本文關(guān)鍵詞：基于管路效應(yīng)的皮囊式蓄能器數(shù)學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

燕山大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于管路效應(yīng)的皮囊式蓄能器數(shù)學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)研究 姓名：權(quán)凌霄 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專(zhuān)業(yè)：機(jī)械電子工程 指導(dǎo)教師：孔祥東;高英杰 20050301

摘要

摘要
液壓蓄能器是系統(tǒng)中的重要附件，蓄能器的響應(yīng)性能在很大程度上關(guān) 系到系統(tǒng)的性能。蓄能器的完整數(shù)學(xué)模型和準(zhǔn)確參數(shù)選擇公式是構(gòu)成蓄能 器基礎(chǔ)理論的兩大內(nèi)

容。 本文總結(jié)了常見(jiàn)液壓蓄能器的類(lèi)型、功用和目前國(guó)內(nèi)外蓄能器研究的 現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題。 在研究蓄能器數(shù)學(xué)模型時(shí)，將蓄能器本體分為氣腔、液腔和連接管路 三部分�；陂y控缸數(shù)學(xué)模型，結(jié)合管道效應(yīng)理論，建立了蓄能器不考慮 其連接管路的數(shù)學(xué)模型：然后結(jié)合管道理論研究得出了帶有彎曲管路、異 徑串聯(lián)連接管路的蓄能器數(shù)學(xué)模型。 分析了蓄能器數(shù)學(xué)模型中模型參數(shù)和蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)之間 的關(guān)系，并得出了蓄能器參數(shù)選擇的基本公式。然后利用Ｍａｆｌａｂ軟件編制 了蓄能器參數(shù)選擇的程序，給出蓄能器最佳充氣壓力的選擇方法。 對(duì)蓄能器數(shù)學(xué)模型做了仿真分析。在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中針對(duì)蓄能器吸 收沖擊和消除脈動(dòng)的功能分別建立了蓄能器的仿真模型。分別在模型中輸 入模擬實(shí)際系統(tǒng)中壓力沖擊波信號(hào)的階躍信號(hào)、模擬脈動(dòng)壓力波的正弦信 號(hào)時(shí)，驗(yàn)證了蓄能器充氣壓力與蓄能器模型之間的關(guān)系以及蓄能器充氣壓 力對(duì)蓄能器響應(yīng)性能的影響。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)理論和仿真的結(jié)果迸行驗(yàn)證。設(shè)計(jì)搭接了實(shí)驗(yàn)回路， 利用ｄＳＰＡＣＥ軟硬件集成系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在線(xiàn)實(shí)時(shí)控制、調(diào)參和數(shù)據(jù)采集。 得到了蓄能器不同充氣壓力下，系統(tǒng)中中存在壓力沖擊和壓力脈動(dòng)時(shí)，泵 后閥前、工作缸Ａ、Ｂ腔的壓力響應(yīng)曲線(xiàn)和工作缸位移響應(yīng)曲線(xiàn)。分析了 泵后閥前和工作缸Ａ腔壓力響應(yīng)曲線(xiàn)，結(jié)合仿真得到的結(jié)論，驗(yàn)證了蓄能 器數(shù)學(xué)模型的正確性和蓄能器參數(shù)方法的正確性。

關(guān)鍵詞蓄能器；數(shù)學(xué)模型；參數(shù)選擇；吸收沖擊：消除脈動(dòng)

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｉｓ

ｏｎｅ

ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｃｃｅｓｓｏｒｙ ｉｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ。Ｉｔｓ

ｒｅｓｐｏｕｓｉｖｉｔｙ ｈａｖｅ

ａ

ｂｅａｒｉｎｇ ｕｐｏｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ’Ｓ
ａｒｅ

ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｖｅｒａｃｉｏｕｓ ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒｍｕｌａ ｍａｉｎ ｃｏｍｅｎｔｓ ｏｆ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ’ｓ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ．

ｔｗｏ

Ｗｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ

ｔｈｅ ｔｙｐｅｓ、ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ

ａｎｄ

ｔｈｅ

ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｔｕａｌｉｔｙ ｉｎ ｂｏｔｈ ｈｅｒｅ
Ｓｔｕｄｙｉｎｇ

ａｎｄ ａｂｒｏａｄ

ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｍｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．

ｔｈｅ

ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ’Ｓ
ｉｎｔｏ

ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ

ｍｏｄｅｌ，ｗｅ

ｄｉｖｉｄｅ

ｔｈｅ

ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ
ｃｈａｍｐｅｒ

ｎｏｕｍｅｎｏｎ

ｔｒｉｐｌｅｘ

ｃｅｍｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ

ｇａｓ ｃｈａｍｐｅｒ，ｌｉｑｕｉｄ
ｍｏｄｅｌ
ｏｆ

ａｎｄ

ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ

ｌｉｎｅ．Ｒｅｆｅｒｅｄ

ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ

ｖａｌｖｅ二ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ

ｃｙｌｉｎｄｅｒ，ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ’Ｓ ｍａｔｈｅｍｍｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈｏｍ ｒｅｇａｒｄ ｔｏ

ｉｔｓ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｌｉｎｅ ｉｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｎ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｐｉｐｅ—ｌｉｎｅ ｔｈｅｏｒｙ，

ｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ’Ｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｉｎｃｕｒｖａｔｅ ａｎｄ ｓｔｒａｎｇｅ
ｄｉａｍｅｔｅｒ ｓｅｒｉｅｓ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ

ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｓ

ｂｕｉｌｔ．

Ｔｈｅ

ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ

ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ’Ｓ

ｐｒｅｆｅｒｅＩｌＣｅＳ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ

ｐａｐｅｒ．Ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ

ｏｆａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｍｏｄｅｌ
Ｍａ廿ａｂ
ｓｏＲｗａｒｅ

ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｒｕａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐａｒａｍｅｎｔｅｒ，ｗｅ ｅｘｃｏｇｉｔａｔｅ ｔｈｅ ｒａｄｉｃａｌ

ｆｏｒｍｕｌａ
ｂｅｓｔ

ｆｏｒ

ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ’Ｓ

ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ．Ｂｙ

ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ

ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ

ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｉｎｆｌａｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｅｓ ｆｏｒ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｍａｔｈｅｍａＩｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉＳ ｆｉｎｉｓｈｅｄ ｉｎ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｉｉｃ
ｉｍｐｕｌｓｉｏｎ

ａｎｄ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ａｎｄ

ｐｕｌｓａｔｏｒｙ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｓｏｆｔｗａｒｅ

Ｓｅｃｏｎｄｌｙ ｓｔｅｐ—ｆｉｍｃｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ

ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ

ｔｏ

ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｈｏｃｋｉｎｇ ｗａｖｅ ｉｎ
ａｒｅ

ｓｉｎｅ ｓｉｇｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｕｌｓａｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｉｎｐｕｔｅｄ

ｉｎｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ａｉｒ

ｃｈａｍｐｅｒ

ａｎｄ

ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ

ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ
¨

ｔｈｅ ａｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ｍｄ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ ａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．

砸１ｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｔｅｓｔｅｄ

ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ

ｂｙ

，。ｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ．Ｏｎｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔａｂｌｅ ｉｓ ｌａｐｐｅｄ．Ｔｏ
：ｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａｄｊｕｓｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎｄ

ｔｏ ｃｏｌｌｅｃｔ ｄａｔａ

ｏｎ－ｌｉｎｅ

ｍｄ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ．ｄＳｐＡＣＥ ｓｏｆｔ－ｈａｒｄｗａｒｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｄｕｒｉｎｇ

；ｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．
Ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｇａｓ ｒａｌｖｅ Ｈｏｎｔ．Ａ ｃｈａｍｐｅｒ
ｉｒｅ

ｃｈａｍｐｅｒ，ｐｒｅｓｓ ｒｅｓｐｏｎｓｅ
ｉｎ ｃｙｌｉｎｄｅｒ
ａｒｅ

ｏｆｐｕｍｐ ｂａｃｋ

ａｎｄ

ａｎｄ

Ｂ
ｏｒ

ｃｈａｍｐｅｒ

ｄｅｔｅｃｔｅｄ

ｗｈｅｎ ｔｈｅｒｅ

ｓｈｏｃｋｉｎｇ ｗａｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｐｕｌｓａｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｒｅｅ

｝ｔｅｓｓ

ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ

ａｎｄ

ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｉｇｈｍｅｓｓ ｏｆ

ｈｅ

ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ’Ｓ

ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ

ａｎｄ ｔｈｅ

ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ

ｐａｒａｍ矧ｃ

ｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉＳ ｐｒｏｖｅｄ．

（ｅｙｗｏｒｄｓ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｖａｌｖｅ；ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ；ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ； ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｈｏｃｋｉｎｇ ｗａｖｅ；ｐｕｌｓａｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ

１１１

第１章緒論

第１章緒論
１．１蓄能器發(fā)展簡(jiǎn)史
蓄能技術(shù)是把能量的供與求在時(shí)間和地點(diǎn)上取得統(tǒng)一的關(guān)鍵技術(shù)環(huán) 節(jié)。蓄能器可以將多余的能量在一定時(shí)間內(nèi)暫存起來(lái)，經(jīng)濟(jì)地加以利用。 改善能量使用的機(jī)動(dòng)性，這在有效利用能源、減輕環(huán)保負(fù)擔(dān)、最終節(jié)省能 源上具有重要的意義ｕＪ。 蓄能技術(shù)和蓄能器的發(fā)明是建立在“能量守恒定律”的基礎(chǔ)上。在自然 界中，任何系統(tǒng)都具有能量，能量有各種不同的形式，它可以從一種形式 轉(zhuǎn)換為另一種形式，從一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體或系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)換和傳遞 的過(guò)程中，能量不會(huì)消失，也不能產(chǎn)生。 在古代，人們就發(fā)明了用裝滿(mǎn)水或者沙子的木桶做質(zhì)量塊去存儲(chǔ)能量 的簡(jiǎn)易蓄能器，可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為重力勢(shì)能存儲(chǔ)起來(lái)。比如古希臘一座 神廟的神父將繩索系在這樣的木桶上，另一端纏繞在廟門(mén)的門(mén)軸上，就可 以利用木桶積蓄的勢(shì)能打開(kāi)廟門(mén)。 直至“能量守恒定律”被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)后，研究人員才從根本上弄明白蓄 能器的原理，于是出現(xiàn)了各種各樣的蓄能器，比如蓄電池、蓄熱器、蓄氫 器、內(nèi)能蓄能器及超導(dǎo)磁體蓄能器等。這些蓄能器雖然用途各不相同，但 是他們有一個(gè)共同點(diǎn)，即這些蓄能器都是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換成另外一 種形式的能量暫存起來(lái)，在系統(tǒng)提供的能量不能滿(mǎn)足工作需要時(shí)再釋放出
來(lái)。

液壓蓄能器是蘺能器的一種。其功用就是將液壓系統(tǒng)中能源裝置產(chǎn)生

的多余能量轉(zhuǎn)換成彈簧勢(shì)能、重力勢(shì)能或者氣體內(nèi)能存儲(chǔ)起來(lái)，而在執(zhí)行
元件所需能量大于能源裝置提供的能量時(shí)釋放出來(lái)。在存儲(chǔ)和釋放能量的 同時(shí)，因?yàn)樾钅芷魅嵝詸C(jī)構(gòu)的彈性、內(nèi)部摩擦和質(zhì)量單元的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，會(huì) 將系統(tǒng)中由于執(zhí)行元件、控制輔助元件等產(chǎn)生的脈動(dòng)和液壓沖擊在一定程 度上消減或消除【２】。這就形成了液壓蓄能器的三大功用：存儲(chǔ)能量、吸收

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

脈動(dòng)和吸收液壓沖擊【ｊｊ。 隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓蓄能器被廣泛地應(yīng)用于各種液壓回路中， 是絕大部分液壓系統(tǒng)不可缺少的重要附件【４Ｊ。目前，使用最廣泛的液壓蓄 能器是皮囊式蓄能器，這種蓄能器具有頻率響應(yīng)高、氣體易隔離密封、維 護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本論文的研究工作主要就是針對(duì)這種蓄能器進(jìn)行的，所以 此后提到的所有蓄能器如無(wú)特別說(shuō)明，均指液壓皮囊式蓄能器。

１．２液壓蓄能器的基本知識(shí)
液壓技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，出現(xiàn)了各種類(lèi)型的蓄能器，而且隨著發(fā)展的需 要，蓄能器在系統(tǒng)中所起的功用越來(lái)越多也越來(lái)越復(fù)雜。

１．２．１蓄能器的類(lèi)型
蓄能器按加載方式可分為彈簧式、重力式和氣體式【４】。 彈簧式蓄能器的結(jié)構(gòu)如圖１－Ｋａ），其中活塞的作用一方面隔離油腔和 彈簧設(shè)備腔，另一方面提供將壓力轉(zhuǎn)換為壓強(qiáng)的作用面。這種蓄能器利用 大系數(shù)彈簧將彈簧力作用于活塞上，使之與壓力油的壓力相平衡，產(chǎn)生壓 力，產(chǎn)生的壓力大小和存儲(chǔ)能量的多少取決于彈簧的剛度和壓縮量。彈簧 式蓄能器是把液壓系統(tǒng)中過(guò)剩壓力能轉(zhuǎn)化為彈簧勢(shì)能存儲(chǔ)起來(lái)，需要時(shí)釋 放出去。 彈簧式蓄能器的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)靈敏、容量小，成本較低。使 用壽命取決于彈簧的壽命、不宜使用于循環(huán)頻率較高的系統(tǒng)中：而且因?yàn)?彈簧伸縮量有限，其伸縮對(duì)壓力變化不敏感，消震功能差，所以只適合用 作小容量、低壓系統(tǒng)（Ｐ≤１．０～１．２ ＭＰａ）作緩沖裝置。 重力式蓄能器的結(jié)構(gòu)如圖弘１（ｂ），它的活塞的作用和前者相同。這種 蓄能器主要是把重物塊（一般用廢鋼鐵、混凝土、沙石、料頭等）的重力通 過(guò)柱塞作用在油液上，使之與壓力油的壓力相平衡，產(chǎn)生壓力，產(chǎn)生壓力 的大小和存儲(chǔ)能量取決于重物塊的重最，它可以把液壓系統(tǒng)中的壓力能轉(zhuǎn) 化為重力勢(shì)能積蓄起來(lái)。 重力式蓄能器的特點(diǎn)：在輸出液體、釋放能量的整個(gè)過(guò)程中，無(wú)論輸
２

第１章緒論

出量的大小和輸出速度的快慢，均可得到恒定的液體壓力：而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、
容量大、壓力高且穩(wěn)定。缺點(diǎn)是體積大，只能垂直安裝，不適用于行走機(jī)

械；慣性大：質(zhì)量塊慣性大，反應(yīng)不靈敏，不宜用于消除脈功和吸收液壓
沖擊；密封處易泄漏、摩擦損失較大。這類(lèi)藿能器僅供暫存能量用，多用

在執(zhí)行機(jī)構(gòu)緩慢運(yùn)動(dòng)的大型固定設(shè)備上（如軋鋼設(shè)備、大型物料傳送帶設(shè)
備、。

圓基
（ａ）彈簧式

（ｂ）重力式

圖ｌ?１彈簧式和重力式蓄能器
Ｆｉｇ．１－１ ｓｐａｎｇ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ

這兩種蓄能器因?yàn)槠浔旧淼木窒扌砸呀?jīng)很少采用。但值得注意的是， 有些研究部門(mén)在這些蓄能器的結(jié)構(gòu)上做一些改進(jìn)，一定程度上改變其缺點(diǎn)， 利用其優(yōu)點(diǎn)，取得了不錯(cuò)的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益。比如國(guó)內(nèi)遼寧省瓦房店 機(jī)床廠對(duì)彈簧式蓄能器結(jié)構(gòu)做的改進(jìn)研究工作（如圖１－２所示），將蓄能器 彈簧改為外置式，加大了彈簧外徑（大于液壓腔直徑），并限定彈簧行程ｆ將 彈簧最大載荷限定在許用極限載荷以?xún)?nèi)）。這一改進(jìn)成功地提高了蓄能器的 工作壓力和容量，降低了成本【５】。

麴
圖１－２瓦房店機(jī)床廠設(shè)計(jì)的外彈簧式蓄能器
Ｆｉｇ．１－２ Ｏｕｔ’ｓｐｒｉｎｇ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ

Ｗａｆａｎｇｄｉａｎ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｆａｃｔｏｒｙ

氣體蓄能器的工作原理以氣體波義耳定律（ｐＶ”＝Ｋ＝常數(shù)）為基礎(chǔ)，
３

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

通過(guò)壓縮氣體完成能量轉(zhuǎn)化，使用時(shí)首先要向蓄能器充入預(yù)定壓力的氣體。 當(dāng)系統(tǒng)壓力大于蓄能器內(nèi)部壓力時(shí)，油液壓縮氣體，將油液中的壓力能轉(zhuǎn) 化為氣體內(nèi)能；反之，蓄能器中的油在高壓氣體的作用下釋放到工作回路
中，工作過(guò)程中，氣腔和油腔的壓力始終相等。選擇適當(dāng)?shù)某錃鈮毫涂?br />
容積是這種蓄能器的關(guān)鍵。這類(lèi)蓄能器按結(jié)構(gòu)可分為氣液直接接觸式、管 路消震器、活塞式、隔膜式、差動(dòng)活塞式和皮囊式等。 氣液直接接觸式蓄能器必須充入惰性氣體，其結(jié)構(gòu)如圖１—３所示。它
的優(yōu)點(diǎn)是容量大，反應(yīng)靈敏，運(yùn)動(dòng)部分慣性小，沒(méi)有機(jī)械磨損；但是其缺 點(diǎn)也很明顯，首先在這種蓄能器中氣體和液體是直接接觸的，所以氣體消

耗量較大：氣體混入油液中后，也容易引起元件氣蝕；為防止大量氣體進(jìn) 入系統(tǒng)這種蓄能器嚴(yán)格禁止倒置；而且容積利用率低，附屬設(shè)備多，投資 大。
壓縮空氣
充氣閥

‘

址力捆ｊ茌出口

圖ｌ－３氣液直接接觸式蓄能器
Ｆｉｇ．１—３ Ｎｏｎ－ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｇａｓ—ｌｏａｄｅｄ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ

管路消震器是一種直接安裝在高壓系統(tǒng)管路上的短管狀蓄能器，屬于 氣液隔離式蓄能器，結(jié)構(gòu)如圖１－４所示。這種蓄能器響應(yīng)性能良好，能很 好地消除高壓高頻系統(tǒng)中的高頻震蕩，多應(yīng)用在高壓消震系統(tǒng)中。 活塞式蓄能器的結(jié)構(gòu)和氣液直接接觸式蓄能器的總體結(jié)構(gòu)基本相同， 只是利用一個(gè)活塞將氣體和液體隔開(kāi)，活塞和筒狀蓄能器內(nèi)壁之間有密封，
４

第１章緒論

所以油不易氧化。這種蓄能器壽命長(zhǎng)、重量輕、安裝容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維 護(hù)方便。但是反應(yīng)靈敏性差，不適于低壓吸收脈動(dòng)；尺寸小，充氣壓力有 限；密封困難，氣液相混的可能性大。目前這種蓄能器已經(jīng)逐步被皮囊式
蓄能器所替代。
腔

圖１?４管路消震器
Ｆｉｇ，１－４ Ｐｉｐｅ—ｌｉｎｅ ｂｕｆｆｅｒ

隔膜式蓄能器是兩個(gè)半球形殼體扣在一起，兩個(gè)半球之間夾著一張橡 膠薄膜，將油和氣隔離開(kāi)。其橡膠薄膜的質(zhì)量很小，而且其本身重量和容 積比最小，反應(yīng)靈敏，所以響應(yīng)快，低壓消除脈動(dòng)效果顯著。但是因?yàn)槠?本體一般較小，橡膠薄膜面積相應(yīng)較小，所以氣體膨脹受到限制，充氣壓
力有限，容量小。 差動(dòng)活塞式蓄能器的結(jié)構(gòu)如圖１—５所示。它是由一個(gè)直徑較大的氣缸

在一個(gè)贏徑較小的液壓缸之上組成�；钊露说囊簤毫偸谴笥谏隙说目�
氣壓力，能有效地防止空氣滲入油中，可用于壓力很高的液壓系統(tǒng)。

單向闖

高壓氣件 氣腔

空氣活塞 油活塞

油韙

圖１－５差動(dòng)活塞式蓄能器
Ｆｉｇ．１—５ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｐｉｓｔｏｎ ｈｙｄｒｏｐｎｅｕｍａｔｉｃ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ

皮囊式蓄能器由耐壓殼體、彈性氣囊、充氣閥、菌形閥、進(jìn)出油口等
５

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

組成，其結(jié)構(gòu)如圖１－６所示。菌形閥在充氣時(shí)或者系統(tǒng)壓力驟然下降時(shí)能

自動(dòng)關(guān)閉，對(duì)氣囊有保護(hù)作用。這種蓄能器可做成各種大小規(guī)格，適用于 不同的液壓系統(tǒng)中：膠囊慣性小，反應(yīng)靈敏，適合用作消除脈動(dòng)；不易漏
氣，沒(méi)有油氣混雜的可能：維護(hù)容易、附屬設(shè)備少、安裝容易、充氣方便，

是目前使用和研究最多的；但是隨著液壓技術(shù)的發(fā)展這種的蓄能器的缺點(diǎn)
也逐步顯現(xiàn)出來(lái)，比如一旦蓄能器選定，其工作參數(shù)就不能改變，無(wú)法滿(mǎn)

足系統(tǒng)工況多變的要求１２…。

迸油口

圖１—６皮囊式蓄能器
Ｆｉｇ．１?６ Ｂａｇ－ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ

１．２．２蓄能器的功用
一般情況下，蓄能器在液壓系統(tǒng)中的功用分為三大類(lèi)：存儲(chǔ)能量、吸 收液壓沖擊、消除脈動(dòng)【７】。 第一類(lèi)：存儲(chǔ)能量，這是蓄能器最原始的功能，目前的研究也很多。 在實(shí)際使用中這一類(lèi)功用叉可細(xì)分為：作輔助動(dòng)力源，減小裝機(jī)容量；補(bǔ) 償泄漏：作熱膨脹補(bǔ)償；作緊急動(dòng)力源：構(gòu)成恒壓油源。 以上五種功用原理基本相同，都主要應(yīng)用蓄能器能夠較大量存儲(chǔ)能量 的功能。其主要區(qū)別是功用不同時(shí)，蓄能器的工作參數(shù)不同。采用不同的
參數(shù)選擇公式就可以實(shí)現(xiàn)不同功用，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

