.

　　1　冲击波形发生器的机理分析

　　1.1　工作机理

　　图1是冲击波形发生器的原理图,其中节流环和活塞是2个重要的部件,它们之间的径向间隙对冲击波形影响很大.

　　波形发生器的动作过程如下:试件以一定的速度撞击活塞杆,活塞杆在试件的推动下与之一起向右运动挤压阻尼腔的油液;在活塞进入节流环之前,为活塞运动的第1阶段,此时阻尼腔的油液主要是通过(如图2a)所示的锐缘阀口和可调阻尼孔排出;当活塞进入节流环之后为活塞运动的第2阶段,此时图2a中的锐缘阀口消失,阻尼腔中油液由环形间隙和可调阻尼孔同时排出(如图2b).活塞在节流环中运动的过程中,由于油液的通流面积变化节流产生了不断变化的阻尼力,使试件在阻尼腔高压的制动作用下快速静止,从而获得冲击脉冲.由于阻尼力大小可以通过调节阻尼腔油液的等效通流面积来调节,所以,冲击波形的幅值和脉宽调节可以通过控制可调阻尼孔的通流面积来实现.

　　1.2　数学模型

　　冲击波形发生器的数学模型是基于以下假设建立的:

　　(1)试件的制动持续时间大于10ms,这一假设符合实际使用情况;

　　(2)缸体、活塞杆、活塞和节流环为刚体;

　　(3)油液的粘性系数为常数;

　　(4)流体的沿程压力损失相对于局部压力很小,只考虑流体的局部压力损失.

　　1)运动方程　假设试件撞击活塞杆的速度为v₀,活塞(或试件)的位移为x;试件、活塞杆和活塞总质量为M,则它们的运动方程为