第二類(lèi)：吸收液壓沖擊。換向閥突然關(guān)閉和換向、液壓缸運(yùn)動(dòng)的突然
６

第１章緒論

停止和運(yùn)動(dòng)、液壓泵的停車(chē)等原因都會(huì)使液壓管路中的油液壓力在慣性力

作用下劇增，造成壓力沖擊，使系統(tǒng)壓力在短時(shí)陽(yáng)Ｊ內(nèi)快速升高。
壓力沖擊會(huì)造成儀表、元件和密封裝置的損壞，并產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。 在沖擊點(diǎn)附近設(shè)置蓄能器可以將壓力沖擊在很大程度上吸收掉。為保證吸 收效果，蓄能器一般裝設(shè)在控制閥或液壓缸等沖擊源之前。

第三類(lèi)：消除脈動(dòng)、降低噪聲。對(duì)于采用柱塞泵且其柱塞數(shù)較少的液 壓系統(tǒng)，泵的流量多為周期變化，使系統(tǒng)中產(chǎn)生振動(dòng)；或者系統(tǒng)中元件固 有頻率和油液中的震動(dòng)頻率接近時(shí)產(chǎn)生液壓共振，都會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生一些復(fù)
雜的脈動(dòng)壓力。

這些脈動(dòng)壓力波在系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生很多危害：帶來(lái)大量的噪聲．損壞敏 感儀器和設(shè)備，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)性能交差等。裝設(shè)蓄能器，可以大量吸收 脈動(dòng)壓力，在流量脈動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)，瞬時(shí)流量高于平均流量的部分油液 被蓄能器吸收，低于平均流量部分由蓄能器補(bǔ)充，這就吸收了脈動(dòng)中的能 量，降低了脈動(dòng)。降低了脈動(dòng)壓力波的危害。 蓄能器在系統(tǒng)中所起的作用是很復(fù)雜的，在不同的時(shí)刻起著不同的功 用．甚至在同一時(shí)刻也要起不同的作用，所以在實(shí)際系統(tǒng)中研究蓄能器的 功用時(shí)，不能孤立進(jìn)行。 近年來(lái)，液壓傳動(dòng)由于和電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控 制技術(shù)、摩擦磨損技術(shù)及新工藝、新材料等的結(jié)合取得了新的發(fā)展，液壓 系統(tǒng)和元件在水平上有了很大提高。但是能耗大和效率低一直仍然是液壓 系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)之一，也是用戶(hù)十分關(guān)心的問(wèn)題，還是提高液壓技術(shù)與電 氣及機(jī)械傳動(dòng)競(jìng)爭(zhēng)力的主要因素【８，９】。所以，用蓄能器回收能量是目前研究 較多的一個(gè)領(lǐng)域，為了重視，也可以把這一功用單獨(dú)列出來(lái)ｆ１０】。

這方面的主要研究有：回收車(chē)輛制動(dòng)能量㈣：回收工程機(jī)械動(dòng)臂機(jī)構(gòu)
位能；回收液壓挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)能量；回收石油修井機(jī)及鉆機(jī)管校下落重 力勢(shì)能；回收電梯下行重力勢(shì)能。 所以，為了凸現(xiàn)回收能量功用的重要性，也可將蓄能器功用分為：存 儲(chǔ)能量、吸收液壓沖擊、消除脈動(dòng)和回收能量四大類(lèi)。

７

燕山人學(xué)【：學(xué)碩士學(xué)位論文

１．３蓄能器及其基礎(chǔ)理論的研究歷史和現(xiàn)狀
１７世紀(jì)和１８世紀(jì)是液壓理論發(fā)展的鼎盛時(shí)期，形成并成熟于這段時(shí)

期的流體靜壓傳遞理論、現(xiàn)代流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論、《流體動(dòng)力學(xué)》等文獻(xiàn)，
基本上奠定了現(xiàn)代液壓理論的基礎(chǔ)。同時(shí)，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用的要求，也出現(xiàn)

一些簡(jiǎn)單的蓄能器，比如用裝滿(mǎn)水容器做質(zhì)量塊的重力式蓄能器。但是這 時(shí)候的蓄能器使用和研究都是針對(duì)某一系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行的，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的理論。
１９世紀(jì)是液壓技術(shù)走向工業(yè)應(yīng)用的世紀(jì)。特別是工業(yè)革命以來(lái)，社會(huì)

產(chǎn)業(yè)的需求刺激了液壓技術(shù)及元件方面的不斷進(jìn)步。這一時(shí)期的蓄能器都 是針對(duì)某些液壓系統(tǒng)特殊設(shè)計(jì)地，也沒(méi)有相應(yīng)的成套理論。 ２０世紀(jì)是流體傳動(dòng)與控制技術(shù)飛速發(fā)展并日趨成熟的世紀(jì)。特別是３０ 年代以后，由于汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和二次世界大戰(zhàn)中大規(guī)模武器的生產(chǎn)促進(jìn) 了機(jī)械制造工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化概念與技術(shù)的形成發(fā)展，也是控制理論與 工作實(shí)踐結(jié)合并飛速發(fā)展的時(shí)期，從而也為電液、氣動(dòng)控制工程的進(jìn)步提 供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)進(jìn)步。第二次世界大戰(zhàn)后期，液壓機(jī)械受到青睞，液 壓伺服傳動(dòng)在軍事武器制造業(yè)的應(yīng)用使液壓傳動(dòng)和控制技術(shù)得以發(fā)展，液 壓控制技術(shù)、材料密封潤(rùn)滑技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步也為液壓控制理論 的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。而且這些技術(shù)再次大規(guī)模地轉(zhuǎn)向工業(yè)民用領(lǐng)域， 并蓬勃發(fā)展【６ｌ。從這一時(shí)期開(kāi)始，針對(duì)成熟液壓控制理論和實(shí)用技術(shù)的、 簡(jiǎn)單的蓄能器理論研究逐步受到重視，出現(xiàn)了具有通用性的蓄能器，比如 彈簧式蓄能器、更加成熟的重力式蓄能器和一些簡(jiǎn)單的氣體蓄能器ＩＳ～９１。 從二十世紀(jì)７０年代開(kāi)始，研究人員開(kāi)始重視蓄能器基本理論ｒ諸如參 數(shù)選擇公式和頻率計(jì)算公式等）的研究，并不斷將其完善。７０年代末期， 汽車(chē)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了蓄能器和蓄能器節(jié)能技術(shù)的研究。蓄能器在液 壓系統(tǒng)中的節(jié)能功用開(kāi)始引起重視。８０年代，蓄能器的結(jié)構(gòu)、種類(lèi)、形式 及功用開(kāi)始多樣化，研制各種類(lèi)型的蓄能器成為主要研究?jī)?nèi)容，目前通用 的蓄能器就是出現(xiàn)并成熟于七八十年代。９０年代，新型計(jì)算機(jī)軟、硬件和 控制技術(shù)的發(fā)展為液壓系統(tǒng)和智能型液壓元件的研究提供了先進(jìn)的研究工 具和研究手段，這為蓄能器的研究提出了新的要求。
８

第１章緒論

液壓理論及技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)新型液壓元件研制和開(kāi)發(fā)。目前，國(guó)內(nèi) 外針對(duì)蓄能器的研究工作大致有以下幾個(gè)方面Ｉｌ刈： （１、適應(yīng)新型液壓系統(tǒng)研究的發(fā)展，技術(shù)應(yīng)用方面的研究開(kāi)展較多。因 為隨著液壓系統(tǒng)向高壓、高速、高精度方向發(fā)展，很多特殊系統(tǒng)不斷出現(xiàn)， 這些系統(tǒng)對(duì)某個(gè)方面的要求一般很高，單純依靠改進(jìn)其它元件不能達(dá)到目 的，所以需要研制特殊蓄能?chē)套鳛槭侄巍１热玑槍?duì)吸收脈動(dòng)，日本的Ｓｈｉｎｉｃｈｉ
ＹＯＫＯＴＡ研制了一種新型有源蓄能器，由多級(jí)式的ＰＥＤ（Ｐｉｅｚｏ—Ｅｌｅｃｔｒｉｃ

Ｄｅｖｉｃｅ）裝置驅(qū)動(dòng)，可有效消除由液壓元件引起的高頻脈動(dòng)（５０－１００ Ｈ幻。又 如西安交大的邢科禮等人研制的一種串聯(lián)囊式蓄能器，它對(duì)頻率為
１１２～２８８

Ｈｚ的脈動(dòng)有良好的吸收效果，而且與常規(guī)蓄能器相比它的衰減頻

寬更寬【１∞。

（２）將已有的蓄能器理論和新的分析手段、控制理論以等結(jié)合起來(lái)，在 理論上進(jìn)行創(chuàng)新。即以現(xiàn)有理論為基礎(chǔ)，采用較先進(jìn)的研究手段和方法得 出一些更有價(jià)值的理論成果。比如：哈工大的陳照第等人運(yùn)用鍵圖理論分 析蓄能器對(duì)管路系統(tǒng)壓力沖擊的影響。他們利用鍵圖理論建立了蓄能器的 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，證明了蓄能器對(duì)壓力沖擊的抑制作用，針對(duì)蓄能器吸收壓 力脈動(dòng)的功用提出了有價(jià)值的理論。此方法還可推廣到其他含有蓄能器的 液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析中去。 （３）以現(xiàn)有蓄能器理論和液壓系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合不斷出現(xiàn)的新型設(shè) 計(jì)和計(jì)算軟件為支撐軟件，開(kāi)發(fā)用于蓄能器回路輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算的軟件。 比如ＰａｒｋｅｒＨａｎｎｉｆｍＣｏｒｐ推出的ＳｈａｒｐＥＬ５１２計(jì)算器，可以幫助用戶(hù)進(jìn)行 蓄能器參數(shù)選擇。還有我校吳曉明老師指導(dǎo)的碩士生趙琦同學(xué)在其論文《蓄 能器及其工作回路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)》中，在對(duì)蓄能器及其理論進(jìn)行充分
研究的基礎(chǔ)上，利用“嵌入式”專(zhuān)家系統(tǒng)理論，對(duì)蓄能器及其回路軟件進(jìn)行

智能化開(kāi)發(fā)，得到的蓄能器及其回路輔助設(shè)計(jì)軟件，可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人 員簡(jiǎn)便選擇合適的蓄能器ｐ】。并以中文Ｗｉｎｄｏｗｓ９８為操作平臺(tái)，以Ａｕｔｏｄｅｓｋ 公司的ＡｕｔｏＣＡＤＲｌ４和ＭａｔｈＷｏｒｋｓ公司的Ｍａｔｌａｂ５．１為支撐軟件，利用
Ｖｉｓｕａｌ

Ｂａｓｉｃ６．０語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了蓄能器及其回路ＣＡＤ軟件系統(tǒng)。這套軟件可從

蓄能器產(chǎn)品庫(kù)中為用戶(hù)選擇合適的蓄能器，并對(duì)不合理的參數(shù)予以報(bào)警；
９

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

還可以根據(jù)用戶(hù)提供的蓄能器回路及蓄能器參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性分
析。

（４）將管道流固耦合等特性和蓄能器特性結(jié)合研究，并將其應(yīng)用于液壓

系統(tǒng)消震、降低液壓沖擊也是目前蓄能器研究的一個(gè)主要內(nèi)容。比如浙江 大學(xué)的邱敏秀老師通過(guò)理論分析建立了加入蓄能器后閥控液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué) 模型，從理論和仿真角度研究了蓄能器對(duì)帶長(zhǎng)管道的閥控液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特
性的影響，得出了一些結(jié)論，為同類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析提供了理論基礎(chǔ)。 中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院的李天勇、劉應(yīng)德等人采用頻率響應(yīng)函數(shù)分析方法，

通過(guò)對(duì)帶能量吸收器德管道動(dòng)態(tài)特性及地震響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，探討了能量 吸收器對(duì)管道阻尼特性的影響，驗(yàn)證了阻尼器削減后能量吸收器在管道中 的減震效果，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，能量吸收器進(jìn)入塑性后，能夠提供較高的 阻尼比，較大地降低了管道的震動(dòng)。 總結(jié)目前蓄能器及其基礎(chǔ)理論研究的主要內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)這些工作具 有以下特點(diǎn)Ｉｌ副： （１）經(jīng)驗(yàn)性現(xiàn)有的蓄能器基礎(chǔ)理論大部分是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到的，很 多數(shù)據(jù)是研究人員在早期、研究手段不夠先進(jìn)的情況下采用經(jīng)驗(yàn)選擇的方
法得到的，所以得到的相應(yīng)理論也具有經(jīng)驗(yàn)性特點(diǎn)。

（２）不準(zhǔn)確，不統(tǒng)一同樣的原因，而且比如針對(duì)蓄能器參數(shù)選擇計(jì)算， 在不同的資料上就可以找到不同的選擇公式和數(shù)據(jù)，給研究和設(shè)計(jì)帶來(lái)了 很多困難。 （３）不系統(tǒng)可以看出，現(xiàn)在研究人員對(duì)于蓄能器的研究大多都是針對(duì) 某一特定系統(tǒng)進(jìn)行的，只是為了解決特定問(wèn)題進(jìn)行的，不具有系統(tǒng)性。 總的來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的蓄能器基礎(chǔ)理論已經(jīng)不能滿(mǎn)足液壓系統(tǒng)和液壓元件 研究的發(fā)展。

１．４本課題的主要研究?jī)?nèi)容
蓄能器是液壓系統(tǒng)中的最重要附件之一，其基礎(chǔ)理論主要包括蓄能器 數(shù)學(xué)模型和蓄能器參數(shù)選擇公式。這些基礎(chǔ)理論將決定蓄能器在液壓系統(tǒng)

１０

第１章緒論

中的使用效果，而且對(duì)研究帶有蓄能器的液壓系統(tǒng)性能研究起著重要作用。
本課題在前人研究的基礎(chǔ)上，將主要完成以下研究?jī)?nèi)容： ｆ１）總結(jié)分析前人研究蓄能器的成果，主要包括蓄能器歷史的簡(jiǎn)單回 顧、蓄能器類(lèi)型和功用、蓄能器近幾十年的研究歷史及其基礎(chǔ)理論的研究 歷史和研究現(xiàn)狀。 （２）以力學(xué)理論為依據(jù)，分析蓄能器氣腔、油腔的數(shù)學(xué)模型；另外，結(jié) 合管路Ｎ．ｓ方程，建立蓄能器連接管路的數(shù)學(xué)模型。 （３）以氣腔和油腔的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)研究蓄能器油腔的受力情況 建立不考慮連接管路的蓄能器數(shù)學(xué)模型；然后將管路數(shù)學(xué)模型和蓄能器數(shù) 學(xué)模型耦合集成在一起，研究包括管路在內(nèi)的蓄能器完整數(shù)學(xué)模型。 （４）分析蓄能器的數(shù)學(xué)模型，研究模型中各個(gè)參數(shù)和蓄能器工作參數(shù)之 間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；對(duì)蓄能器數(shù)學(xué)模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。得出參數(shù)的優(yōu)化 結(jié)果，找出蓄能器參數(shù)選擇的理論依據(jù)。 （５）在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中，以單純蓄能器數(shù)學(xué)模型為依據(jù)建立蓄能器的 仿真模型。主要對(duì)蓄能器消除脈動(dòng)和吸收壓力沖擊，對(duì)模型進(jìn)行仿真研究。 仿真過(guò)程中，以前邊的優(yōu)化結(jié)果為依據(jù)、結(jié)合兩種功用的工作原理，選取
仿真參數(shù)。

（６）以Ｅａｓｙ５為仿真軟件，建立結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)的蓄能器仿真模型，其中 考慮了蓄能器連接管路的影響。在系統(tǒng)仿真模型中，分別驗(yàn)證蓄能器對(duì)脈 動(dòng)和沖擊的吸收情況。 （７）實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)蓄能器消除脈動(dòng)和吸收壓力沖擊兩種功用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 回路、搭接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整蓄能器工作參 數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)情況，以此驗(yàn)證理論分析和仿真分析的結(jié)論。

１．５蓄能器基礎(chǔ)理論研究的目的及意義
多年以來(lái)，針對(duì)蓄能器的基礎(chǔ)理論進(jìn)行的專(zhuān)項(xiàng)研究并不多見(jiàn)，蓄能器 的實(shí)際使用還有很多缺陷，這些缺陷在一定程度上已經(jīng)制約了蓄能器的使 用。本論文就是要通過(guò)對(duì)蓄能器基礎(chǔ)理論的專(zhuān)項(xiàng)研究，以理論分析、仿真

１１

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

分析和實(shí)驗(yàn)研究為手段，得出蓄能器的準(zhǔn)確完善的數(shù)學(xué)模型及較為準(zhǔn)確的 蓄能器參數(shù)選擇公式；并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這些結(jié)論的正確性。

本課題的研究具備以下意義：
（１）蓄能器基礎(chǔ)知識(shí)的介紹使液壓領(lǐng)域的工作者對(duì)蓄能器這一液壓系 統(tǒng)中的重要附件的結(jié)構(gòu)、種類(lèi)、形式以及功用有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，為非本 專(zhuān)業(yè)研究人員初步認(rèn)識(shí)蓄能器提供了條件。 （２）蓄能器數(shù)學(xué)模型是蓄能器研究的基礎(chǔ)，本論文中建立的數(shù)學(xué)模型將 為蓄能器和蓄能器液壓系統(tǒng)的研究提供理論基礎(chǔ)。 （３）準(zhǔn)確的參數(shù)選擇直接決定蓄能器在系統(tǒng)中所起功用的效果，本課題 以先進(jìn)的研究分析手段和工具研究得到的蓄能器參數(shù)選擇公式，比以前的 參數(shù)選擇公式更準(zhǔn)確，更系統(tǒng)，是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員選擇蓄能器的理論依
據(jù)。

（４）本論文完成過(guò)程中通過(guò)大量仿真和實(shí)驗(yàn)工作研究了蓄能器參數(shù)改 變對(duì)系統(tǒng)性能影響的情況，這將為以后蓄能器在系統(tǒng)中的功用研究提供理 論和經(jīng)驗(yàn)上的指導(dǎo)。 （５）蓄能器在其他很多領(lǐng)域也開(kāi)始廣泛使用，主要是通過(guò)改進(jìn)蓄能器結(jié) 構(gòu)滿(mǎn)足某些特殊需要。比如把蓄能器做成氣液體彈簧用在汽車(chē)減震技術(shù)上， 取得了很好的效果。這些新的技術(shù)使用要求研究人員對(duì)蓄能器的基礎(chǔ)理論 有清楚的認(rèn)識(shí)，本論文的研究正好可以滿(mǎn)足這一需要。

第２章蓄能器數(shù)學(xué)模型的建立

第２章蓄能器數(shù)學(xué)模型的建立
２．１

引言
蓄能器是液壓系統(tǒng)回路中的重要附件之一，是一種重要的能量存儲(chǔ)裝

置。它利用力的平衡原理，使工作液體的體積發(fā)生交化，從而達(dá)到存儲(chǔ)或 釋放液壓能的作用。它對(duì)節(jié)約能源的使用、改善系統(tǒng)的性能、延長(zhǎng)系統(tǒng)中 控錐４元件及執(zhí)行元件的壽命起著至關(guān)重要的作用【３１。

２．２蓄能器的工作過(guò)程分析
詳細(xì)了解蓄能器的工作過(guò)程是研究蓄能器模型的基礎(chǔ)。蓄能器流量圖 解反映了蓄能器的基本工作原理，實(shí)際上蓄能器無(wú)論在系統(tǒng)中的功用是什

么?其充放液的過(guò)程都是一樣的。對(duì)蓄能器在工作過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的
分析則可以更清楚的反映蓄能器的工作原理。

２．２．１蓄能器工作過(guò)程流量圖解
蓄能器在液壓系統(tǒng)中的功用是通過(guò)一系列反復(fù)循環(huán)的充放液過(guò)程完成 的，下面簡(jiǎn)單用圖解的方法加以說(shuō)明嘲。

ｌ ｌ

０

Ｏ Ｏ

Ｏ

圖２－ｌ
Ｆｉｇ．２＿１

蓄能器充放渡過(guò)程流量分布圖

Ｆｌｏｗ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｆｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｂｌｅｄｉｎｇ

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

執(zhí)行元件在完成一次完整的工作過(guò)程時(shí)，對(duì)系統(tǒng)流量的需求是變化的， 若定量泵以最大流量需要設(shè)計(jì)，則會(huì)造成功率的浪費(fèi)。在執(zhí)行元件的進(jìn)油 路上加載蓄能器就可以采用小流量泵，減小泵的功率，節(jié)省能源。圖２．１ 是常見(jiàn)帶有蓄能器的系統(tǒng)流量圖，圖中虛線(xiàn)以下部分面積表示的是執(zhí)行元 件完成一次完整工作過(guò)程所需的總油量，虛線(xiàn)以下的斜線(xiàn)部分面積是執(zhí)行 元件工作過(guò)程中由泵提供的油量，虛線(xiàn)以上的斜線(xiàn)部分是蓄能器提供的油 量。由圖可以看出，假設(shè)在每一個(gè)時(shí)間段ｒｌ，ｔ：，ｔ∥．．的流速為

ｇ。，ｇ：，紛…，則平均流量璣可以用下式計(jì)算：

現(xiàn)＝銬＝等警（２－１）

２．２．２蓄能器工作過(guò)程內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖解
皮囊式蓄能器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如１．２．１中的圖Ｉ－６所示．工作過(guò)程中，蓄能 器充油時(shí)，皮囊中的氣體壓縮；放油時(shí)，氣體膨脹。菌形閥的位置也隨著 進(jìn)油壓力大小的變化而變化，蓄能器在各工作狀態(tài)如圖２．２所示【１４】。

（ｃ）

（ｄ）

圖２－２蓄能器充放液過(guò)程圖解
Ｆｉｇ．２－２ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｆｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｂｌｅｄｉｎｇ

１４

第２章蓄能器數(shù)學(xué)模型的建立

圖２－２（ａ）所示為蓄能器充氣過(guò)程，菌形閥被皮囊壓下，蓄能器關(guān)閉，
此時(shí)有
Ｐ。ｏＳ＞Ｐ￡Ｓ＋Ｆ

（２—２）

式中Ｐ。——蓄能器充氣壓力，如無(wú)特殊說(shuō)明，本論文中均用ｐ。表示蓄
能器充氣壓力

Ｐ，——連接蓄能器的管路中油液壓力

Ｓ——菌形閥等效面積 Ｆ——彈簧力
圖２－２（ｂ）所示為蓄能器充液過(guò)程，皮囊壓縮，菌形閥打開(kāi)，此時(shí)有 見(jiàn)Ｓ＜ＰｚＳ＋Ｆ，式中的兒為氣腔壓力。 圖２－２（ｅ）所示為蓄能器排油過(guò)程，皮囊膨脹，菌形閥也是打開(kāi)的，此 時(shí)有ｐ．Ｓ＞ｐＬＳ＋Ｆ。這可以認(rèn)為是蓄能器吸收壓力沖擊的結(jié)束階段。 當(dāng)連接管路中有脈動(dòng)壓力油液時(shí)，蓄能器工作狀態(tài)如圖２．２（ｄ）。因?yàn)?脈動(dòng)壓力是在某平均壓力值脅上下波動(dòng)，當(dāng)ＰＬ＞兒時(shí)，氣囊容積變��；

反之，當(dāng)ＰＬ＜Ｐｏ時(shí)，氣囊容積增大。也可以認(rèn)為是圖２－２徹和圖２－２（ｅ）交
替工作的過(guò)程。

２．３蓄能器各組成單元的數(shù)學(xué)模型分析
在建立蓄能?chē)痰臄?shù)學(xué)模型時(shí)，首先將蓄能器本體分為氣腔、油腔和連 接管路三部分，先研究各部分的數(shù)學(xué)模型，然后將這些模型通過(guò)其中的相 關(guān)參數(shù)聯(lián)系起來(lái)就可以得到整體的蓄能器模型。

２．３．１壓縮氣體模型
氣體的壓力、體積和溫度是理想氣體的重要參數(shù)，這三個(gè)參數(shù)可以完 整地描述氣體的狀態(tài)【１“Ⅲ。 氣體在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)叫氣體的粘性，不計(jì)粘性的氣 體稱(chēng)為理想氣體。理想氣體是一種假想的氣體，它的分子是一些彈性的、 不占據(jù)體積的質(zhì)點(diǎn)，分子間除了相互碰撞外，沒(méi)有相互作用力。一般情況 下的空氣可視為理想氣體，蓄能器皮囊中充入的氮?dú)庖部梢暈槔硐霘怏w【４】。
１５

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

一定質(zhì)量的理想氣體其狀態(tài)方程為

上｝＝Ｒ
』

ｎ礦Ｉ

（２?３）

式中Ｐ一氣體絕對(duì)壓力口ａ）

卜氣體體積（ｍ３）

ｂ一等熵指數(shù)（又稱(chēng)絕熱指數(shù)），ｋ＝％／ｃ。，時(shí)對(duì)于氮?dú)狻郑剑保?br />｝——?dú)怏w的熱力學(xué)溫度（Ｋ）
Ｒ．一氣體常數(shù)
氣體狀態(tài)發(fā)生變化的兩次時(shí)間間隔小于３ Ｓ時(shí)，可以認(rèn)為是一個(gè)絕熱 變化。絕熱狀態(tài)的氣體方程為

Ａ吁＝ｐ２嘭＝常數(shù)
狀態(tài)氣體方程是令式（２．４）中的ｋ＝１得到的，即 ｐ１Ｋ＝ｐ２Ｖ２＝常數(shù)

（２－４）

若兩次狀態(tài)變化時(shí)間間隔大于３ Ｓ，則認(rèn)為是一個(gè)等溫變化過(guò)程。等溫

（２．５）

對(duì)于密封在蓄能器皮囊中的氮?dú)�，�?dāng)其受到來(lái)自油腔的壓力時(shí)，因?yàn)?其中的氣體是向一個(gè)方向壓縮的，所以可以將其簡(jiǎn)化為圖２．３所示的氣體 彈簧一阻尼模型。

圖２－３氣體彈簧．阻尼模型
Ｆｉｇ．２＿３ Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆｇａｓ ｓｐｒｉｎｇ－ｄａｍｐ

分析該系統(tǒng)的受力，可得

魄一ｐ口Ⅺ＝ｋ魯＋巴三吃
式中

（２－６）

吒——皮囊在任意工作時(shí)刻的氣體剛度系數(shù) Ｃａ——皮囊在任意工作時(shí)刻的氣體阻尼系數(shù)
氣體的剛度是指隨著氣體壓強(qiáng)的變化，氣體體積的變化量。 則對(duì)于圈

２－３所示的氣體彈簧一阻尼模型中的氣體剮度有
１６

第２章蓄能器數(shù)學(xué)模型的建立

¨竺：竺辱：爿：史：Ａ：騏 鏟ｉ２右藶叫‘一ｄＶ ２‘節(jié)
式中

（２?７）

兒——密封氣體的某一時(shí)刻氣體壓強(qiáng)

圪——密封氣體的某一時(shí)刻氣體體積
氣體的阻尼ｃ口計(jì)算式為

乞＝嘶魯
式中ｌｃ－—?dú)怏w的粘度系數(shù)
體積變化有ｑ＝一Ａｖ／Ａｔ，則有
ｑ＝一圪 式中負(fù)號(hào)表示氣腔體積變化和油液流量相反。 將式（２．９）帶入式（２－６）并做拉氏變換得

（２－８）

設(shè)蓄能器進(jìn)油閥末端的流量為ｇ，即油腔油液流量變化和蓄能器氣腔

（２—９）

【只（ｓ）一只（ｓ舭＝（魯＋魯ｓＥＧ）

（２－１０）

【只（ｓ）一只㈣＝－｛去＋－魯ｌｑ（ｓ）
２．３。ｌ壓力油液模型’
的基本方程【１９－－２１］。 流體的連續(xù)方程為 ｑ＝ｖＡ＝常數(shù)

㈣，）

流體的連續(xù)方程、能量方程和動(dòng)量方程構(gòu)成了流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和流體力學(xué)

（２．１２）

式中Ｐ—＿通過(guò)截面面積為Ａ的截面油液流量
１——蠲過(guò)截面的油液流速 彳——油液的通流截面面積
每增加單位壓力，流體體積所產(chǎn)生的相對(duì)壓縮量，稱(chēng)為壓縮系數(shù)。壓 縮系數(shù)表達(dá)式為

１７

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

∥一古嘗
式中序一油液壓縮系數(shù) 肛—．流體原體積
△弘一體積的減少量

（２－１３）

△ｐ一壓力增量，由于壓力增加時(shí)油液體積減小，二者變化相反，
所以前邊加上負(fù)號(hào)

壓縮系數(shù)的倒數(shù)成為體積彈性模量。體積彈性模量

弘吉一吖嘉）
對(duì)于一段在管路中流動(dòng)的液體，其阻尼為

㈨４，
（２－１５）

Ｂ＝８掣，
式中

Ⅳ——油液動(dòng)力粘度

ｆ＿—管路長(zhǎng)度 ２．３．３連接管路的模型
液壓系統(tǒng)中的油液一般都以脈動(dòng)壓力波的形式傳遞的，對(duì)于在各種硬 管壁、水平放置的圓形管路中（直管路、彎曲管路、異徑串聯(lián)管路和分歧管 路）流通的油液，做如下假設(shè)：流體為連續(xù)介質(zhì)；在管路中作軸對(duì)稱(chēng)層流流 動(dòng)，并只有小幅擾動(dòng)；管壁基本是剛性的，即管壁的彈性與流體的壓縮性 相比可以忽略；流體的周向速度與徑向速度相比均可以忽略不計(jì)；溫度變 化很小時(shí)，認(rèn)為流體粘性系數(shù)恒定；管道內(nèi)徑尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，壓力沿管 道截面均勻分布，軸向熱傳遞項(xiàng)與徑向熱傳遞項(xiàng)相比可忽略不計(jì)：與壓力 波速相比，流速很��；并可略去重力影響。這樣的管路油液其支配方程包 括Ｎ．Ｓ方程和連續(xù)方程Ｕ２—２習(xí)。用圓坐標(biāo)系并略去其中的微小項(xiàng)，可得出以 下二維粘性流方程，即為管路油液基本方程

詈一吉?罷＋�。�?詈）
研

ｐ蘇

ｌ務(wù)２

，卻Ｊ

。．?Ｄ
、。７

１８

第２章蓄能器數(shù)學(xué)模型的建立

式中

扒ｖ＿卅向、徑向速度分量
ｐ一管道中油液壓力 工、，＿軸向、徑向坐標(biāo)
卜一油液粘度系數(shù)
Ｋ�！鸵旱捏w積模量

Ｆ１．粵＋宴＋蘭＋罷：ｏ 卻ｒ 敏 Ｘ。魂

、。

（２．１７）
。

當(dāng)管道連接到蓄能器上時(shí)，可以把連接管路和蓄能器進(jìn)油口部分簡(jiǎn)化 為圖２４，即包括一段帶有彎曲的同直徑管路和一段異徑串聯(lián)管路的復(fù)雜 管路。下邊分別對(duì)兩部分進(jìn)行分析，最后將其耦合即可得到連接管路的數(shù) 學(xué)模型。
島‘ ‘％

ｎ
●

唧

ｌ

爿ｆ
Ｉ

圖２－４連接蓄能器的管路簡(jiǎn)化模型
Ｆｉｇ．２－４ Ｔｈｅ ｓｉｍｐｉｉｆｉｅｄ ｍｏｄｅｌ

ｏｆｐｉｐｅ?ｌｉｎｅｊｏｉｎｅｄ ｃｏｎｎ∞－ｔｅ，ｄ ｔｏ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ

（１）彎曲管路模型建立對(duì)于如圖２－５所示帶有彎曲的管路，由式 （２．１６）、式（２．１７）得

ｌ舔∞ｊ—ｌ沌（蛐ｚ。Ｇ）洮Ｏ）】ｊｌｇ：０）ｌ ［２搠＝［舞出乙∞鼉滿(mǎn)洲］隆跚
式中

㈣ｓ，
ｕｄ”

Ｅ∽——管道的傳播算子，表達(dá)式為 ｒｌ如）＝見(jiàn)。ｓｑ√Ⅳｊｂ） 五。０）——管道的特征阻抗，表達(dá)式為
（２．１９）

１９

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

圖２－５彎曲管道的簡(jiǎn)化模型
Ｆｉｇ．２－５

Ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆｃｕｒｖｅ ｐｉｐｅ—ｌｉｎｅ

式（２－１９）和式（２?２０）ｑ６或?yàn)闊o(wú)因次耗散數(shù)，ｚ口為阻抗常數(shù)，ｒ?yàn)闊o(wú)量綱

時(shí)間因子，№）為頻率相關(guān)摩擦損失項(xiàng)。且有
見(jiàn)ｌ＝ｗｌ／積； ２０ｔ＝ｐ口｜磕ｉ ｆ１＝Ｒ？／ｖ
（２－２１） Ｑ－２２） （２－２３）

ⅣＧ）＝｛１一

ｌ

ｒ２—２４）

式中口一壓力波動(dòng)傳遞速度（ＩＩｌ／ｓ），口＝、壓：７萬(wàn)
山、以——零階、一階Ｂｅｓｓｅｌ函數(shù) ‘——管長(zhǎng)（ｍ）

ｐ一流體運(yùn)動(dòng)粘度，ｆ ｍ２／ｓ） ｐ～流體密度ｆｋｇ／ｍ３）
Ｒ１——管道半徑（ｍ） 式（２－１８）至式（２－２４）１１ｑ為流體傳輸管道分布參數(shù)模型的完整描述。
（２）異徑串聯(lián)管路模型建立對(duì)于如圖２－６所示的異徑串聯(lián)管路，各管 道內(nèi)的壓力損失比聯(lián)接部的壓力損失大得多，連接部的壓力損失可忽略不

計(jì)，即‰ｌ＝以２，靠１＝‰２。

２０

第２章蓄能器數(shù)學(xué)模型的建立

丹————————二札．

丹

矗［二二ｌ二ｚ二互７－口ｌｅ－Ｉ嗎
倒２－６異徑串聯(lián)管路簡(jiǎn)化模型
Ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐｉｐｅ．１ｉｎｅ

Ｆｉｇ?２－６

則由式（２?１６）、式（２－１７）可得

１９２０）Ｊ—Ｌ，＾ＩＦ；（，）Ｉ／７０：

『ｐ：Ｇ）］一ｒ

ｃ＾ｆｒ２０）】

五：如【ｒ２Ｇ）】］．

曲【ｒ２例Ｊ。

ｆ曲【ｒ３０）】 瓦，ｈ［ｒ，ｂ）］ｌｌｐ，Ｏ）］ ｌ曲［ｒ３ＧＷ互， 曲ｆｒ３Ｇ）】?jī)汉穑牵?br />
¨。訓(xùn)

…。

其中…琊心：卅麗２?槎鎊］必

嫩吧卿一竭麗２．勰］％

特齟抗‰＝暑［ｔ一麗２－瓦，ｓ，（。ｙ舭．ｉ１２ ｓ．，Ａ７Ｍ７ｖ）Ｊｌ一，
瓦＝籌［?一麗ｍＳ而，（．衄３ ｓ－４７麗７７ｖ）ｒ 音速口：：——絲絲二，疋：：厶，口２。
‘ｒ１＂ｉＫ，了２Ｒ２廿Ｉ—Ｐ２，ｘ“鬯…”
２１

鏟南’Ｔ．３＝１３／ａ３。
燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

如前所述，因?yàn)樾钅芷鬟B接管路和進(jìn)油閥部分可以簡(jiǎn)化為圖２．３所示 的帶有彎曲的同直徑管路和異徑串聯(lián)管路兩部分，所以將式（２．２５）代入式 （２－１８）就可得到蓄能器連接管道部分?jǐn)?shù)學(xué)模型，為

ｆＰｌＯ）１『拍【ｒｌＯ）】

Ｚｃ．?huà)D【ｒＩＧ）】１．，

【吼Ｇ）ｊ一【婦旺Ｏ坩乙
ｆ曲【ｒ２Ｇ）】

曲旺Ｏ）】ｊ“
ｚｃ：婦［ｒ２Ｇ）】１．．

【曲【ｒ２０Ｗ互：
ｆ曲旺Ｇ）１

拍畋Ｇ）】ｊ“
乙，曲【ｒ３ｂ）】１ｒｐ３Ｇ）］

ｌ，ｈ［ｎ（Ｏｌ／Ｚｏ，

曲【ｒ３例ｌｑ，Ｇ）ｊ
佗一２０

對(duì)以上蓄能器分布參數(shù)數(shù)學(xué)模型的進(jìn)行簡(jiǎn)化。首先對(duì)Ｂｃｓｓｅｌ函數(shù)比的

近似得到管道傳播算子ｒＯ）和特性阻抗ｚｃＧ）的簡(jiǎn)單表達(dá)式：

ｒ６）“見(jiàn)５『Ｊ１＋４步ｊ－＝ｉ＂—Ｓｆ曼－ＦＬｎ一：（扣ｌ’２，…，１０）
（２．２７）

五Ｇ）＊Ｚｏ

（扣ｌ…２．．，１０）
ｆ２－２８）

其中ｍ，和一ｉ是香川利治近似式的系數(shù)，見(jiàn)表２．１。

第２章蓄能器數(shù)學(xué)模型的建立 表２－１香川利治近似式的系數(shù)ｍｆ和ｍ
Ｔａｂｌｅ ２－１ Ｔｈｅ

ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ

ｍｉ ａｎｄ

ｎｉ

ｏｆａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ ｆｏｒｍｕｌａ

系數(shù)
ｌ ２

系數(shù)值
３ ４ ５

礎(chǔ)
啊

１．Ｏ
２６，３７４４

１１６７２５ ７２．８０３３

２．２嗍
１８７．４２４

３．９２８６ｌ ５３６．６２６

６．７８７８８ １５７０．６０

系數(shù)
６ ７

系數(shù)值
８ ５９．１６４２ ９ １０１．５９０ １１８１５３
１０

盹
ｎｌ

１Ｉ．６７６ｌ ４６１８．１３

２０．０６１２ １３６０１．１

１０１．５９０ ３４８３１６

４∞８２．５

其次，雙曲函數(shù)曲【ｒＯ）Ｊ和抽【ｒＯ）】都是含有復(fù)變量的，計(jì)算比較麻煩，
這里采用Ｏｌｄｅｎｂｕｒｇｃｒ和Ｇｏｏｄｓｏｎ的研究成果，將二者簡(jiǎn)化得

、％ ％ 砷ｍｎｌ－１（等＋魯…－］
，

㈤，
。

其中，扛ｋ、厶為無(wú)因次量丸的函數(shù)，利用模型近似化程序可以計(jì)算出其

中的函數(shù)關(guān)系；五的值完全由聯(lián)接管道的參數(shù)決定，即五：業(yè)。
’

ｎ

曲腳）１≈ｒ∽ｎ１－１［等粵ｔｕ，ａ…１］
～ｗⅢ
，

（２．，。）

其中，盛、￡為無(wú)因次量乃的函數(shù)，它們之間的關(guān)系與五和％，、厶之
間的關(guān)系相同；丑的值完全由聯(lián)接管道參數(shù)決定，五＝礦鞏。
由式（２－２８）幕Ｉ式（２－３０）相乘可以得到

乙ｏ№刪＝ｚｏ見(jiàn)獬ｒ?垂（等＋魯…ｔ］
（２?３１）

同理，由式（２—３０）除以式（２－２８）相乘可以得到

幫＝等?彝（等＋等…?］

口，∞

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

丸、丑、蛾，、￡．、嘁和“。統(tǒng)稱(chēng)為管路模型中的二階慣性項(xiàng)系數(shù)，
它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可由表２－２２，、屯和國(guó)。、ｆ一國(guó)二Ｉ、ｆ：的對(duì)照表得
出。 表２－２丑、ｔ和ｍ。、“、∞：、“的關(guān)系
Ｔａｂｌｅ２－２ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ＾，、Ａ．ａｎｄ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ∞＿、《。、《。、《：

＾或＾

１０
２７．９２

１５ ４２，７０ ０．１２７
６０

２０ ５７．６５

２５

３０ ８７．８０ ０．０８４
７５

３５ １０３．Ｏ

４０

４５

５０

ｄｋ或《
厶或晶
屯或五

７２．６９ ０．０９４ ７０
２０９．９

１１８．２
０．０７２ ８５ ２５６．０ ｎ０４５ ４００ １２３３
０．０１９

１３３．４ ０．０６７
９０

１４８，７ ０．０６３
９５

０．１６２ ５５ １６３．９ Ｏ．０６０ １００ ３０２２ ００３０

０．１０７
６５

０．０７７ ８０
２４０．６

‰或峨
厶或￡
五或＾

１７９．２ 氆０５７ １５０ ４５６，５ ０．０２７

１９４．６ ０．０５３ ２００
６ｔｔ ４

２２５．２ ｎ０４９ ３００ ９２１．８ ０．０２ｌ

２７１．４ ０．０４３
４５０ １３８８

２８６．８ Ｏ．。３５ ５００ １５４４
０．０１７

０．０５１
２５０

０．０４７
３５０

‰或《
厶或品

７６６．５ ０．０２２

１０”
Ｏ．０２０

０．０２４

００１８

如果將式（２．２６）中的三個(gè)矩陣的乘積用矩陣Ａ表示，則有：

［０］＝４［￡］＝［：：：］［２］
由式（２－３３）得
Ｐｌ

Ｑ－，，，

２ｑ１Ｐ３＋ａ１２ｑ３ｌ

粵１ ２口２Ｉｐ３＋ａｚ２ｑ３ Ｊ

ｆ２－３４）

對(duì)式（２－３４）做拉氏交換，得

雄）Ｉ＝ａｌｌ忍Ｇ）＋口ｌ：島Ｏ）１
ＱｌＧ）＝ａ２１只Ｏ）＋ｃ—。ｇＧ）Ｊ
其中，ａＩｌ、口１２、吒ｌ、ａ∞分別為
口ｌｌ＝

ｆ２—３５）

砌［ｒｌＯ）】?砘Ｏ）】?曲ｆｒ３０）】＋Ｚｃ，婦［ｒＩｂ）】?曲致㈣乙：?沌Ｏ）】＋
ｃ．ｊｌ豇Ｇ）】?互。曲【ｒ２Ｇ）】?ｓｈＩｔ，Ｇ彬互，＋ｚｄ如峨ｂ）】－拍旺Ｇ）】－ｓｈｎ０彬乏，

；

第２章蓄能器數(shù)學(xué)模型的建立
ｑ２＝

幽【ｒＩＯ）】－ｃｈ［ｒ，Ｇ）】?Ｚｃ，曲【ｒ３Ｇ）】＋五。ｓ＿ｌｌＥＯ）１?ｓｈ旺Ｏ）］／ｚ∥Ｚ。：ｈ［Ｆ３０）１＋；

如【ｒｌＯ）】．互：媯【ｒ２Ｇ）】．曲【ｒ３０）】＋乏。ｓ廳【ｒ１０）】?沌Ｇ）】?如【ｒ３Ｇ）】

口２ｌ＝

曲【ｒｌｂ）Ｖ乏。．曲【ｒ２０）】．拍【ｒ３０）】＋ｃ廳【ｒｌｂ）】．ｓｈ【ｒ２ｂ）１，互：．拍【Ｆ３０）】＋ ｓｈ［ｒ，Ｏ）ｌ／ｚｏ。?互：曲ｆｒ２０）】－曲【ｒ３０）］／ｚｏ，＋拍【ｒｌＧ）】?幽ｆｒ２Ｇ）】．ｓｈ虬Ｇ彬互，
４２２＝

；

ｓｈ［ｒ，Ｏ）］／ｚｏ。?如【ｒ２Ｇ）】．毛曲【ｒ３剛＋ｃ啦０）】．ｓｈｋＧ）１／乙：．Ｚｅ３８ｈ［Ｆ３０）】＋。
曲【ｒｌＯＷ互，?乙：衲【Ｆ２Ｇ）】?拍【ｒ３Ｇ）】＋拍【ｒＩＯ）】．如【ｒ２Ｇ）】．曲ｆｒ３Ｇ）】
２．４蓄能器整體數(shù)學(xué)模型的綜合處理
在綜合處理蓄能器的數(shù)學(xué)模型時(shí)，首先將其分為三部分：氣腔部分、 液腔部分和連接管道部分；然后將建立這三部分的壓力．流量關(guān)系關(guān)系，得 出蓄能器的完整數(shù)學(xué)模型。實(shí)際分析過(guò)程中，將蓄能器簡(jiǎn)化為圖２．７所示

的簡(jiǎn)化模型，對(duì)圖中蓄能器三部分的連接點(diǎn)——液腔做受力分析，就可以
得出薔能器的力學(xué)模型；然后根據(jù)各部分之間的壓力．流量關(guān)系，對(duì)蓄能器 力學(xué)模型進(jìn)行分析就得到了蓄能器的完整數(shù)學(xué)模型【掘刪。

圖２．７蓄能器模型簡(jiǎn)化圖
Ｆｉｇ．２－７ Ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｉｅｄ ｇｒａｐｈ ｏｆａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｍｏｄｅｌ ２５

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

蓄能器各段連接管路和迸油閥、油腔的壓力及流量關(guān)系如圖２．７中所 示。在分析過(guò)程中，可將蓄能器各段連接管路分為一段彎曲管路和～段異

徑串聯(lián)管路兩部分表示出來(lái)。則將各部分的壓力、流量分別定義為Ｐ。、‰：、
Ｐ胛３、Ｐ３、Ｐ４和吼、ｇ卅２、ｇ聃３、ｑ３、９４，蓄能器氣腔的壓力為ｐ。、體積 為礦、體積變化量為ＡＦ＂。 在２＿２．３中已經(jīng)對(duì)蓄能器連接管路及進(jìn)油閥部分的管道效應(yīng)做了較為 詳細(xì)的分析，所以只需要應(yīng)用前邊理論將圖２．７所示的ｌｉ－１２．１３段管路進(jìn)行
處理，然后考慮油腔和氣腔之間的受力分析即可１２９－－３１１。

在分析氣腔和油腔受力時(shí)，首先做如下假設(shè)：蓄能器充壓過(guò)程較慢， 氣體壓力和體積的變化近似為等溫過(guò)程；蓄能器放油過(guò)程較快，近似為絕 熱過(guò)程；與氣體相比，油液的壓縮性可以忽略；油液在蓄能器中的流動(dòng)可
視為層流。

隔離氣腔和油腔的皮囊面積近似等效為蓄能器殼體中間橫截面的內(nèi)圓 面積。大小為以，而且皮囊的質(zhì)量在蓄能器工作的大多數(shù)情況下和油腔的 油液質(zhì)量等相比很小，可以省略。所以就將受力對(duì)象限定在油腔的油液上， 其質(zhì)量為ｍ。，這部分油液屬于壓力油液。顯然，在不考慮油液的彈性模囊
時(shí)，這部分質(zhì)量的受力平衡方程為

（ｐ，－ｐｏ）Ａｏ：竺釜：堡：曼璺竺 ：竺莖：壘霉：！：蓋：竺
＾

∞６）
（２－３６）

式中ｐ４——油腔中靠近進(jìn)油口段端壓力

甜一氣腔壓力
４廣—．油腔的截面積

�。蛞挥颓涣黧w質(zhì)量，ｍａ＝尸Ｋ
乳—一油腔油液流速

覷ｒ一油腔中的阻尼系數(shù)，玩＝８州ｂ
ｐ——油液的動(dòng)力粘度，Ｐ。ｓ
島——?dú)怏w的彈簧剛度，見(jiàn)式（２．７）

Ｇ——?dú)怏w阻尼系數(shù)

墨：蘭堊蹩墨鍪蘭堡型墼塞圭

設(shè)（ｐ，，Ｋ）為氣腔部分某確定－ｒ作點(diǎn)的壓力和體積狀態(tài)，（見(jiàn)，屹）為蓄能 器氣腔中任意工作狀態(tài)，則根據(jù)式（２４）有

ｐｉｖ，‘＝Ｐ。曙
對(duì)式（２—３７）在點(diǎn)（Ａ，Ｋ）處求導(dǎo)展開(kāi)，略去高次項(xiàng)，得

（２－３７）

ｔ 誓＝一等?盟 ｄ）８３－２（
西
形

’

因?yàn)樾钅芷鬟M(jìn)油閥流速為吼，氣腔氣體體積為圪，則根據(jù)式（２－９）有

ｇ．＝一彤／擊
于是，由式（２—３９）和式（２－３８）得
．９４ ｏＰ ｕ＿Ｐｋｉ：＝ｉ＿一９４

（２－３９）

（２珥ｏＪ （２４０）

將式（２－３９）、式（２４０）帶入式（２?３６），并做拉氏變換得

∞，；囂＝去÷［嬲夕＋魄＋巴ｂ＋卜＋％筍）］Ｑ４ｔ，
或者將式（２?９）做拉氏變換，帶入上式，可得到以氣腔體積為輸出的蓄

㈣２勰２而翻㈣）
∞卜壺’赤
�！凇�

（２４３）

，

Ｋ

其中，％為蓄能器的無(wú)阻尼固有頻率，ｑ＝撕；＝７瓦，單位：ｒａｄ／ｓ；ｔ為 蓄能器模型的等效彈簧系數(shù)，ｔ＝√乞＋概爿：／巧，ｋｇ?ｍ２／ｓ２；ｆ為蓄能

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

器氣腔．油腔的等效阻尼比，ｆ＝（見(jiàn)＋ｅ）／２√巧ｉ，無(wú)量綱㈤�？梢钥闯�，
當(dāng)不考慮連接管路的影響時(shí)，蓄能器性能主要和蓄能器的橫截面內(nèi)圓面積、 充氣壓力、充氣體積、油液阻尼有關(guān)。 考慮連接管路對(duì)蓄能器性能的影響，近似認(rèn)為Ｐ３＝Ｐ４、９３＝ｇ。，結(jié)合 式（２—３２）、式（２－４１）消去中間量，可以得到Ｐ，、ｇ。的關(guān)系

Ｇ６）：掣：
’。

鼻Ｏ）

（２－４４）

如果要考慮ｐ１、巧的關(guān)系，結(jié)合式（２—３２），式（２－４２）得

刪＝鬻＝

螂夕如風(fēng)鴝ｍｔ鐫怕，警鴝：�。茛瑁�
式（２－４４）、式（２－４５）就是蓄能器的考慮連接管路的完整數(shù)學(xué)模型。從式 （２．４４）、式（２－４５）可以看出，蓄能器系統(tǒng)的阻尼比及無(wú)阻尼同有頻率和蓄能 器油腔的油液質(zhì)量、油液阻尼、氣腔阻尼、蓄能器的工作參數(shù)（充氣壓力、

總?cè)莘e）有關(guān)，也和連接管路的二階慣性項(xiàng)系數(shù)五、＾、峨。、厶、“，和晶 有關(guān)，而這些系數(shù)項(xiàng)是由管路的長(zhǎng)短、內(nèi)徑及油液狀態(tài)聯(lián)系在一起的㈣。

２．５本章小結(jié)
本章首先分別采用流量圖和蓄能器工作過(guò)程圖分析了蓄能器的工作過(guò) 程，然后分別建立了蓄能器各部分的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上通過(guò)數(shù)學(xué)處理 得出了蓄能器不考慮連接管路的數(shù)學(xué)模型和考慮連接管路的數(shù)學(xué)模型。

第３章蓄能器參數(shù)選擇的研究

第３章蓄能器參數(shù)選擇的研究
３．１

引言
蓄能器的參數(shù)選擇是蓄能器基礎(chǔ)理論的又一個(gè)重要組成部分。蓄能器

的參數(shù)主要分為結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。結(jié)構(gòu)參數(shù)是指薔能器中固定的而且 蓄能器結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)，通常包括蓄能器進(jìn)油閥形狀和尺寸、進(jìn)氣閥形狀 和尺寸、蓄能器殼體形狀和尺寸；工作參數(shù)是指可以根據(jù)系統(tǒng)工況要求進(jìn) 行認(rèn)為調(diào)整或者選擇的參數(shù)，包括蓄能器的總?cè)莘e和蓄能器的充氣壓力。 目前，對(duì)于蓄能器參數(shù)的研究進(jìn)行的比較少，大部分研究主要集中在針對(duì) 工作參數(shù)的研究上，而且這些研究也大多是針對(duì)某一特定系統(tǒng)做的一些特 殊研究，具有一定的缺陷。 在第２章的２．３節(jié)“蓄能器整體數(shù)學(xué)模型的綜合處理”中，得到了皮 囊式蓄能器的兩個(gè)數(shù)學(xué)模型：一個(gè)為不考慮連接管路影響的數(shù)學(xué)模型，結(jié) 果為式（２－４２）：另一個(gè)為考慮連接管路影響的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果為式（２－４５）。 而且得出了影響蓄能器性能的一些重要參數(shù)，并將其分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是 蓄能器的油腔油液質(zhì)量、油液阻尼系數(shù)、氣腔阻尼系數(shù)和蓄能器的工作參 數(shù)（充氣壓力、總?cè)莘e）；另一類(lèi)是連接管路的二階慣性項(xiàng)系數(shù)，包括五、五、

翻ｏ、厶、甌和￡。要得到蓄能器工作參數(shù)的選擇公式，就需要對(duì)這些
參數(shù)進(jìn)行深入分析。但是在分析的時(shí)候，應(yīng)該遵循從易到難、循序漸進(jìn)的 研究過(guò)程，即首先研究不考慮連接管路對(duì)蓄能器性能影響時(shí)得到的數(shù)學(xué)模
型。

所以，本章首先針對(duì)前邊建立的蓄能器數(shù)學(xué)模型式（２．３９）進(jìn)行理論分 析，建立蓄能器模型中的參數(shù)：液腔油液等效質(zhì)量拼，油液阻尼系數(shù)鼠、

氣腔氣體阻尼系數(shù)ｅ、氣腔剛度ｋｏ和表達(dá)式自‰群／圪。與蓄能器工作參數(shù)
（總?cè)莘e‰、充氣壓力ｐ。）及系統(tǒng)工況之闖的關(guān)系。然后以二階振蕩系統(tǒng)
時(shí)域響應(yīng)分析的理論結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合蓄能器在吸收脈動(dòng)和消除壓力沖擊 時(shí)對(duì)蓄能器性能的要求，對(duì)蓄能器的無(wú)阻尼系數(shù)固有頻率和阻尼系數(shù)進(jìn)行

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出蓄能器吸收脈動(dòng)和消除壓力沖擊時(shí)的、更為準(zhǔn)確的參數(shù)選 擇公式口¨８１。

３．２蓄能器數(shù)學(xué)模型的回顧和分析
本節(jié)主要研究式（２－３９）中的參數(shù)項(xiàng)與蓄能器工作參數(shù)以及系統(tǒng)工作參

由２．２．４中得到的不考慮連接管路的蓄能器數(shù)學(xué)模型式（２．４１）可知，當(dāng)
以蓄能器進(jìn)油口處壓力Ｐ為輸入信號(hào)，以蓄能器油腔油液的體積Ｖ為輸出 時(shí)，這兩個(gè)量之間的傳遞函數(shù)為

式中

ｍｄ——油腔中等效質(zhì)量

㈣２勰２再翻ｐ１）
刪２憊’去
％＝肛寫(xiě)研
ｐｚ，

ｑ——?dú)馇粴怏w阻尼系數(shù)

表達(dá)式皇籮笠中的‰為充氣壓力，％為蓄能器的總?cè)莘e，定義為
＿｜｝．：壘盟簍
‘

圪。 式（３－１）的傳遞函數(shù)中反映的蓄能器系統(tǒng)是一個(gè)二階振蕩系統(tǒng)，將其簡(jiǎn)

化昧二階振蕩系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式，得蓄能器數(shù)學(xué)模型為

將式（３－１）和式（３．２）對(duì)比，可以得到蓄能器無(wú)阻尼系數(shù)固有頻率蛾為

（３－３）

第３章蓄能器參數(shù)選擇韻研冤

其中，屯為蓄能器氣腔的氣體剛度，單位ｋｇ?ｍ２／ｓ２。
蓄能器阻尼系數(shù)ｆ為

ｆ２籀
舯＾＝卜警。
能器工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)（蓄能器殼體橫截面面積）有關(guān)。

ｐ４）

顯然，從式（３－３）、（３－４）ＮｐＡ看出，蓄能器系統(tǒng)的無(wú)阻尼系數(shù)固有頻率 和阻尼系數(shù)與油腔油液質(zhì)量、油液阻尼系數(shù)、氣體的阻尼系數(shù)、剛度及蓄

３．３蓄能器模型參數(shù)與工作參數(shù)、系統(tǒng)工況之間的關(guān)系
從式（３－１）到式（３－４）可以看出影響蓄能器系統(tǒng)性能的參數(shù)有油腔中油

液等效質(zhì)量訛，油腔中的油液阻尼系數(shù)島，氣體的剛度島和阻尼系數(shù)ｃ口，
這些參數(shù)稱(chēng)為蓄能器的模型參數(shù)。下邊逐一確定蓄能器模型參數(shù)和蓄能器 工作參數(shù)及工況變化之間的關(guān)系。

３．３．１油腔油液等效質(zhì)量的確定
當(dāng)蓄能器的充氣壓力、蓄能器總?cè)莘e選定時(shí)，油腔油液的等效質(zhì)量是 隨著系統(tǒng)工作壓力變化而變化的１３４１。系統(tǒng)工作壓力變大時(shí)，油液體積變大， 等效質(zhì)量隨著變大；反之，系統(tǒng)工作壓力變小時(shí)，油液體積變小，等效質(zhì) 量隨著交小，所以油液的質(zhì)爨也直接和油腔中油液的體積ＡＶ聯(lián)系在一起。 如果系統(tǒng)工作壓力為ｐ，那么此時(shí)系統(tǒng)中氣腔承受壓力也為Ｐ，由氣 體波義耳定律得

ｐＶ“＝Ｐ。ｏ％
式中，ｖ為系統(tǒng)工作壓力ｐ下的氣腔體積，則

（３—５）

礦＝（刳ｉ‰
于是可以得到油腔中油液的體積
３ｌ

ｐｓ，

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

∥氓∥叱＿ｃ鐘‰

（３－７）

＂岍Ｈ才‰卜
化”得出，當(dāng)油液工作溫度為５０℃時(shí)，ｐ－－０．８５ｘ１０’ｋｇ，ｍ３。

�。螅�

油液密度ｐ．－ｆ以通過(guò)查文獻(xiàn)［４】的表“不同類(lèi)型液壓介質(zhì)的密度隨溫度的變

結(jié)論：當(dāng)蓄能器和工作壓力確定后，其油腔儲(chǔ)存油液的等效質(zhì)量隨著 充氣壓力的增大而減�。划�(dāng)蓄能器和充氣壓力確定后，隨著工作壓力的增

３．３．２油液阻尼系數(shù)的確定

式中。ｋ為蓄能器在平均脈動(dòng)壓力下油腔的長(zhǎng)度，這里將其取為等效長(zhǎng)度， 即油腔油液總體積與橫截面積的除積，其計(jì)算式可表達(dá)為【３５１ ｋ

２等

（３．１０）

其中，＾為皮囊式蓄能器橫截面內(nèi)圓最大面積。 結(jié)合式（３－７）、（３?９）得

點(diǎn)。＝＝ｓ巧Ⅳ［ｒ：。?—（等］÷Ｐ：。］盧。ｃｓ－，一，
油液阻尼系數(shù)風(fēng)和油液動(dòng)力粘度∥有關(guān)，而油液的動(dòng)力粘度與油液的 式中

∥＝硒礦 地——一個(gè)大氣壓下液體的動(dòng)力粘度（ｐａ．ｓ）

（３－１２）

第３章蓄能器參數(shù)選擇的研究

口——液體粘壓系數(shù)。對(duì)礦物油型液壓油，口＝Ｏ．０１５～０．０３５ ＭＰａ～，
為方便計(jì)算取口＝Ｏ．０２ ＭＰａ＂１ 動(dòng)力粘度也可以表示為流體在同一溫度下運(yùn)動(dòng)粘度ｖ和流體密度的乘
積【４１，即口＝ｖｐ； 于是可以得到
蘆ｏ＝ｙｏＰ

（３－１３）

式中，咋的值和油液的工作溫度有關(guān)。當(dāng)油液工作溫度為５０℃時(shí)，分別

查文獻(xiàn)【４ｊ的表“礦物油的運(yùn)動(dòng)粘度隨壓力和溫度的變化”和表“不同類(lèi)型
液壓介質(zhì)的密度隨溫度的變化”得油液運(yùn)動(dòng)粘度ｖ＝３５ｘ１０“ｉｎ２／ｓ、油液密
度ｐ＝０．８Ｓｘｌ０３ ｋｇ／ｍ３，將結(jié)果帶入式（３一１４）得鰳＝２９．７５×１０～Ｐａ?ｓ。

油液的動(dòng)力粘度與油液的壓力有關(guān)，表３．１是油液壓力不同時(shí)的動(dòng)力
粘度。
表３－１油液壓力Ｐ不同時(shí)的動(dòng)力粘度口
Ｔａｂｌｅ ３－ｌ Ｔｈｅ ｋ妞ｅｔｉｃ

ｖｉｓｃｏｓ畸Ｆ ｖ／ｔ慨ｌｉｑｍｄ ｐｒｅ昭ｐ ｉｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
３ ４ ５ ６ ７

Ｐ（ＭＰａ）
ｅ＿

１

２

１．０２０ ３０．３４５
８

１．０４１ ３０．９７
９

１．０６２

１．０８３ ３２．２１９
ｌｌ

１．１０Ｓ ３２．８７４ １２ １．２７１ ３７．８１２ １９ １．４６２ ４３．４９５

１．１２７ ３３．５２８
１３

１．１５０
３４．２１５

Ｕ（ｔ０－’Ｐａ?訂

，１．５蛄
ｌＯ

Ｐ（㈣
ｅ＿

１４

１．１７４
３４．９２７
１５

１．１９７ ３５．６ｌｌ １６
１．３７７

１．２２１

１．２４６ ３７．０６９
１８

１．２９７ ３８．５８６
２０ １．４９２

１．３２３ ３９．３５９

ｕ（１０４Ｐａ?ｓ） Ｐ西口盤(pán)）
Ｂ印

３６．３２５
１７

１．３５０ ４０．１６３

。１．４０５

１．４３３ ４２．６３２

∥（１０＂２Ｐａ?ｓ）

４０．９６６

４１．７９９

４４．３８７

結(jié)論：當(dāng)蓄能器的工作壓力確定后，油腔中儲(chǔ)存的油液阻尼系數(shù)是重 要參數(shù)之一。油液的阻尼系數(shù)隨著蓄能器氣腔的充氣壓力增大麗減��；反 之，當(dāng)蓄能器充氣壓力減小時(shí)，阻尼系數(shù)值增大。油液阻尼系數(shù)還和油液 的工作壓力有關(guān)，當(dāng)蓄能器和充氣壓力確定后，油液隨著工作壓力的增大
面增大。
３３

鲞生盔堂三莖堡主主堡堡苧 ３．３．３氣體的阻尼系數(shù)的確定
氣體的阻尼系數(shù)表達(dá)式為

Ｃｏ＝嘶。÷ 島
度可按下式計(jì)算［４１：

（３－１４）

氣體的阻尼系數(shù)與氣體的絕對(duì)粘度／ｚ。（單位Ｐａ?ｓ）有關(guān)，氣體的絕對(duì)粘

／ｚ．＝１．７４６ｘ１０－５

ｘ麗３８４×２７３＋ｔｌｉ

（３－１５）

其中，ｒ?yàn)榭諝鉁囟龋ā妫?表３－２是氣體的絕對(duì)粘度以隨溫度變化的對(duì)照表。
表３－２氣體絕對(duì)粘度／／ｏ與氣體溫度ｔ對(duì)照表
Ｔａｂｌｅ３—２ Ｔｈｅ ａｎｔｉｔｈｅｓｅｓ ｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｇａｓ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ兒ａｎｄ ｇａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｒ

虻℃） 心（１０＇。Ｐａ?ｓ）
疽℃）

０
１．７４６

１０ １．７９６ ７０
２．０７９

２０
１．８４５

３０ １．８９４

４０

５０
１．９３８

１．９４１

６０

８０

９０
２．１６８

ｌ∞
２．２１２

以（１ｆｆ２Ｐａ?５）

２．０３４

２．１”

液壓系統(tǒng)存在脈動(dòng)時(shí)，蓄能器中氣腔的溫度系統(tǒng)通常在６０℃左右。
�。铮剑玻埃常矗保啊�?

式（３．１４）氣體的體積由式（３秭確定，將式（３－６）代入式（３—１４），得
，

、三

糾微降］‘，魯
尼系數(shù)同樣隨著隨著工作壓力增大而減小。

ｐｔ回

結(jié)論：當(dāng)蓄能器所在系統(tǒng)的工況確定后，即蓄能器進(jìn)油口的壓力已定， 蓄能器的皮囊中氣體阻尼系數(shù)隨著充氣壓力不同會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)氣體的的 充氣壓增大時(shí)，阻尼系數(shù)隨之增大：當(dāng)蓄能器的充氣壓力確定后，氣體阻

莖：童董堂墨童墼壟堡塑塹壅
３．３．４氣體剛度的確定
對(duì)于氣體剮度ｈ的定義及其計(jì)算表達(dá)式在２．２．１壓縮氣體模型中做過(guò) 詳細(xì)討論，并得到氣體剛度的計(jì)算式（２—７）。結(jié)合式（２．７）口－－Ｉ以得到蓄能器皮 囊中的氣體剛度表達(dá)式為Ｄ９１

驢鬈．簪（３－１７）
設(shè)０蚰，ｐｒ曲）為氣體的某工作狀態(tài)，這里選取蓄能器油腔無(wú)油液時(shí)氣體的

狀態(tài)，即ｐ曲，‰分別為蓄能器的充氣壓力和總?cè)莘e。
當(dāng)給系統(tǒng)工作壓力為Ｐ時(shí)，式（３一１７）中的體積ｙ是該壓力下的值，結(jié) 合式（３－４）得

雌㈧帆％堵
Ｌ ｐ／

㈣
‘ ‘

顯然，礦和系統(tǒng)平均脈動(dòng)壓力、蓄能器充氣壓力及總?cè)莘e有關(guān)。將式（３．１８） 帶入式（３－１７）得

吒州［丟］％ｐ嘧
它與蓄能器總?cè)莘e成反比［４０ｌ。

ｐ柳

結(jié)論：當(dāng)蓄能器和工作壓力確定后，皮囊中氣體的剛度隨著充氣壓力 的增大而減小；當(dāng)蓄能器和充氣壓力確定后，隨著工作壓力的增大而增大。

３．３．５七．的確定
首先，令

掣：與
圪。
３５

‘

（３－２０）

在第２章對(duì)蓄能器油腔做受力分析時(shí)，得到的蓄能器油腔受力分析公
式（２－３３）為

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

¨¨以＝去卜爭(zhēng)嘶－叱２；－＋ｃ口．警啦匕］
顯然，由其分析過(guò)程知式中的島以為皮囊中氣體壓力為Ｐ。時(shí)作用在 皮囊底面上的作用力，所以ｋ，和蓄能器的初始狀態(tài)有關(guān)，式（３．１７）ＢＰ為二者

之間的關(guān)系Ｈ１ｍ】。

結(jié)論：竺：罷蘊(yùn)隨著充氣壓力的增大而增大，與總?cè)莘e成反比。
／口Ｏ

３．３．６系統(tǒng)工作壓力、蓄能器充氣壓力與％、ｆ之間的關(guān)系
式（３－８）、式（３－１１）、式（３?１６）、式（３一１９）、式（３—２０）分別給出了模型參數(shù) 與系統(tǒng)工況、蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。而式（３－３）、式（３．４）分別給出的 是系統(tǒng)無(wú)阻尼系數(shù)固有頻率、阻尼系數(shù)與系統(tǒng)各個(gè)模型參數(shù)之間的關(guān)系。 將式（３－８）、式（３－１１）、式（３－１６）、式（３－１９）、式（３—２０）分別代入式（３．３）、 式（３．４）中，消去模型參數(shù)項(xiàng)，就可以得到系統(tǒng)工況、蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)與無(wú) 阻尼系數(shù)固有頻率、阻尼系數(shù)之間的關(guān)系。即

ｆ＝

ｆ３—２１）

曠一倍竭

第３章蓄能器參數(shù)選擇的研究

行優(yōu)化，最終得到蓄能器工作參數(shù)充氣壓力的選擇公式。

３．４基于不同功用的蓄能器參數(shù)選擇
液壓系統(tǒng)中都或多或少的存在脈動(dòng)和沖擊，而蓄能器消除脈動(dòng)、吸收 沖擊也是通過(guò)存儲(chǔ)能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此蓄能器的功用在實(shí)際應(yīng)用中是不能 嚴(yán)格割裂劃分的。但對(duì)不同的系統(tǒng)要求，蓄能器的功用又存在主次之分１４３ｌ。

３．４．１作能量暫存器的參數(shù)選擇
蓄能器作能量暫存器時(shí)，其功用可根據(jù)系統(tǒng)要求細(xì)分為：作輔助動(dòng)力 源，補(bǔ)償泄漏、保持壓力，作緊急動(dòng)力源和回收能量四種功用。對(duì)于這幾 種功用的參數(shù)選擇公式，研究已經(jīng)很成熟，經(jīng)驗(yàn)也很豐富，在這里做一些 簡(jiǎn)單的總結(jié)，并提出一些選擇經(jīng)驗(yàn)【＊啪】。 （１）作輔助動(dòng)力源 對(duì)于工作過(guò)程中對(duì)油液壓力和流量的要求差別很

大的系統(tǒng)，需要在執(zhí)行機(jī)構(gòu)前和泵后裝蓄能器。目的是將系統(tǒng)中多余的壓 力油存儲(chǔ)起來(lái)，在系統(tǒng)需要高壓油液時(shí)，由蓄能器和液壓泵共同構(gòu)成高壓
油源。

這種功用的蓄能器參數(shù)選擇應(yīng)主要考慮能源存儲(chǔ)量的多少，在選擇參 數(shù)時(shí)必須綜合考慮蓄能器容積和充氣壓力。當(dāng)蓄能器容積越大，而且充氣 壓力越大時(shí)，存儲(chǔ)能量越多；但是充氣壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致能量存儲(chǔ)困難。 （２）補(bǔ)償泄漏、保持壓力保壓系統(tǒng)中，執(zhí)行元件在一定時(shí)間內(nèi)保持不 動(dòng)，又要求輸出壓力。為了節(jié)能或減少油源脈動(dòng)對(duì)加工對(duì)象的損害，油源 一般停止工作或者通過(guò)溢流ｆ腎卸荷。但是由于系統(tǒng)的泄漏，常會(huì)出現(xiàn)保壓 壓力不足的現(xiàn)象。加上蓄能器可以補(bǔ)償泄漏以保證壓力，比如對(duì)于圖３－Ｉ 所示的夾緊系統(tǒng)。 這種蓄能器的參數(shù)選擇應(yīng)滿(mǎn)足兩個(gè)原則：蓄能器的充氣壓力至少大于 執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要提供的等效壓力和系統(tǒng)的損耗壓力之和；蓄能器排油量至少 大于系統(tǒng)的油液損耗量。 （３）作緊急動(dòng)力源 很多系統(tǒng)要求當(dāng)油源對(duì)執(zhí)行元件的供油異常停止 時(shí)，執(zhí)行元件必須完成某～動(dòng)作。
３７

夔些查蘭王蘭堡主堂焦絲苧
這種功用的蓄能器參數(shù)選擇一般應(yīng)使蓄能器中存儲(chǔ)的壓力油液至少應(yīng) 該能保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)完整地完成１．５個(gè)動(dòng)作。

１－－溢潭冀２一二位二遺最扁舟３－”曩序鼴

圖３．１夾Ｉ疑液壓系統(tǒng)
Ｆｉｇ．３－１ Ｔｈｅ ｄａｍｐｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅⅢ

㈣回收能量這是目前液壓節(jié)能技術(shù)研究較廣泛的一個(gè)領(lǐng)域。主要研
究有：回收車(chē)輛制動(dòng)能舊；回收工程機(jī)械動(dòng)臂機(jī)構(gòu)位能；回收液壓挖掘機(jī)

轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)能；回收石油修井機(jī)、鉆機(jī)管架下落或電梯下行的重力勢(shì)能嘲。
圖３．２是帶有蓄能器的液壓電梯節(jié)能系統(tǒng)原理圖。電梯下行時(shí)柱塞缸 輸出的液壓油在壓力作用下回充到蓄能器中，而不是直接流回油箱，電梯 勢(shì)能轉(zhuǎn)化為壓力能在蓄能器中儲(chǔ)存起來(lái)【３】。上行時(shí)蓄能器中的油壓平衡了 一部分負(fù)載壓力，向主油泵提供一定的附加功率，同時(shí)減小了電動(dòng)機(jī)功率。

圖３－２帶有蓄能器的液壓電梯節(jié)能系統(tǒng)圖
Ｆｉｇ．３＿２ Ｔｈｅ ｄｉａｇｒ缸ｎ ｏｆｔｈｅ

ｅ啦ｒｇｙ一∞ｍｎｇ ｈｙｄｒａｕ｜ｉｃ ｅｌｅｖａｔｏｒ ｗｉｔｈ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ

弼

第３章蓄能器參數(shù)選擇的研究

對(duì)于回收能量的蓄能器，選擇參數(shù)時(shí)應(yīng)以文獻(xiàn)【４】第七章的理論為主。

３．４．２消除壓力脈動(dòng)的參數(shù)選擇
３．４．２．１傳統(tǒng)的蓄能器消除脈動(dòng)參數(shù)選擇液壓系統(tǒng)中的脈動(dòng)產(chǎn)生原因主 要有：柱塞泵柱塞數(shù)較少或者齒輪泵齒數(shù)較少導(dǎo)致排量變化；溢流閩和某 些形式的容積式流量計(jì)的振動(dòng)；剛性流道的共振等。系統(tǒng)中的脈動(dòng)如果不 消除或盡量減小，將對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)很大危害，比如破壞儀表、損壞管接頭、 損壞閥體、產(chǎn)生噪聲。加裝工作參數(shù)合理的蓄能器可以在很大程度上減小

甚至消除系統(tǒng)的脈動(dòng)，減小危害Ｍ刪。
傳統(tǒng)認(rèn)為當(dāng)系統(tǒng)中存在壓力脈動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)流量高于平均流量口。的液體 被蓄能器吸收，而低于平均流量孫的液體由蓄能器補(bǔ)充，所以對(duì)于消除脈 動(dòng)的蓄能器常采用一些經(jīng)驗(yàn)公式。比如對(duì)于消除柱塞泵引起的脈動(dòng)時(shí)，選 擇蓄能器的參數(shù)總?cè)莘e蠔和充氣壓力即時(shí)采用公式（３－２３）和（３—２４）設(shè)計(jì)：

Ｖｏ：％瓦．上嶼（３－２３）
ｆｐ。／丫

卜（嘭。）Ａ

式中，乃為泵單缸排量；鼽為蓄能器設(shè)置點(diǎn)脈動(dòng)的最低體力；Ｐ：為蓄能器

設(shè)置點(diǎn)脈動(dòng)的最高壓力；ｎ為蓄能器設(shè)置點(diǎn)的平均壓力，Ｐ。＝掃。＋ｐ２）／２；
ｋ為絕熱指數(shù)。對(duì)于氮?dú)夂涂諝�，ｋ＝１．４：墨是一個(gè)系數(shù)，不同類(lèi)型泵的
值為單缸單作用泵�。埃�；單缸雙作用泵�。埃玻担弘p缸單作用泵�。希玻担� 雙缸雙作用泵�。埃保担比讍巫饔帽萌。希保常比纂p作用泵�。希埃丁�
Ｐｏ。Ｐｌ Ｐｏ＝０．６ｐ。

Ｉ

｝

（３－２４）

“＝（ｔ７１＋Ｐ２）／２ｊ
其中，Ａ為系統(tǒng)脈動(dòng)的最低壓力；Ｐ：為系統(tǒng)脈動(dòng)的最高壓力；ｐ卅為系統(tǒng) 脈動(dòng)的平均壓力。 ３．４．２．２基于吼、ｆ優(yōu)化的蓄能器消除脈動(dòng)時(shí)的參數(shù)選擇系統(tǒng)中的油液 脈動(dòng)頻率和脈動(dòng)平均壓力根據(jù)工況不同有所差異，而蓄能器的無(wú)阻尼系數(shù)

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

固有頻率和阻尼系數(shù)與很多因素有關(guān)。以古典控制理論中對(duì)二階系統(tǒng)參數(shù) 優(yōu)化理論對(duì)為依據(jù)，集合二者之間的關(guān)系對(duì)這些影響因素進(jìn)行優(yōu)化，就可 以得到來(lái)蓄能器吸收脈動(dòng)時(shí)的參數(shù)選擇方法。 需要說(shuō)明的是，大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在大部分液壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)脈動(dòng) 壓力的峰值和谷值的差與系統(tǒng)平均脈動(dòng)壓力相比很小，通常把式ｆ３．２１）、 式（３．２２）中的工作壓力定義為系統(tǒng)平均脈動(dòng)壓力。 古典控制理論指出對(duì)于二階振蕩系統(tǒng)加上階躍輸入信號(hào)后，其瞬態(tài)時(shí) 間響應(yīng)指標(biāo)包括：上升時(shí)間ｒ，、峰值時(shí)間ｒ。、調(diào)整時(shí)間，。和最大超調(diào)量Ｍ。， 計(jì)算表達(dá)式分別為

卜一罕協(xié)廂

（３－２５）

鏟贏ｆ
％、『ｌ一‘‘
∞一（

。。２６）

仁毒～素（３－２７）
∞．Ｃ

．ｏ』０

Ｍｐ＝ｅ

Ｖ１一‘１

（３．２８）

其中，吃和ｆ分別為二階振蕩系統(tǒng)的無(wú)阻尼系數(shù)固有頻率和阻尼系數(shù)。
當(dāng)ｔｏ．一定時(shí)，系統(tǒng)的‘、ｆ。和‘隨著ｆ的增大而減小，系統(tǒng)的快速性 上升；反之當(dāng)ｆ不變時(shí)，％增大，峰值時(shí)間減小。最大超調(diào)量Ｍ。與嚷無(wú) 關(guān)，當(dāng)ｆ增大時(shí)其值減小，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性上升。在ｆ＜０．７０７時(shí)，隨著ｆ 的增大，‘減��；在ｆ＞０．７０７時(shí)，隨著ｆ的增大，ｒ，、‘均增大，快速性 下降。所以在綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性時(shí)。通常�。妫剑埃础希�。而

當(dāng)ｆ＝０．７０７時(shí)，＾‘和‘均較�。ǚ�(wěn)態(tài)值為一的系統(tǒng)，＾厶＝ｏ．０４６），所以將
ｆ＝０．７０７成為最佳阻尼系數(shù)。這些結(jié)論對(duì)于當(dāng)系統(tǒng)輸入信號(hào)為周期脈動(dòng)信 號(hào)時(shí)。同樣適用。 前邊的研究得出了蓄能器的二階數(shù)學(xué)模型，而且得出了該二階系統(tǒng)的

４０

第３章蓄能器參數(shù)選擇的研究

無(wú)阻尼系數(shù)固有頻率∞．和阻尼系數(shù)ｆ與蓄能器模型參數(shù)：油腔中油液等效

質(zhì)量阮、油腔中的油液阻尼系數(shù)丑。、壓縮氣體的剛度ｋ、阻尼系數(shù)ｃ口：
工作參數(shù)：充氣壓力、總?cè)莘e；結(jié)構(gòu)參數(shù)：蓄能器橫截面積；系統(tǒng)工況參 數(shù)：工作壓力之間的關(guān)系。結(jié)果為式（３－２ｔ）、式（３－２２）。 液壓系統(tǒng)中的脈動(dòng)信號(hào)是以周期脈動(dòng)壓力波的形式傳遞的，考察薔能 器消除脈動(dòng)的效果就是考察蓄能器二階數(shù)學(xué)模型對(duì)周期脈動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)能 力，所以通過(guò)對(duì)∞。和ｆ進(jìn)行優(yōu)化，即可得出對(duì)不同工況下的蓄能器參數(shù)的 最佳值，優(yōu)化時(shí)的應(yīng)遵循以下原則： （１）在優(yōu)化選擇阻尼系數(shù)ｆ時(shí)，應(yīng)該�。纾剑埃罚埃�； （２）消除脈動(dòng)應(yīng)該在保證系統(tǒng)能快速響應(yīng)的前提下，主要考慮對(duì)峰值的 消減能力，所以ｆ的值也可以稍大一些，�。希罚埃罚迹妫迹埃�，這時(shí)超調(diào)量材。
更�。�

（３）蓄能器固有頻率越大，對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)能力越強(qiáng)，能吸收的信號(hào) 頻率帶越寬，所以在保證Ｏ．７０７＜ｆ＜０．８后，應(yīng)該把∞。設(shè)計(jì)的更大一些。 結(jié)合式上邊的結(jié)論及式（３?８）、式（３－１１）、式（３－１７）、式（３．１８）、式（３．２０）、 式（３—２１）、式（３－２２），編寫(xiě)了蓄能器參數(shù)選擇的Ｍａｔｌａｂ程序，程序及其相關(guān) 說(shuō)明在本章３．５節(jié)“蓄能器參數(shù)選擇程序及其說(shuō)明”中。
３．４．３

吸收壓力沖擊的參數(shù)選擇

３．４．３．１傳統(tǒng)的蓄能器吸牧沖擊的參數(shù)選擇系統(tǒng)中的沖擊主要來(lái)自換向 閥突然換向、液壓泵突然停車(chē)、執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)突然停止等。沖擊的產(chǎn)生主 要是因?yàn)橛吐分械牧黧w流動(dòng)發(fā)生急劇變化造成的，雖然系統(tǒng)設(shè)有安全閥， 但其反映較為滯后，所以往往會(huì)使系統(tǒng)壓力迅速升高，產(chǎn)生沖擊。沖擊對(duì) 系統(tǒng)的危害很大，會(huì)破壞系統(tǒng)中的儀表、元件、密封裝置、甚至使管路破

裂。加裝蓄能器可以很大程度上吸收沖擊。減小危害［５０－－５２１。
傳統(tǒng)認(rèn)為計(jì)算這種蓄能器總?cè)莘e％與管路布置、油液狀況、阻尼系數(shù) 情況及泄漏有關(guān)，所以對(duì)于吸收液壓沖擊的蓄能器也是采用了一些經(jīng)驗(yàn)公 式。比如對(duì)于吸收閥１：３開(kāi)閉引起的壓力沖擊時(shí)，選擇蓄能器的參數(shù)總?cè)莘e 蠔和充氣壓力伽時(shí)采用公式（２－４８）和（２－４９）設(shè)計(jì)：
４１

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

圪＝０．００４ａ矽２（０．０１６４１一ｔ）／慨一Ａ）

（３?２９）

式中聆一蓄能器總?cè)莘e，單位：ｍ３

ｒ閥口關(guān)閉的前管內(nèi)流量，單位：ｌ＿／Ⅱｆｉｎ
Ｐｌ——閥口關(guān)閉前的壓力，單位：Ｐａ Ｐ２——系統(tǒng)允許的最大沖擊壓力，單位：Ｐａ，一般ｐ：＝１．５ｐ．
ｆ＿—一產(chǎn)生沖擊波的管段長(zhǎng)度，單位：ｍ

卜一閥口由全開(kāi)到全關(guān)所持續(xù)的時(shí)間，單位：Ｓ
充氣用力應(yīng)等于蓄能器設(shè)置點(diǎn)的正常工作壓力（即最低工作壓力捆ｌ。
即

ｐｏ＝ｐｌ（３－３０）

３＿４．３．２基于蛾、ｆ優(yōu)化的蓄能器吸收沖擊的參數(shù)選擇蓄能器在吸收液
壓沖擊時(shí)，表面可以近似認(rèn)為是給蓄能器系統(tǒng)加上一個(gè)幅值為ＰＡ的脈沖信 號(hào)。但是因?yàn)楫?dāng)沖擊壓力波傳遞到蓄能器油腔中時(shí)，蓄能器是通過(guò)皮囊和 油液的震動(dòng)吸收沖擊的，所以如果忽略震動(dòng)波的壓力差，可以在短時(shí)間內(nèi) 將脈沖信號(hào)近似為為階躍信號(hào)。 當(dāng)系統(tǒng)中換向閥突然換向、液壓泵突然停車(chē)、執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)突然停止

帶來(lái)壓力沖擊時(shí)，系統(tǒng)的壓力會(huì)有迅速上升。隨著各個(gè)元件運(yùn)動(dòng)的速度和
幅度的不同，沖擊壓力的大小也會(huì)有所區(qū)別，所以在確定蓄能器吸收壓力 沖擊的參數(shù)時(shí)，應(yīng)該首先測(cè)定系統(tǒng)沖擊壓力的大小。 在確定了沖擊壓力的大小后，既可以按照３．４．２中處理蓄能器消除脈 動(dòng)的過(guò)程去確定吸收壓力沖擊的參數(shù)選擇原則。 但是在考察蓄能器吸收壓力沖擊時(shí)，不但要考慮蓄能器對(duì)壓力躍變幅 值的消減情況。同時(shí)還要考察蓄能器能不能在最短時(shí)間內(nèi)完成吸收的過(guò)程， 并達(dá)到預(yù)期的效果。所以在設(shè)計(jì)確定參數(shù)選擇原則時(shí)，應(yīng)該首先考慮而且 必須重點(diǎn)考慮的是阻尼系數(shù)ｆ的值。即要求ｆ等于０．７０７，或者在Ｏ．７０７附 近，但是不能差別太大。

同樣，在設(shè)計(jì)和計(jì)算蓄能器吸收脈動(dòng)的參數(shù)時(shí)，也用Ｍａｔｌａｂ語(yǔ)言編
寫(xiě)了相應(yīng)的蓄能器參數(shù)選擇程序。這個(gè)程序中輸入的工作壓力應(yīng)該是系統(tǒng) 產(chǎn)生的沖擊壓力，而不是系統(tǒng)的正常工作壓力。
４２

第３章蓄能器參數(shù)選擇的研究

３．５蓄能器參數(shù)選擇程序
根據(jù)以前邊的理論為依據(jù)，在Ｍａｔｌａｂ中利用．ｍ文件編寫(xiě)了相應(yīng)的蓄 能器參出選擇程序，如下：
３．５．１

阻尼系數(shù)的計(jì)算程序及其說(shuō)明

３．５．１．１阻尼系數(shù)ｆ的計(jì)算程序
１

Ｖ－－ｖａＯ； ｓ＝ｓ；

％蓄能器總體積

２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０

％蓄能器橫截面面積 ％油液在５０℃時(shí)的密度 ％氣體指數(shù) ％一個(gè)大氣壓下油液的動(dòng)力粘度 ％壓力Ｐ下油液動(dòng)力粘度 ％６０℃時(shí)的氣體粘度 ％脈動(dòng)平均壓力或系統(tǒng)沖擊壓力 ％充氣壓力從低壓到高壓等步長(zhǎng)增大

ｒｏｄ＝８５０；

ｋ司．４；
１１０－－－－０．２９７５；

ｕｌ－－ｕ０＋ｅｘｐ（Ｏ．２ｐ）；
１１２＝ｏ．０２０３４；

Ｐ印ｇ；

ｐａ０印０：ｉｎｃ：ｐｇ；

ａｌｆｖｘｐ（（１，ｋ）＋ｌｏｇ（ｐａ０））／ｅｘｐ（（１街＋１０９０Ｐ））；
％定義ｐ咖，，。ｌ／ｏｋ

１１

ａ２－盎ｅ－ｘｐ（（１＋Ｉ／ｋ）＋ｌｏｇ（Ｐ））＋ｅｘｐ（一（１矗礦ｌｏｇｆｐａＯ））；

％定義ｐＣｋ＋Ｏ／ｋ／ｐｏ＇：
１２ １３ １４ １５

ｚｔｄ＝８‘西’ｕｌ＋（１－ａＤ’Ｖ／Ｓ＋８＋ｖｉ＋ｕ２４ａｌ＊Ｖ／Ｓ；
Ａ＝ｋ＋（ａ２＋ｐａＯ）＋Ｓ＋ｓ／ｖ；

％賦值語(yǔ)句

％賦值語(yǔ)句 ％賦值語(yǔ)句

Ｂ：（ｔ－ａｔ）＋Ｖ＊ｍｄ；

Ｎ＝ｎ；％櫛＝Ｌ踞－ｐＯ）／ｉｎｃ＋ｌ
ｆｏｒｉＩｌ：ｎ：

１６
１７

Ｃ（１，ｉ戶(hù)ｉ（１，ｉ）．Ｂ（１，ｉ）； ％一維數(shù)列對(duì)應(yīng)項(xiàng)相乘得到另一一維數(shù)列
ｅｎｄ

１８ １９

ｚｔｍ＝２＋ｓｑｒｔ（Ｃ）；

％定義式（３－２１）的分母項(xiàng)

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文
２０ ２１ ２２ ２３ ２４ ２５ ２６ Ｄ＝ｚｔｄ； Ｅ＝ｚｕｎ； Ｎ－－ｎ： ｆｏｒ ｉ＝ｌ；１１

％賦值語(yǔ)句
％賦值語(yǔ)句

Ｆ（Ｉ，ｉ）＝Ｄ（１，ｉ）／ＥＯ，ｉ）；％一維數(shù)列對(duì)應(yīng)項(xiàng)相除得到另一一維數(shù)列
ｅｎｄ ｚｔ＝Ｆ

％阻尼系數(shù)終值數(shù)列項(xiàng)

３．５．１．２程序說(shuō)明程序中簡(jiǎn)單語(yǔ)句的意義在每一個(gè)語(yǔ)句后邊都有相應(yīng)的 注釋?zhuān)谶@里就不做過(guò)多的贅述了。需要特別說(shuō)明的是： （１）程序中主要是采用等步長(zhǎng)取點(diǎn)計(jì)算的方法，使蓄能器的充氣壓力從 低壓到高壓逐步增長(zhǎng)，直到最大值，最大值設(shè)置為系統(tǒng)脈動(dòng)平均壓力值或 系統(tǒng)中產(chǎn)生的沖擊壓力（語(yǔ)句９）。不同參數(shù)時(shí)蓄能器的阻尼系數(shù)在結(jié)果中以 一維數(shù)列表示，研究人員可以根據(jù)上邊提出的選取原貝｜ｊ進(jìn)行選取。 （２）計(jì)算時(shí)因該首先確定油液在５０℃時(shí)的密度、蓄能器總體積和橫截 面積，這三個(gè)參數(shù)不同時(shí)得到的蓄能器阻尼系數(shù)數(shù)列是不同的。油液密度 根據(jù)液壓系統(tǒng)工況�。担啊鏁r(shí)的值，一般不用更改；盾兩項(xiàng)可以以文獻(xiàn)［４】 中的表４２．７?５０進(jìn)行選取，也可以不按規(guī)格自行取值設(shè)計(jì)計(jì)算。 （３）語(yǔ)句ｌＯ和語(yǔ)句１１是兩個(gè)一維數(shù)列，語(yǔ)句１２對(duì)應(yīng)的是式（３．２１）中的 分子項(xiàng)，語(yǔ)句１３和語(yǔ)句１４分別定義的是式（３．２１）中分母項(xiàng)二次根號(hào)下的 兩個(gè)乘積因子，這兩個(gè)語(yǔ)句得到的結(jié)果都是一維數(shù)列。 （４）語(yǔ)句１５至１８是把兩個(gè)一維數(shù)列的第ｆ項(xiàng)對(duì)應(yīng)相乘，得到的結(jié)果賦 值到數(shù)列Ｃ中，再用語(yǔ)句１９計(jì)算就得到式（３－２１）的分母項(xiàng)，其結(jié)果也是一
維數(shù)列。

（５）語(yǔ)句２０和語(yǔ)句２ｌ是把式（３－２１）的分子項(xiàng)和分母項(xiàng)一維數(shù)列分別定 義到數(shù)列Ｄ、Ｅ。 （６）語(yǔ)句２２至２５是把兩個(gè)一維數(shù)列的第ｆ項(xiàng)對(duì)應(yīng)相除，得到的結(jié)果賦 值到數(shù)列Ｆ中ｔ再把這個(gè)結(jié)果通過(guò)語(yǔ)句２６幅值到數(shù)列ｚｔ中，即得到了對(duì) 應(yīng)蓄能器不同充氣壓力時(shí)的阻尼系數(shù)數(shù)列。

第３章雷能器參數(shù)選擇的研究

３．５．２無(wú)阻尼系數(shù)固有頻率的計(jì)算程序及其說(shuō)明
３．５．２．１無(wú)阻尼系數(shù)固有頻率∞。的計(jì)算程序
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ Ｖ－－ｖａＯ； ｓ－ｓ； ｍｄ＝８５０； Ｐ＝ｐｇ； ｋ＝１．４； ｐａＯ。ｐａ：ｉｎｃ：ｐｇ；

％蓄能器總體積

％蓄能器橫截面面積 ％油液在５０℃時(shí)的密度 ％脈動(dòng)平均壓力或系統(tǒng)沖擊壓力
％氣體指數(shù)

％充氣壓力從低壓到高壓等步長(zhǎng)增大

ａｌ＝ｃｘｐ（（１／ｋ）＋ｌｏｇ（ｐａ０））／ｅｘｐ（（１／ｋ）’ｌｏｇ（Ｐ））；

％定義ｐ蜥／出
８

ａ２＝ｅｘｐ（（１＋１／ｋ）‘ｌｏｇ（Ｐ））＋ｅｘｐ（－（１／ｋ）＋ｌｏｇ（．ｐａ０））；

％定義ｐ㈣ｎ／出
９ １０ １１ １２ １３ １５ １６

Ａ＝ｋ’（ａ２＋ｐａ０）＋Ｓ＋ｓ／ｖ；
Ｂ＝（１－ａｔ）＋Ｖ＋ｒｏｄ；
Ｎ－－ｎ

％賦值語(yǔ)句 ％賦值語(yǔ)句

ｆｏｒｉ＝ｌ：ｎ

ｃ（１，ｉ戶(hù)Ａ（１，ｉ）／Ｂ（１，ｉ）；
ｅｎｄ

ｏｍｇ＝ｓｑｒｔ（Ｃ）

３．５．２．２程序說(shuō)明

同樣，在這個(gè)程序中也有相應(yīng)的程序說(shuō)明語(yǔ)句，需要 另外說(shuō)明的語(yǔ)句如下： （１）程序原ＮＮＪ：。這個(gè)程序可以得到的是不同參數(shù)時(shí)蓄能器的無(wú)阻尼

系數(shù)固有頻率數(shù)列。 （２）ｆ司樣，應(yīng)該首先確定油液在５０℃時(shí)的密度、蓄鴕器總體積和橫截 面積。這三個(gè)參數(shù)不同時(shí)的蓄能器無(wú)阻尼系數(shù)固有頻率數(shù)列是不同的。 （３）語(yǔ)句９和語(yǔ)句１０是兩個(gè)一維數(shù)列Ａ和Ｂ，分別定義的是式（３．２２）

中二次根號(hào)下的兩個(gè)求商因子項(xiàng)，即捌。２０／ｐ。。）÷ｐ圪－。Ｉ＋望譬壁和

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文
廠
１

－Ｉ
ａ

ｌＬＶｏ。一缸。／ｐ）ｔｖｏ。ｌＰ
Ｊ

（４）語(yǔ)句１１至１５是把兩個(gè)一維數(shù)列的第ｉ項(xiàng)對(duì)應(yīng)相除，結(jié)果也是一維 數(shù)列，賦值在數(shù)列ｃ中。 （５）語(yǔ)句１６是對(duì)數(shù)列Ｃ中的每一項(xiàng)開(kāi)方，結(jié)果也是一維數(shù)列，這個(gè)一 維數(shù)列就是蓄能器的無(wú)阻尼系數(shù)固有頻率數(shù)列。

３．６本章小結(jié)
本章首先對(duì)蓄能器的不考慮連接管路的數(shù)學(xué)模型做了簡(jiǎn)單分析，在此 基礎(chǔ)上得出了蓄能器模型參數(shù)、工作參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)與二階振蕩系統(tǒng)的阻 尼系數(shù)和無(wú)阻尼系數(shù)固有頻率之間的兩個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系式，這兩個(gè)關(guān)系式就是 蓄能器參數(shù)選擇的基本公式。然后以此為依據(jù)，利用Ｍａ廿ａｂ語(yǔ)言編寫(xiě)了包 含蓄能器模型參數(shù)、工作參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的參數(shù)選擇程序，為以后的仿真 和實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

第４章模型仿真分析

第４章模型仿真分析
４．１引言
仿真計(jì)算技術(shù)是以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及仿真應(yīng)用領(lǐng)域 的有關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、與應(yīng)用有關(guān)的物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器 為工具，利用模型對(duì)系統(tǒng)（已有的或設(shè)想的）進(jìn)行研究的－－ｆｌ多學(xué)科、綜合 性的技術(shù)［５２ｊ。 液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算對(duì)于改進(jìn)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和提高液壓系統(tǒng)可

靠性都具有重要的意義。隨著液壓系統(tǒng)逐漸趨于復(fù)雜和對(duì)液壓系統(tǒng)仿真精
度要求的不斷提高，傳統(tǒng)的利用微分方程和差分方程的仿真計(jì)算技術(shù)已不 能滿(mǎn)足需要。而且隨著液壓理論和液壓技術(shù)的發(fā)展，對(duì)液壓元件的要求逐 步提高，新型液壓元件的研制開(kāi)發(fā)越來(lái)越多，仿真技術(shù)在新型元件開(kāi)發(fā)的 過(guò)程中同樣起著至關(guān)重要的作用【５３】。 目前，在液壓技術(shù)研究領(lǐng)域有多種仿真計(jì)算軟件，如用于液壓流場(chǎng)分
析的Ｌａｂｖｉｅｗ（Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ
Ｖ＇Ｌｒｔｕａｌ ＩｎｓＵａｎｅｎｔ

Ｅａｇｉｎｅ＝ｉｎｇ

Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ）、
ｏｆ

ＡＮＳＹＳ，用于動(dòng)力學(xué)分析的ＡＤＡＭＳ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ

Ｄｙｎａｌｎｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ

Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ），用于系統(tǒng)和模型仿真的Ｍａｔｌａｂ（Ｍａｔｄｘ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）、

Ｅａｓｙ５（Ｅｎｇｉｎ∞ｆｉｎｇ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）ａ

Ｍａｆｌａｂ語(yǔ)言集科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、信號(hào)處理等功能于一體，具有極 高的編程效率，所以是目前過(guò)程研究人員使用較多的軟件。 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ（Ｓｉｍｕｌ蚯ｏｎ ｌｉｎｋ）是Ｍａｔｌａｂ提供的一個(gè)分支產(chǎn)品軟件包，主要用來(lái) 實(shí)現(xiàn)對(duì)工程闖題的模型化和動(dòng)態(tài)仿真，也可以方便的對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 而單獨(dú)對(duì)于液壓系統(tǒng)的仿真，美國(guó)Ｂｏｅｉｎｇ公司提供的ＥＡＳＹ５也是目前流 行的一個(gè)軟件，它具有對(duì)半實(shí)物進(jìn)行仿真和專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使用起來(lái)更
加方便。

本章以Ｍａｔｌａｂ６．５及其仿真軟件包Ｓｉｍｕｌｉｎｋ為工具，對(duì)蓄能器本體數(shù)

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

學(xué)模型和帶有連接管路的蓄能器數(shù)學(xué)模型迸行了仿真，研究蓄能器主要參 數(shù)對(duì)蓄能器響應(yīng)性能的影響。另外還結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)加裝蓄能器的液壓 系統(tǒng)進(jìn)行仿真，研究蓄能器參數(shù)改變對(duì)系統(tǒng)壓力脈動(dòng)波和壓力沖擊的吸收
能力。
４．２

Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的介紹
Ｍａｔｌａｂ仿真軟件是美國(guó)Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ公司為了克服普通高級(jí)語(yǔ)言Ｂａｓｉｃ、

Ｆｏｒｔｒａｎ和Ｃ語(yǔ)言編程的繁雜而于１９６７年推出的軟件噎ｒＭａｔｒｉｘＬａｂｏｒａｔｏｒｙ” 的簡(jiǎn)稱(chēng)［５４／。 Ｍａｔｌａｂ作為高效率的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，將數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、 信號(hào)處理和圖形顯示集成在一體，構(gòu)成了一個(gè)操作方便、界面友好的用戶(hù) 環(huán)境。Ｍａｔｌａｂ的研究人員還推出了多種簡(jiǎn)單易用的庫(kù)函數(shù)軟件包：控制系 統(tǒng)工具箱（ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｔｏｏｌｂｏｘ）、信號(hào)處理工具箱（ｓｉｇｎａｌ ｔｏｏｌｂｏｘ）、系統(tǒng)辨識(shí)工具箱（ｓｙｓｔｅｍｓ
ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ｔｏｏｌｂｏｘ）、最優(yōu)化控制箱

（ｏｐｔｉｍｉｓａｔｉｏｎ）、小波分析工具箱（ｗａｖｅｌｅｔ）等，這些工具箱給相應(yīng)研究領(lǐng)域的 研究和應(yīng)用工作提供了強(qiáng)有力的工具。
Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｌｉｎｋ的簡(jiǎn)寫(xiě)，這個(gè)名字完整地表明了Ｓｉｍｕｌｉｎｋ

的兩個(gè)主要功能：仿真和連接。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是Ｍａｆｌａｂ軟件的一個(gè)分支產(chǎn)品， 主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)工程問(wèn)題的模型化和動(dòng)態(tài)仿真。在世界范圍的模型化浪潮 背景下，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ技術(shù)恰恰體現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)的具體思想，使得建模仿真 如同搭積木一樣簡(jiǎn)單，只要將各個(gè)模塊搭接在一起就可以完成仿真工作。 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的應(yīng)用很廣泛，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)、信號(hào)控制、通信設(shè)計(jì)、金融 財(cái)會(huì)及生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的仿真研究。

Ｓｉｍｕｌｉａｋ實(shí)際上提供了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的建模與動(dòng)態(tài)仿真的圖形用戶(hù)環(huán)
境，并且憑借Ｍａｔｌａｂ在科學(xué)計(jì)算上的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，建立了從設(shè)計(jì)構(gòu)思到完成 最終要求的可視化橋梁，大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工具的不足。由于 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ可以很方便地創(chuàng)建和維護(hù)一個(gè)完整的仿真模型，并實(shí)現(xiàn)對(duì)不同算 法及結(jié)構(gòu)的評(píng)估和對(duì)系統(tǒng)性能的完整驗(yàn)證，因此對(duì)于系統(tǒng)工程師、軟件開(kāi)

第４章模型仿真分析

發(fā)和硬件設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ可以大大加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程。另外， Ｓｉｍｕｌｉｎｋ還可以與Ｍａｔｌａｂ中的ＤＳＰ工具箱、信號(hào)處理工具箱以及通信工 具箱以及通信工具箱等聯(lián)合使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軟硬件的接口，從而成為實(shí)用 的控制軟件。

４．３蓄能器本體模型的仿真研究
蓄能器作為單獨(dú)的能量存儲(chǔ)器時(shí)。工作原理比較簡(jiǎn)單，主要是通過(guò)壓 縮氣體存儲(chǔ)高壓液壓油液，而對(duì)于在系統(tǒng)中起吸收脈動(dòng)和消除壓力沖擊的
的蓄能器，其工作過(guò)程比較復(fù)雜。

在研究蓄能器的數(shù)學(xué)模型時(shí)，應(yīng)該先單獨(dú)研究蓄能器本體模型對(duì)輸入 信號(hào)的響應(yīng)，然后再研究把蓄能器加裝到液壓系統(tǒng)上，對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)能力的 改善。本節(jié)的仿真工作主要針對(duì)第二章理論研究得到的蓄能器數(shù)學(xué)模型即 式（２－４０）、（２－４１）進(jìn)行仿真研究。首先根據(jù)數(shù)學(xué)模型在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建
立仿真模型，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)中采用的實(shí)際系統(tǒng)，確定了在仿真過(guò)程中保持

不變但會(huì)影響蓄能器性能的部分參數(shù)，再通過(guò)改變蓄能器其余參數(shù)研究蓄 能器本身性能的變化，同時(shí)驗(yàn)證蓄能器的充氣壓力變化對(duì)蓄能器的阻尼比 和無(wú)阻尼固有頻率的改變情況。而在確定仿真參數(shù)時(shí)，結(jié)合第三章的－‘３．３．６ 系統(tǒng)工作壓力、蓄能器充氣壓力與‰、ｆ之間的關(guān)系”中分析得到的蓄能 器二階系統(tǒng)無(wú)阻尼固有頻率、阻尼比表達(dá)式（３—２１）和式（３．２２），并利用“３．５ 蓄能器參數(shù)選擇程序”中的兩個(gè)程序?qū)Ψ抡鎱?shù)預(yù)先優(yōu)化計(jì)算。

４．３．Ｉ吸收壓力沖擊的仿真
４．３．１．１仿真原理分析液壓系統(tǒng)中的壓力沖擊波是由閥的突然開(kāi)啟、執(zhí) 行機(jī)構(gòu)突然換向等原因造成的，在產(chǎn)生的最初階段形式上是一個(gè)脈沖信號(hào)， 產(chǎn)生的時(shí)間很短，而且幅值很大。但是因?yàn)橄到y(tǒng)中的摩擦和系統(tǒng)阻力等原 因，脈沖壓力波在很短時(shí)間內(nèi)下降成為在小范圍微弱振蕩的階躍壓力波， 其中的振蕩誤差可以忽略，這時(shí)脈沖信號(hào)就在實(shí)質(zhì)上成為階躍形式的壓力
波。

文獻(xiàn)【４】指出，若給二階系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)。一段時(shí)間后，系統(tǒng)輸出會(huì)
４９

燕山大學(xué)工‘學(xué)碩十學(xué)位論文

數(shù)學(xué)模型ｆ５捫。

以蓄能器迸油口處壓力Ｐ為輸入信號(hào)，蓄能器油腔體積％變化為輸

∞）：錯(cuò)２蕊桐
∞卜壺’去
Ｇ畫(huà)ｎ‘幻ｈｔ

∽”

（４－ｚ）

顯然，當(dāng)以蓄能器油腔油液體ｌ／積＂為輸出時(shí)，蓄能器是二階系統(tǒng)。則針 對(duì)蓄能器消除脈動(dòng)時(shí)的功用，采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ軟件包建立了相應(yīng)的仿真模型，

圖４－１
Ｆｉｇ．４－１

蓄能器吸收沖擊仿真模型

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｎｇ ｉｍｐｕｌｓｉｏｎ

第４章模型仿真分析

仿真模型中的輸入信號(hào)是階躍信號(hào)，信號(hào)輻值表示液壓系統(tǒng)有沖擊時(shí) 的壓力和系統(tǒng)正常工作壓力之間的差值，定義為沖擊壓力。其中前向通道

中的Ｇａｉｎｌ是蓄能器中油液質(zhì)量的倒數(shù)，小反饋回路中的增益模塊Ｇａｉｎ２、

Ｇａｉｎ３串聯(lián)結(jié)果代表佤＋Ｃ，）／ｍ。，即對(duì)應(yīng)式（４—３）中的２覦；大反饋回路中

的Ｇａｉｌｌ４代表也＋％鬈／圪。Ｊ／％，對(duì)應(yīng)式（４－３）的《。％和ｆ的改變將直
接影響系統(tǒng)的響應(yīng)性能，所以這三個(gè)增益模塊中的參數(shù)輸入是關(guān)鍵的。 ４．３．１．３仿真參數(shù)的確定仿真是為了驗(yàn)證理論的正確性和對(duì)實(shí)驗(yàn)研究做 指導(dǎo)。仿真參數(shù)確定過(guò)程如下： （１）程序中對(duì)油液在５０℃時(shí)的密度、氣體指數(shù)、一個(gè)大氣壓下油液的 動(dòng)力粘度、工作壓力Ｐ下油液動(dòng)力粘度和６０℃時(shí)的氣體粘度已經(jīng)做了設(shè) 定。油液在沖擊壓力下的動(dòng)力粘度Ⅳ由程序一中的語(yǔ)句６、７進(jìn)行計(jì)算。 （２）確定蓄能器總體積和橫截面積。文獻(xiàn)【４】中的表“氣囊式蓄能器”列出 了各種型號(hào)皮囊式蓄能器的參數(shù)，但是其中沒(méi)有蓄能器的橫截面積，表４．１ 是各種蓄能器的規(guī)格、體積和橫截面積。
表４．１蓄能器規(guī)格、體積及橫截面積
Ｔａｂｌｅ ４－ｌ Ｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａ∞ｒ ｓｔａｎｄａｒｄ，ｖｏｌｕｍｅ ａｎｄ ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ
ａｒｅａ

ＮＸＱ－Ｌ
型號(hào)
０．２５／※．Ｈ

ＮｘＱ－Ｌ
Ｏ．制※．Ｈ
０．０００４

ＮＸＱ－Ｌ
０．６３１※－Ｈ
０．０００６３ｍ３

ｂｒＸＱ?Ｌ
０．Ｉ／※－Ｈ

ＮＸＱ－Ｌ
１ ６，※—Ｈ

ＮｘＱ?Ｌ
２．５，※．Ｈ

體積

０．０００２５ｍ３
０．００Ｉ ｍ２

ｍ３

０．０００１稈
０．００６９ｍ２

０００１６—
０．０１３７ｍ２

０．００２５一
Ｏ．０１３７ｍ２

橫截面積

０．∞３７Ⅲ‘
ＮＸＱ．－Ｌ
６．３，※，Ｈ ０．００６３

０．００３７ｍ２ ＮＸＱ－Ｌ
１０，※．Ｈ
０．０１

ＮＸＱ－Ｌ

ＮＸＱ－Ｌ
１６，※．Ｈ
００１６ｍ’

ＮＸＱ－Ｌ
２５／※－Ｈ
０．０２５ｍ１

ＮＸＱ－Ｌ
４０／※一Ｈ
０．０４０

型號(hào)
“※－Ｈ

體積 橫截面積

０．００４ｍ３

ｍ３

ｍ３

ｍ３

０．０１３７—
ＮＸＱ－Ｌ

０．０１３７ｍ２

０．０３１ｌｍ２

００３１１ｍ２

０．０３１ｌＩ一

０．０３ｌＩｍ‘

ＮＸＱ－Ｌ
６３，※．Ｈ

ＮＸＱ－Ｌ
８０，※．Ｈ
０．０８０ｍ３ ０．０８６０ｍ＝

ＮＸＱ－Ｌ
ｌＯｏ，※．Ｈ
Ｏ．１ｍ３

ＮＸＱ－Ｌ
１５“※－Ｈ ０．１５Ｉ一

型號(hào)
２０，※－Ｈ

體積 橫截面積

ｎ０２０ｍＪ ０．０６１ Ｉｍ２

０．０６３—
０．０６１ｉｍ２

０．０８６０ｍ＝

０．０８６０ｍ２

５ｌ

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

（３）當(dāng)油液密度、粘度，蓄能器工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及系統(tǒng)工作壓力確 定時(shí)，模塊Ｇａｉｎｌ、Ｇａｉｎ３、Ｇａｉｎ４中的值只和蓄能器充氣壓力有關(guān)。結(jié)合 各個(gè)模塊的物理意義，其中的值可以用Ｍａｆｌａｂ編程序計(jì)算。附錄ｌ中的程 序是這幾個(gè)模塊值的計(jì)算程序：仿真模型參數(shù)計(jì)算程序，其主要語(yǔ)句的意 義和程序一、程序二的意義相同。附錄２是采用這個(gè)程序分別計(jì)算的型號(hào) 為ＮＸＱ．Ｌ１０／＇※－Ｈ和ＮＸＱ－Ｌ２０／＇※－Ｈ兩個(gè)蓄能器的模型參數(shù)。模型參數(shù)是 指蓄能器數(shù)學(xué)模型中，影響蓄能器系統(tǒng)性能的參數(shù)，主要包括油腔中油液 等效質(zhì)量ｍ。，油腔中的油液阻尼系數(shù)Ｂ。，氣體的剛度島和阻尼ｃａ。 ４．３．１．４仿真方案的確定仿真的目的是驗(yàn)證蓄能器工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù) 的變化對(duì)蓄能器吸收壓力沖擊能力的影響。蓄能器吸收沖擊壓力時(shí)，應(yīng)該 綜合考慮吸收壓力沖擊的幅值和速度。所以對(duì)此確定如下實(shí)驗(yàn)方案。 （１）確定充氣壓力的初始值和充氣壓力改變的差值郎為附錄仿真模 型參數(shù)計(jì)算程序中，語(yǔ)句９的初始值和步長(zhǎng)。 （２）運(yùn)行仿真模型參數(shù)計(jì)算程序、擇取數(shù)據(jù)將阻尼比近似為Ｏ．７０７時(shí) 對(duì)應(yīng)的充氣壓力定義為蓄艟器最佳充氣壓力。充氣壓力分別取低壓、中壓、 高壓、靠近系統(tǒng)工作壓力的壓力及最佳充氣壓力。提取這幾個(gè)充氣壓力下 無(wú)阻尼固有頻率、阻尼比及模塊Ｇａｉｎｌ、Ｇａｉｎ３、Ｇａｉｎ４中的值。 （３）將上邊擇取的數(shù)據(jù)輸入到仿真模型中，完成仿真。 （４）研究仿真結(jié)果 首先考慮蓄能器能否在短時(shí)間內(nèi)對(duì)消減系統(tǒng)壓力 沖擊和能否最終使壓力沖擊調(diào)整為穩(wěn)定狀態(tài)，然后再考慮穩(wěn)定值的大小。 即首先考慮蓄能器模型對(duì)階躍信號(hào)的輸出喻應(yīng)的快速性和穩(wěn)定性，但是穩(wěn) 定值也不能忽略。如果結(jié)果不會(huì)理，說(shuō)明這個(gè)型號(hào)的蓄能器對(duì)沖擊壓力的 吸收效果不理想，應(yīng)該重新選取型號(hào)。

４．３．１．５仿真結(jié)果及其分析將系統(tǒng)壓力值取１７．５ ＭＰａ，用幅值為ｌ的階
躍信號(hào)模擬系統(tǒng)中幅值為１ ＭＰａ的沖擊壓力。仿真時(shí)選用兩個(gè)型號(hào)為 ＮＸＱ－Ｌ１０／＇※－Ｈ和ＮＸＱ－Ｌ２Ｑ，※－Ｈ的兩個(gè)蓄能器，分怒驗(yàn)證相同工況下的 消除沖擊的能力。 （１）型號(hào)為ＮＸＱ－Ｌ１０／＇※?Ｈ的蓄能器利用程序三計(jì)算的模型參數(shù)結(jié)果

第４章模型仿真分析

保存在附錄２中。從計(jì)算結(jié)果中擇取蓄能器充氣壓力分別�。� ＭＰａ、１０
ＭＰａ、１３ ＭＰａ、１６ ＭＰＲ、１７ ＭＰａ時(shí)無(wú)阻尼固有頻率、阻尼比及模塊Ｇａｉｎｌ、

Ｇａｉｎ３、Ｇａｉｎ４的值，記錄在表４—２中。
表４－２ ＮＸＱ－Ｌ１０／＇※一Ｈ型蓄能器不同充氣壓力下的模型參數(shù)
Ｔａｂｌｅ４－２

Ｍｏｄｅｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆＮＸＱ－ＬＩＯ／＇※一Ｈ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ
參數(shù) ｆ
國(guó)．

５～ｍａ
４．０５３４ １．１４６０ ０．１９９０
４．６４５１ １．３１３３

１０ ｈ，癬ａ
３．４９２１

１３脅
２．７２８６ １．７１４８
Ｏ．６１５０

１６

ｈ秤一ａ

１７ＭＰａ
０．９６９５
５．２５６４ ５ ７４１０ ５．０９６３ ２７．６２９８

１．５８７７ ３．０１２８ １．８９７４ ４．７８３４ 殳０７７０

１．３３３９
０ ３５７１

Ｇａｌｎｌ Ｇａｉｎ３ Ｇａｉｎ４

４．６５８０
ｌ ７７９２

４．６７９０ ２．９４０６

將這些參數(shù)輸入到仿真模型中，將輸入階躍信號(hào)幅值定為１。仿真得 到相應(yīng)充氣壓力下響應(yīng)曲線(xiàn)如圖４．２所示。

圖４－２

ＮＸＱ－Ｌ１０／＇※－Ｈ型蓄能器在不同充氣壓力下的時(shí)間響應(yīng)
Ｔｉｍｅ

Ｆｉｇ．４－２

ｃｕｉｗｅ蛔ＮＸＱ－Ｌ１０／．※－Ｈ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ

ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｎｇ ｉｍｐｕｔｓｉｏａ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ

結(jié)合表４－２和圖４—２可以看出，充入適量氣體的蓄能器對(duì)系統(tǒng)中的沖

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

結(jié)合表４—２和圖如２可以看出，充入適量氣體的蓄能器對(duì)系統(tǒng)中的沖 擊壓力有很明顯的吸收能力，這可以從壓力幅值的下降很明顯看出來(lái)，而 且充氣壓力越低，壓力幅值下降越大，吸收能力越強(qiáng)。當(dāng)見(jiàn)。＝５ ＭＰａ時(shí)，
蓄能器將１ ＭＰａ的沖擊壓力大約下降到０．１５ ＭＰａ，吸收了將近８５％的沖擊 壓力：當(dāng)ｐ。。＝１７ ＭＰａ時(shí)，蓄能器將同幅值的沖擊壓力下降到０．２１ ＩＶＩＰａ，

僅吸收了７９％的沖擊壓力。另外從附錄２可以看出，只有當(dāng)充氣壓力接近
１７

ＭＰａ時(shí)，蓄能器模型的阻尼比會(huì)小于１，蓄能器吸牧沖擊的速度上升。 從這組響應(yīng)曲線(xiàn)可以看出，這個(gè)型號(hào)的蓄能器對(duì)沖擊壓力的吸收存在

孵顯不足。其吸收沖擊的能力只能達(dá)到７９０／一８５％，而且蓄能器的響應(yīng)較幔， 上升時(shí)間較大，在ｆ＜１時(shí)最小的上升時(shí)間ｒ，ｍ３ Ｓ。
（２）型號(hào)為ＮＸＱ－Ｌ２０／．※．Ｈ的蓄能器

同樣利用程序三計(jì)算各個(gè)充氣壓

力下的蓄能器仿真模型的各項(xiàng)參數(shù)，為了方便對(duì)比，將結(jié)果也保存在附錄 ２中。充氣壓力分別取５ ＭＰｓ．、１０ ＭＰａ、１３ ＭＰａ、１６。５ ＭＰａ（最佳充氣壓力）、
１７

ＭＰａ，從附錄２中擇取蓄能器無(wú)阻尼固有頻率、阻尼比及模塊Ｇａｉｎｌ、
表４－３ ＮＸＱ－Ｌ２０／．※－Ｈ型蓄能器不同充氣匿力下的仿真參數(shù)
Ｔａｂｌｅ ４－３

Ｇａｉｎ３、Ｇａｉｎ４中值，記錄在表４．３中。
Ｍｏｄｅｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆＮＸＱ－Ｌ２０／．※－Ｈ ａｇｏｕｍｔｔｌａｔｏｒ
ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ

參數(shù)

５～坤ａ
２．１４１０ １．１１５０

１０＾，ｍ８ｔ １．８４４６
１．２９７８

１３ ｈｌＰ＆

１６．５Ⅷａ
０．６９３５

１７Ⅷａ
０．５１２１ ５．１１４１ ２．８７０５
２．６１９０ ２６．１５４ｌ

ｆ
ｍ●

１．４４１３

１．６６８４ ｎ３０７５
２．４０４６ ２．７８３５

３．柏２７
１．４２９２ ２．４９８４ １２．９７９２

Ｇａｉｎｌ

Ｏ．刪
２．３８７２
１．２４３２

０．１７８５
２．３９３８ １．６８４２

０ａｉｎ３
Ｇａｉｎ４

將表４－３中數(shù)據(jù)輸入到仿真模型中。仿真得到相應(yīng)充氣壓力下的蓄能
器模型響應(yīng)曲線(xiàn)如圖４．３所示。

結(jié)合表４－３、圖４．３及附錄２中的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于這種型號(hào)的蓄能?chē)炭?以得出如下結(jié)論。當(dāng)ｐ。ｏ接近１５．５ＭＰａ時(shí)，阻尼比ｆ＜ｌ，此時(shí)蓄能器的響

第４章模型仿真分析

顯然比１０ Ｌ的蓄能器吸收能力強(qiáng)。當(dāng)Ｐ。。充氣壓力在１６ ＭＰａ至１６．５ ＭＰａ 之間某一壓力時(shí)，ｆ＝Ｏ．７０７。當(dāng)Ｐ。ｏ＝１６．５ ＭＰａ時(shí)，ｆ＝０．６９３５，這時(shí)系 統(tǒng)上升時(shí)間ｔ，“１．７５ Ｓ，超調(diào)量約為Ｏ．００３ ＭＰａ；當(dāng)Ｐ。ｏ＝１７ ＭＰａ時(shí)，
ｆ＝ｏ．５１２１，ｆ。＊１．３ ｓ，超調(diào)量約為Ｏ．００９ ＭＰａ。綜合考慮其快速性和超調(diào)

值，蓄能器的充氣壓力應(yīng)該選�。保叮� ＭＰａ。

圖４－３
Ｆｉｆｆ４－－３

ＮＸＱ－Ｌ２０／※－Ｈ型蓄能器吸收沖擊不同充氣壓力下的時(shí)間響應(yīng)

Ｔｉｍｅ ＣＵＩＷＣ ｆｏｒ ＮＸＱ－Ｌ２０／＇※－Ｈ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｎｇ ｉｍｐｕｌｓｉｏｎ ｕｎｄｅｒ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ

４．３．１．６小結(jié)從前邊的分析可以看出，系統(tǒng)重安裝蓄能器，其吸收沖擊 的效果與工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、系統(tǒng)工況都有關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)工作壓力一定 時(shí)，總?cè)莘e大的蓄能器的阻尼比容易達(dá)到最佳值，吸收沖擊效果好。當(dāng)選 取了合適的蓄能器總?cè)莘e后，充氣壓力是影響吸收效果的一個(gè)重要因素； 充氣壓力的選取可以通過(guò)附錄ｌ中的程序計(jì)算得出，然后從計(jì)算結(jié)果中選 取阻尼比最接近最佳值時(shí)對(duì)應(yīng)的充氣壓力。這個(gè)充氣壓力即為蓄能器的最 佳充氣壓力，當(dāng)蓄能器的充氣壓力處于最佳充氣壓力時(shí)，吸收沖擊的快速 性和穩(wěn)定性都是最優(yōu)的。

５５

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

４．３．２消除壓力脈動(dòng)的仿真
４．３．２．１仿真原理分析根據(jù)傅立葉變換定律知，液壓系統(tǒng)中的周期脈動(dòng) 壓力波也可以分解成多組諧波壓力信號(hào)，這些諧波信號(hào)的頻率都是基頻信 號(hào)頻率的整數(shù)倍［５６～５＿７】。即式（３．１）所示。

，０）＝粵＋∑（口。ＣＯＳｎＯＸ＋ｂ。ｓｉｎｎｏＸ） Ｍ
ｏ
＾ ７

（４?１）

其中，系數(shù)項(xiàng)吼＝睪一，（ｒ）出，

鏟；虐州ｃｏｓｎ砌＝爭(zhēng)鷹州…砌 屯＝手鷹丸）咖以砌＝季乓Ｔ幾）ｓｉｎ刀砌

Ｏ＝０，１，２，…）

Ｏ＝１，２，…）

文獻(xiàn)【４】指出，給二階系統(tǒng)輸入某一頻率的正弦波信號(hào)，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的 時(shí)間后，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，輸出的穩(wěn)定信號(hào)也是同一頻率的正弦波， 但輸出的振幅和相位與輸入量不同。輸出信號(hào)的幅值與輸入信號(hào)的幅值相 比有衰減，相角上有滯后。蓄能器消除脈動(dòng)正是應(yīng)用了這一原理。 ４．３。２。２仿真模型建立在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立相應(yīng)仿真模型，如圖４－４所示。

一
Ｌ劃，．

圖４－４蓄能器吸收脈動(dòng)仿真模型
Ｆｉｇ．４－４

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｎｇ ｒｉｐｐｉｅ

第４章模型仿真分析

模型中前向通道的Ｇａｉｎｌ反饋回路中的增益模塊Ｇａｉｎ３、Ｇａｉｎ４代表的 意義同前，而且無(wú)阻尼固有頻率和阻尼比的改變也對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)性能有很 大影響。區(qū)別是這個(gè)模型的輸入信號(hào)是正弦信號(hào)，正弦信號(hào)的幅值表示系 統(tǒng)壓力脈動(dòng)的最大值和最小值，頻率表示壓力脈動(dòng)震動(dòng)頻率。 ４．３．２．３仿真參數(shù)的確定結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真方案做如下設(shè)計(jì)： （１）同４．３．１．３。不同之處是當(dāng)蓄能器消除脈動(dòng)時(shí)，因?yàn)槠涿}動(dòng)壓力的峰 值和谷值的差與平均脈動(dòng)壓力相比比較小，但是頻率比較高。所以將程序 一和程序二中的工作壓力Ｐ設(shè)定為系統(tǒng)平均脈動(dòng)壓力。為了和前邊蓄能器 吸收沖擊的參數(shù)選擇作對(duì)比，同樣令系統(tǒng)脈動(dòng)平均壓力萬(wàn)＝Ｐ＝１７．５ ＭＰａ。 （２）確定蓄能器總體積和橫截面積。參照表４．１。 ４．３．２．４仿真方案的確定仿真的結(jié)果主要是用來(lái)驗(yàn)證蓄能器工作參數(shù)、 結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)蓄能器消除系統(tǒng)中脈動(dòng)壓力能力的影響。但是和吸收沖 擊不同的，消除脈動(dòng)應(yīng)該主要考慮對(duì)脈動(dòng)壓力波幅值的衰減幅度，當(dāng)然消 減的快速性和穩(wěn)定性也應(yīng)該綜合考慮。所以對(duì)此確定如下實(shí)驗(yàn)方案： （１）、（２）、（３）同４．３．１．３款。 （４）分析仿真結(jié)果。蓄能器吸收脈動(dòng)時(shí)，其固有頻率太小會(huì)影響對(duì)系統(tǒng) 的響應(yīng)性能，即對(duì)系統(tǒng)中較高頻率脈動(dòng)的壓力脈動(dòng)跟隨能力差。而且周期 脈動(dòng)經(jīng)過(guò)欠阻尼二階系統(tǒng)后，輸出會(huì)產(chǎn)生幅值躍變。所以在考察蓄能器對(duì) 系統(tǒng)中脈動(dòng)壓力的吸收情況時(shí)，應(yīng)該綜合考慮以下因素：對(duì)壓力波的衰減 比要盡量�。辉谙嗤錃鈮毫ο滦钅芷鞯墓逃蓄l率不能太��；欠阻尼時(shí)， 壓力脈動(dòng)波經(jīng)過(guò)蓄能器后產(chǎn)生的壓力躍變不能過(guò)大。 ４．３，２．５仿真結(jié)果及其分析分別對(duì)型號(hào)為ＮＸＱ．Ｌ１０／※．Ｈ和ＮＸＱ－Ｌ１０／ ※．Ｈ的薔能器其進(jìn)行仿真。 （１）型號(hào)為ＮＸＱ．Ｌ１０／＇※－Ｈ的蓄能器仿真模型中參數(shù)的確定同前。 將仿真模型中輸入的正弦信號(hào)幅值定為１，模擬系統(tǒng)中幅值為１ ＭＰａ
的脈動(dòng)壓力。

同樣在確定了這些參數(shù)和工況后，按照不同的充氣壓力計(jì)算圖４４所 示的仿真模型中的Ｇａｉｎｌ、Ｇａｉｎ３和Ｇａｉｎ４及蓄能器的阻尼比、無(wú)阻尼固有

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

頻率。顯然，這時(shí)Ｇａｉｎｌ、Ｇａｉｎ３、Ｇａｉｎ４中的取值與蓄能器的阻尼比、無(wú) 阻尼固有頻率的值和前邊的結(jié)果時(shí)相同的。 仿真得到相應(yīng)充氣壓力下的蓄能器模型響應(yīng)曲線(xiàn)如圖４．５所示。圖中 的曲線(xiàn)分別是充氣壓力為５ ＭＰａ、１０ ＭＰａ、１３ ＭＰａ、１６ Ｍ：Ｐａ、１７ Ｍ：Ｐａ。

圖４－５

ＮＸＱ－Ｌ１０／＇※－Ｈ型蓄能器消除脈動(dòng)、充氣壓力不同時(shí)的輸出響應(yīng) Ｆ培４?５
Ｔｉｍｅ
ｃｕｒｖｅ

ｆｏｒ ＮＸＱ－Ｌ１０／※－Ｈ ａｒ，ｃｔｔｍｕｌａｔｏｒ

ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｎｇ ｔｉｐｐｌｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ

結(jié)合表４．２，從圖４．５可以看出，當(dāng)蓄能器中沖入氣體時(shí)對(duì)系統(tǒng)中的周 期脈動(dòng)有消減作用。而且充氣壓力越低，對(duì)脈動(dòng)壓力波的吸收能力越強(qiáng)， 當(dāng)ｐ口０＝５ ＭＰａ時(shí)，蓄能器對(duì)脈動(dòng)波的吸收比為９３％；當(dāng)Ｐ∞＝１７ ＭＰａ時(shí)， 蓄能器對(duì)脈動(dòng)波的吸收比僅為８０％。 從附錄３可以看出，當(dāng)充氣壓力接近１７ ＭＰａ時(shí)，蓄能器模型的阻尼 比小于ｌ，蓄能器對(duì)每一個(gè)脈動(dòng)信號(hào)的吸收速度最快。隨著充氣壓力的增 大，蓄能器的阻尼比在減小，每一次正弦輸入經(jīng)過(guò)蓄能器后產(chǎn)生的壓力上

升越大，對(duì)系統(tǒng)中壓力脈動(dòng)的吸收能力越差。而且，隨著充氣壓力的增大，

５８

第４章模型仿真分析

蓄能器的無(wú)阻尼固有頻率增大，對(duì)系統(tǒng)中脈動(dòng)信號(hào)的跟隨能力在增強(qiáng)ａ當(dāng)
ｐ。。：５

ＭＰａ時(shí)蓄能器的固有頻率∞。值僅為１．１４６０Ｈｚ；而當(dāng)Ｐ。ｏ＝１７ ＭＰａ

時(shí)，無(wú)阻尼固有頻率峨＝５．２５６４。另外，隨著充氣壓力的增大的增大，蓄 能器氣腔中的剛度增大，對(duì)壓力波的吸收效果下降。所以應(yīng)該選取合適的
充氣壓力。

（２）型號(hào)為ＮＸＱ．Ｌ２０／＇※－Ｈ的蓄能器仿真結(jié)果如圖４－６所示。

圖４－６

ＮＸＱ－Ｌ２０／＇※－Ｈ型蓄能器消除脈動(dòng)、充氣壓力不同時(shí)的輸出響應(yīng) Ｆｉｇ．４?５
Ｔｉｍｅ
ＣＩｌＩ＇ＶＣ

ｆｏｒＮＸＱ－Ｌ２０／＇※－Ｈ

ａｅｅ砌ｕｌａｔｏｒ

ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｎｇ ｒｉｐｐｌｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ

結(jié)合表４－３、圖４．６及附錄２中的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于這種型號(hào)的蓄能器可 以得出如下結(jié)論。當(dāng)充氣壓力為１７ ＭＰａ時(shí)，可以將１ ＭＰａ的正弦脈動(dòng)壓 力波消減８８％，顯然比１０ Ｌ的蓄能器吸收能力強(qiáng)，其他充氣壓力的結(jié)論相 同。當(dāng)ｐ。。接近為１０ ＭＰａ時(shí)，可以吸收將近９７％的脈動(dòng)壓力波。 ４．３．２．６蓄能器吸收脈動(dòng)的綜臺(tái)分析從前邊兩種型號(hào)蓄能器吸收脈動(dòng)壓 力波的仿真及附錄二的計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出：

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

（１）雖然蓄能器總?cè)莘e對(duì)蓄能器數(shù)學(xué)模型有影響，但是對(duì)蓄能器吸收脈 動(dòng)的影響不大，所不同的是總?cè)莘e越大吸收百分比越大： （２）隨著充氣壓力增大，蓄能器阻尼比減小，響應(yīng)快速性增強(qiáng)，無(wú)阻尼 固有頻率變大，對(duì)系統(tǒng)中高頻脈動(dòng)波的跟隨能力增強(qiáng)； （３）隨著充氣壓力增大，氣腔剛度上升，蓄能器吸收脈動(dòng)百分比下降。 所以在綜合考慮以上因素后，可以認(rèn)為蓄能器在消除脈動(dòng)時(shí)充氣壓力應(yīng)該 大約選取工作壓力的Ｏ．５－４）．６倍。

４．４本章小結(jié)
本章在簡(jiǎn)介紹了Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ基礎(chǔ)上，針對(duì)蓄能器本體模型進(jìn)行了 詳細(xì)的仿真。對(duì)于蓄能器本體的仿真，分別建立了輸入信號(hào)為正弦信號(hào)和 階躍信號(hào)的仿真模型，完成了仿真工作；仿真結(jié)果表明調(diào)整蓄能器的充氣 壓力能夠很好地改變蓄能器的阻尼比和無(wú)阻尼固有頻率，最終改善蓄能器 的響應(yīng)性能詳。而對(duì)于加裝蓄能器地液壓系統(tǒng)，同樣建立了合理的仿真模 型，做了大量豹仿真工作；從仿真得到的時(shí)域響應(yīng)曲線(xiàn)可以看出，蓄能器 對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)性能具有很大的校正作用。

６０

第５章蓄能器性能實(shí)驗(yàn)研究與分析

第５章
５．１

蓄能器性能實(shí)驗(yàn)分析與研究

引言
實(shí)驗(yàn)工作是在我校流體控制工程研究所研制開(kāi)發(fā)的熱軋帶鋼卷取機(jī)液

壓系統(tǒng)上進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)作了一些簡(jiǎn)單的改進(jìn)，用多功能組合 閥代替原來(lái)的控制閥；并利用ｄＳＰＡＣＥ軟硬件集成系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)
時(shí)控制、數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)顯示。

實(shí)驗(yàn)主要研究了蓄能器消除脈動(dòng)和吸收沖擊的兩大功用。在選定蓄能 器的前提下，以仿真為依據(jù)，調(diào)定系統(tǒng)工作壓力，然后多次調(diào)整蓄能器的 充氣壓力，檢測(cè)系統(tǒng)中閥前泵后的壓力變化、工作缸有桿腔和無(wú)桿腔壓力 變化及工作缸位移的變化。分析采集到的數(shù)據(jù)，以此考察蓄能器本身性能 的改變和不同充氣壓力下蓄能器性能變化對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)性能的改善情況，同 時(shí)驗(yàn)證理論分析和仿真的結(jié)果【５ ８‘。

５．２數(shù)字控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的介紹
ｄＳＰＡＣＥ實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)可以將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn) 行控制，并將實(shí)驗(yàn)中采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［Ｓ９１。
５．２．１

ｄＳＰＡＣＥ系統(tǒng)的組成及主要功能

ｄＳＰＡＣＥ實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是由德國(guó)的數(shù)字信號(hào)處理及控制工程公司
ｄＳＰＡＣＥ（ｄｉｇｉｔａｌ
Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）基于

Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ軟件開(kāi)發(fā)的一套實(shí)時(shí)控制平臺(tái)工具，可以對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行 控制、測(cè)試和半實(shí)物仿真。并能實(shí)現(xiàn)與Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的完全兼容及無(wú)縫 連接。ｄＳＰＡＣＥ應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，涉及到機(jī)器人技術(shù)、航空航天、汽車(chē)、 發(fā)動(dòng)機(jī)、電力機(jī)車(chē)、驅(qū)動(dòng)及工業(yè)控制等領(lǐng)域【４３刪。 ｄＳＰＡＣＥ實(shí)時(shí)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)集成在一起組成，具有實(shí)時(shí) 性強(qiáng)，可靠性高，擴(kuò)充性好等優(yōu)點(diǎn)。硬件系統(tǒng)包括處理器、Ｉ／Ｏ接口等，
６１

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

其處理器具有高速計(jì)算能力。按照產(chǎn)品類(lèi)型分為單板系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)。 軟件系統(tǒng)可以方便地對(duì)Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立的控制模型完成源代碼生

成及下載。軟件系統(tǒng)包括兩部分：～、實(shí)時(shí)代碼的生成與下載組件
ＲＴＩ（Ｒｅａｌ．Ｔｉｍｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｌ，這是連接ｄＳＰＡＣＥ和Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的紐帶，

通過(guò)該組件可以對(duì)實(shí)時(shí)工作空問(wèn)ＲＴＷ（Ｒｅａｌ．Ｔｉｍｅ－Ｗｏｒｋｓｈｏｐ）進(jìn)行擴(kuò)展，同 時(shí)實(shí)現(xiàn)Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型到ｄｓＰＡＣＥ硬件代碼的自動(dòng)下載；另一部分是測(cè)試組

件，包括綜合實(shí)驗(yàn)與測(cè)試環(huán)境組件ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ、自動(dòng)試驗(yàn)和參數(shù)調(diào)整組件、 實(shí)時(shí)處理器通信組件以及實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)組件ＲｅａｌＭｏｔｉｏｎ。 ｄＳＰＡＣＥ系統(tǒng)的兩大主要功能：一、具有快速設(shè)計(jì)和調(diào)試控制原型
ＲＣＰ（Ｒａｐｉｄ
Ｃｏｎｔｒｏｌ

Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）的能力。ＲＣＰ的關(guān)鍵是模型原代碼的自動(dòng)生

成和下載，ｄＳＰＡＣＥ系統(tǒng)為ＲＣＰ提供了完美的解決方案�？梢钥焖俚貙�(duì)控 制對(duì)象建立控制器模型，并對(duì)模型進(jìn)行離線(xiàn)或在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證控制系統(tǒng)軟、 硬件方案是否正確。這樣，就可以將錯(cuò)誤及不當(dāng)之處消除于設(shè)計(jì)初期，使 設(shè)計(jì)修改費(fèi)用減至最小。二、具有半實(shí)物仿真ＨＩＬＳ（Ｈａｒｄｗａｒｅ．ｉｎ．ｔｈｅ．Ｌｏｏｐ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）的能力。當(dāng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)束，并已制成產(chǎn)品型控制器時(shí)，需

要在閉環(huán)下對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。但對(duì)于極限測(cè)試、失效測(cè)試，或在真實(shí)環(huán)境中 進(jìn)行的測(cè)試實(shí)現(xiàn)時(shí)存在困難，例如：在積雪覆蓋的路面上進(jìn)行汽車(chē)防抱死 裝置（ＡＢＳ）控制器的小摩擦測(cè)試會(huì)受到天氣限制。ｄＳＰＡＣＥ系統(tǒng)的ＨＩＬＳ仿 真能力將很容易地解決這些問(wèn)題【６０ｌ。
５．２．２

ｄＳＰＡＣＥ的硬件系統(tǒng)及ＤＳｌｌ０４ＰＰＣ控制板

ｄＳＰＡＣＥ系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)是將實(shí)時(shí)系統(tǒng)和ｄＳｐ：ＡｃＥ系統(tǒng)完全分開(kāi)。處理 器板和各種Ｉ／Ｏ板都有很高的運(yùn)行速度，它們之間通過(guò)ＰＨＳ（Ｐｅｒ５【ｐｈｅｒａｌ Ｈｉｇｈ．ｓｐｅｅｄＢｕｓ）總線(xiàn)相連。ＰＨＳ總線(xiàn)是專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它對(duì)Ｉ／０ 與處理器的信號(hào)傳遞而言總是處于開(kāi)放狀態(tài)，不存在多ＣＰＵ總線(xiàn)系統(tǒng)中的 等待時(shí)間或利用外部傳輸協(xié)議總線(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)含軟件問(wèn)題，因而可以保證Ｉ／０ 訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間。ｄＳＰＡＣＥ控制板和主機(jī)之間的接口通過(guò)Ｅｔｈｅｒｎｅｔ完成。ｄＳＰＡＣＥ 處理器板上的內(nèi)存可以全部映像到ＰＣ機(jī)內(nèi)，這就完成了ｄＳＰＡＣＥ硬件系 統(tǒng)和ＰＣ機(jī)之間的數(shù)據(jù)互訪(fǎng)。ＰＣ機(jī)作為可視化的監(jiān)控平臺(tái)，扮演智能終端

第５章蓄能器性能實(shí)驗(yàn)研究與分析

的角色。

ＤＳｌｌ０４ＰＰＣ控制板，它是ｄＳＰＡＣＥ公司推出的迄今為止單板系統(tǒng)功能 最強(qiáng)大、Ｉ／Ｏ最豐富的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。ＤＳｌｌ０４ＰＰＣ控制板使用ＰｏｗｅｒＰＣ處理器

進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，其硬件設(shè)備擁有大量的Ｉ／Ｏ接口，使控制板可以滿(mǎn)足多輸
入多輸出快速控制原型的要求。ＤＳｌｌ０４ＰＰＣ控制器板不但擁有４路Ａ／Ｄ０６ 位）、４路Ａ／Ｄ０２位）和８路Ｄ／Ａ（１６位），還配有２０位數(shù)字Ｉ／Ｏ、定時(shí)器、 存儲(chǔ)器（３２ＭＢｙｔｅ）、終端控制單元、增量編碼器界面等設(shè)備。見(jiàn)圖５．１。

圖５－１
Ｆｉｇ．５—１

ＤＳｌｌ０４控制器板

ＤＳＩ １０４ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｖｅｎｅｅｒ

５．３蓄能器性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制測(cè)試平臺(tái)簡(jiǎn)介
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括兩大部分：計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制調(diào)試采集系統(tǒng)和液控系 統(tǒng)，液控系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)和相應(yīng)的電控系統(tǒng)組成。液控部分的閥件及執(zhí)行 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制調(diào)試采集系統(tǒng)控制：執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和 油路壓力的變化由傳感器檢測(cè)后，傳輸?shù)剑洌樱校粒茫胚M(jìn)行處理，所以ｄＳＰＡＣＥ

燕山人學(xué)Ｉ．學(xué)碩十學(xué)位論文

是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兩部分連接的紐帶。顯然這兩部分之間時(shí)通過(guò)信號(hào)傳遞建立起
來(lái)的，實(shí)驗(yàn)

．＿Ｊ

］

Ｌ——一…………………一．Ｊ
圖５－２蓄能器性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制測(cè)試平臺(tái)
Ｆｉ９５—２ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ

５．３．１計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制調(diào)試采集系統(tǒng)
在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制采集調(diào)試系統(tǒng)中完成的主要工作包 括：在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ環(huán)境下建模：由ＲＴＩ把模型進(jìn)行編譯生成可執(zhí)行代
碼，下載到ｄＳＰＡＣＥ提供的硬件ＤＳｌｌ０４ＰＰＣ控制器板上運(yùn)行：在

ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ軟件系統(tǒng)中設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)控制、調(diào)試和信號(hào)采集窗口。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制調(diào)試采集系統(tǒng)的功能有：一、控制液壓 部分的控制元件，使其按照要求的動(dòng)作準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，以產(chǎn)生理想的液壓沖擊 和脈動(dòng)信號(hào)。二、將液壓系統(tǒng)中檢測(cè)到的執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)情況、液壓油路和 執(zhí)行元件中的壓力變化數(shù)據(jù)采集，并存儲(chǔ)到ＰＣ機(jī)中【６１，６２］。
系統(tǒng)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換是通過(guò)ｄＳＰＡＣＥ軟硬件集成系統(tǒng)完成的。數(shù)／模轉(zhuǎn)換

是由ｄＳＰＡＣＥ將ＰＣ機(jī)中的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并通過(guò)Ｉ／Ｏ接口端 子板發(fā)送到比例閥控制板，然后放大輸出到比例閥電控部分控制閥芯的運(yùn) 動(dòng)。模／數(shù)轉(zhuǎn)換是把系統(tǒng)中由壓力傳感器和位移傳感器采集到的模擬信號(hào)通 過(guò)放大器及位移變送器傳遞到ｄＳＰＡＣＥ中，由其完成模／數(shù)轉(zhuǎn)換，并傳遞到 ＰＣ機(jī)中完成采集［６３，６４１。 主要包括以下幾部分：ｄＳＰＡＣＥ軟硬件集成實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、電液比例 閥控制板、壓力傳感器、位移傳感器、ＰＣ機(jī)。圖５—２中的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制

第５章蓄能器性能實(shí)驗(yàn)研究與分析

調(diào)試采集系統(tǒng)部分簡(jiǎn)單地描述了各部分在工作過(guò)程中的信號(hào)傳遞路線(xiàn)。圖 中的ＤＳｌｌ０４控制板是ｄＳＰＡＣＥ的系列產(chǎn)品之一，在４．２．１中結(jié)合ｄＳＰＡＣＥ 硬件系統(tǒng)已經(jīng)分析過(guò)它的主要組成和作用。

５．３．２液控部分
液控部分的液壓系統(tǒng)主要利用的是我校流體控制工程研究所研制開(kāi)發(fā) 的熱軋帶鋼卷耿機(jī)液壓系統(tǒng)，原有系統(tǒng)工作缸上安裝有位移傳感器。所做 改進(jìn)工作主要有：用阿托斯的兩位四通多功能電液比例組合閥替代原來(lái)的 控制閥，組成回路：在工作缸的有桿腔、無(wú)桿腔和閥前泵后的油路上安裝 壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)壓力變化情況。 實(shí)驗(yàn)中采用的主要元件及主要參數(shù)如下： （１）動(dòng)力源軸向柱塞式恒壓變量泵（２５ＰＣＹ０１４—１Ｂ）的公稱(chēng)壓力：３１．５ ＭＰａ，理論排量：２５ ｍｌ／ｒ，額定轉(zhuǎn)速：１５００ ｒ／ｒａｉｎ，公稱(chēng)流量（１０００ ｒ／ｍｉｎ）：
２５ ｌ／ｒａｉｎ；

（２）執(zhí)行元件單作用活塞液壓缸（ｓＰｏｏ－１４－６３－２４０）； （３）蓄能器及其附件蓄能器㈧ＸＱ—Ｌ１０／３１．５一Ｈ）的公稱(chēng)壓力：３ｌ，５ ＭＰａ， 公稱(chēng)容積：１０Ｌ： 蓄能器球閥（ＡＱＦ．Ｌ４０Ｈ３一Ａ）的公稱(chēng)壓力：３１．５ ＭＰａ，調(diào)壓范圍：１４～３１．５ ＭＰａ，公稱(chēng)流量：１００ Ｌ／ｍｉｎ； 液控先導(dǎo)換向式充氮車(chē)（ＣＤＺ－３５．Ｙ１）充氣壓力范圍：３５ ＭＰａ： （４）控制閥件 多功能電液比例換向閥（ＤＨＺＯ－Ｔ－０５１．Ｌ５／３１）的公稱(chēng)壓

力：３１．５ ＭＰａ。公稱(chēng)流量：１００ Ｌ／ｍｉｎ，先導(dǎo)板式溢流閥（ＤＢｌＯ－１．３０／３１ ５ｕ）， 調(diào)壓范圍：３１．５ ＭＰａ； （５）模擬信號(hào)檢測(cè)設(shè)備直流差動(dòng)變壓器式位移傳感器（ＦＸ．７１）的測(cè)量 范圍：±１６０ｍｍ： 位移傳感器變送器（ＦＸ．３３ＩＡ）的輸出電壓：±５ Ｖ，輸出電流：Ｏ～１０ 供電電源為：Ｃ２２０Ｖ±１０％； 壓力傳感器（ＺＱ５０４）的測(cè)壓范圍：０，－－２０ ＭＰａ，激勵(lì)電壓：１５～４０
ＶＤＣ： ｍＡ，

在考察蓄能器對(duì)沖擊壓力波的消減能力時(shí)，要通過(guò)電液比例閥的快速

６５

燕山人學(xué)Ｊ二學(xué)碩士學(xué)位論文

開(kāi)閉產(chǎn)生液壓沖擊波，調(diào)整閥口開(kāi)度可以調(diào)整沖擊壓力的大�。憾诳疾� 蓄能器對(duì)壓力脈動(dòng)波的削弱能力時(shí)，要在系統(tǒng)中形成正弦脈動(dòng)壓力波，同 樣，調(diào)整閥口開(kāi)度可以調(diào)整正弦脈動(dòng)壓力波的幅值大小。液壓系統(tǒng)原理圖 如圖５．３所示。

廠一一一一一一一一一…一一一一一一一一．１

圖５－３液壓系統(tǒng)原理幽
Ｆｉｇ．５－３ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ

圖５－４是實(shí)驗(yàn)采用的液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)照片。

圖５－４實(shí)驗(yàn)液控部分照片
Ｆｉｇ．５４ Ｔｈｅ ｐｈｏｔｏ ｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ

６６

第５章蓄能器性能實(shí)驗(yàn)研究與分析

５．４吸收沖擊與補(bǔ)充能量的綜合實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)的完成是在我校的熱軋帶鋼卷取機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)固
定。系統(tǒng)采用的是恒壓變量泵，產(chǎn)生沖擊困難。所以是采用模擬沖擊信號(hào) 的形式完成蓄能器吸收沖擊實(shí)驗(yàn)的。 系統(tǒng)工作過(guò)程中，當(dāng)比例閥快速打開(kāi)后，泵的供油不能滿(mǎn)足執(zhí)行機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)要求，系統(tǒng)中的壓力會(huì)急速下降，然后在短時(shí)間迅速上升。實(shí)驗(yàn)過(guò)程 中采用這段迅速上升的壓力曲線(xiàn)作為模擬沖擊信號(hào)。安裝蓄能器后，這部 分上升壓力可以認(rèn)為是被蓄能器以吸收壓力沖擊的形式吸收。

５．４．１控制和采集軟硬件方面的準(zhǔn)備
首先，要完成對(duì)系統(tǒng)的控制和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，必須結(jié)合實(shí)際液壓系統(tǒng) 及要采集的實(shí)驗(yàn)信號(hào)在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)控制模型。針對(duì) 蓄能器壓力沖擊實(shí)驗(yàn)建立的實(shí)驗(yàn)控制模型如圖５．５所示。其中對(duì)比例閥輸 入的信號(hào)為階躍信號(hào)，使其快速打刀＝，產(chǎn)生沖擊壓力波。五個(gè)Ｄ／Ａ模塊將 Ｐｃ機(jī)中的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出，四個(gè)Ａ／Ｄ模塊將系統(tǒng)中采集到 的壓力位移變化產(chǎn)生的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)到Ｐｃ機(jī)中№６ ６１。

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厶－——運(yùn)卜爭(zhēng)坦［＿１侖量≮習(xí)

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圖５－５ 蓄能器壓力沖擊實(shí)驗(yàn)的控制模型
６７

Ｆｉｇ．５?５

Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｔｅｓｔｉｎｇ

其次，在ｄＳＰＡＣＥ中利用ＣｏｎｔｒｏｌＤｃｓｋ模塊建立蓄能器沖擊實(shí)驗(yàn)控制

燕山火學(xué)上學(xué)碩十學(xué)位論文

調(diào)試界面，使操作人員能夠簡(jiǎn)便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和快捷地采集信號(hào)，建 立的實(shí)驗(yàn)界面如圖５－６所示。左邊的兩個(gè)控制窗口是沖擊信弓控制窗口， 在這個(gè)窗口的屬性早可以設(shè)定每次調(diào)整的步長(zhǎng)，通過(guò)點(diǎn)擊上下按鈕即可調(diào) 整閥口開(kāi)度大�。褐虚g的四個(gè)窗口是信號(hào)檢測(cè)顯示窗口，分別顯示壓力和 位移信號(hào)的采集結(jié)果，采集到的結(jié)果在窗口中以曲線(xiàn)的形式顯示，也可以 以數(shù)組樹(shù)的形式保存在Ｗｏｒｋｓｐａｃｅ空間中：右邊的窗口是采集控制窗口， 其中設(shè)置有采集丌關(guān)．當(dāng)顯示窗口的啦線(xiàn)滿(mǎn)足要求時(shí)，按下“Ｔａｋｅ”鍵進(jìn) 行采集，還可以顯示采集的進(jìn)度。采集得到的數(shù)組樹(shù)在下邊顯示。

圖５－６蓄能器吸收沖市實(shí)驗(yàn)控制界面
Ｆｉｇ．５?６ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｉｍｐｕｌｓｅ ｔｅｓｔｉｎｇ

信號(hào)采集前，應(yīng)該先打丌實(shí)驗(yàn)控制模型，然后打丌上邊的控制界面， 按照提示，先在Ｍａｔｌａｂ中下載源代碼到ｄｓＰＡＣＥ中。

５．４．２實(shí)驗(yàn)方案的確立
根據(jù)第二章式（２?３８）和式（２．３９）得到的蓄能器數(shù)學(xué)模型可以看出，當(dāng)不 考慮連接管路的影昀時(shí)，蓄能器模型參數(shù)和蓄能器的橫裁面內(nèi)圓面積Ａ。、 充氣壓力ｐｏ、充氣體積％、油液阻尼Ｂ。、系統(tǒng)工況有關(guān)。實(shí)驗(yàn)主要分析 在蓄能器本體參數(shù)、油液參數(shù)和系統(tǒng)工作壓力已定的前提下，蓄能器的充 氣壓力變化對(duì)蓄能器響應(yīng)性能的影響和對(duì)系統(tǒng)性能的改善能力，即當(dāng)充氣

第５章蓄能器性能實(shí)驗(yàn)研究與分析

壓力不同時(shí)蓄能器對(duì)系統(tǒng)中壓力沖擊波的吸收能力。 系統(tǒng)中的壓力沖擊可以通過(guò)觀察閥前泵后的壓力曲線(xiàn)變化來(lái)研究。所 以實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要采集了蓄能器不同充氣壓力下閥前泵后的壓力、工作缸 有桿腔（Ａ腔）和無(wú)桿腔（Ｂ腔）的壓力及工作缸的位移共四組數(shù)據(jù)。

壓力傳感器的測(cè)壓范圍是肛２０ ＭＰａ，所以在做蓄能器吸收壓力沖擊實(shí)
驗(yàn)時(shí)，為了測(cè)量準(zhǔn)確和安全起見(jiàn)，將系統(tǒng)的壓力由溢流閥調(diào)定在１７．５
ＩＶ［Ｐａ。

沖擊壓力的大小和組合閥的閥口開(kāi)度有很大關(guān)系，所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還分

別將多功能組合閥的閥口開(kāi)度設(shè)置為Ｏ．２哪、０．３ｐｒｎ和Ｏ．４ｔｔｒｎ，這樣可以
形成沖擊壓力不同的沖擊波。將蓄能器充氣壓力設(shè)定為高于系統(tǒng)壓力的充 氣壓力１７ ＭＰａ，等于和接近系統(tǒng)壓力的充氣壓力（１５ ＭＰａ、１４ ＭＰａ），低于 系統(tǒng)壓力的充氣壓力（１ｌ Ｍ．Ｐａ、８ ＭＰａ、５ ＭＰａ），分別檢測(cè)各個(gè)充氣壓力下 蓄能器打開(kāi)和關(guān)閉的情況。表５－１是蓄能器打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)采集的數(shù)據(jù)表。
表５－１系統(tǒng)壓力１５ ＭＰａ，蓄能器打開(kāi)
Ｔａｂｌｅ ５－１ Ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ １５ ＭＰａ ａｎｄ ａｃｃｍｎｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｏｐｅｎｅｄ

婀口開(kāi)度
０．２【Ｉ∞

充氣壓力
１９ｈ坤ａ １９＾ｏ?ａ

１７Ⅷａ
１７ ｈ＿Ｂ’ａ

１５ＭＰａ

１４ｈｆＰａ

ｌＯＭ咿ａ

８脅
８ｈ艫ａ ８～口ａ

５ ｈｄＰａ

０．３０ｒａ

１５脅
１５～ｆＰａ

１４＾肛’ｔ １４～伊ａ

ｌｌ鼢
ｌｌ ｈＩＰａ

５

ｈ，毋ａ

０．４ｉｎｎ

１９№

１７ｈ【Ｐａ

５ＭＰａ

實(shí)際上當(dāng)蓄能器關(guān)閉時(shí)，無(wú)論系統(tǒng)工作壓力多大，蓄能器都是不起作
用的。所以對(duì)于同一工作壓力，只需要采集～次蓄能器關(guān)閉的數(shù)據(jù)即可。 實(shí)驗(yàn)步驟如下：（１）打開(kāi)Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立的控制模型，然后打開(kāi) ｄＳＰＡＣＥ中用Ｃｏｎ舡ｏｌＤｃｓｋ制作的蓄能器沖擊實(shí)驗(yàn)控制調(diào)試窗口，將控制模 型下載到ｄＳＰＡＣＥ系統(tǒng)中： （２）打開(kāi)系統(tǒng)將系統(tǒng)壓力調(diào)定到１５ ＭＰａ；

（３）給蓄能器充壓到１７ ＭＰＢ；
（４）將閣口分別打開(kāi)到０．２９ｍ、Ｏ．３ｐａｎ、０．４９ｍ，采集并保存數(shù)據(jù)； （５）關(guān)閉蓄能器，重新采集數(shù)據(jù)； （６）改變充氣壓力，分別在蓄能器打開(kāi)和關(guān)閉的情況下采集數(shù)據(jù)。

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

５．４．３實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析
主要分析系統(tǒng)中泵出口壓力曲線(xiàn)。如圖Ｓ－７（ａ）所示，蓄能器關(guān)閉，比 例閥打開(kāi)時(shí)，由于泵的供油在短時(shí)間內(nèi)不能滿(mǎn)足工作缸突然伸出所需油量， 使系統(tǒng)的壓力迅速下降沖擊，然后在短時(shí)間內(nèi)壓力會(huì)恢復(fù)。當(dāng)系統(tǒng)中加上 蓄能器后，一方面蓄能器對(duì)系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)油，使系統(tǒng)壓力變化平穩(wěn)；另 一方面，當(dāng)系統(tǒng)壓力沖擊下降后再次上升的時(shí)間很短，可以認(rèn)為是一個(gè)模 擬的沖擊壓力，所以研究這一段曲線(xiàn)同樣可以分析蓄能器吸收沖擊的效果。 由圖５－７（ａ）可以看出，蓄能器對(duì)壓力沖擊有明顯的吸收作用。當(dāng)系統(tǒng) 壓力為大約１７．５ ＭＰａ時(shí)，蓄能器打開(kāi)可以將７ ＭＰａ的壓力沖擊吸收，使 其降為０．５ ＭＰａ，吸收了將近９３％的壓力沖擊。但是如果蓄能器充氣壓力 大于系統(tǒng)工作壓力，蓄能器即使打開(kāi)，其中的充氣皮囊也相當(dāng)于～個(gè)剛性

體，吸收沖擊的作用不明顯，如圖５．８徹所示。

（ａ）蓄能器打開(kāi)及關(guān)閉時(shí) 泵出口壓力對(duì)比

（”蓄能器閉及充氣壓力 ｔ９ＭＰａ泵出口壓力對(duì)比

圖５－７不同情況下泵出口壓力曲線(xiàn)
Ｈｇ．５－６
Ｐｌ＇ｅｆｌｓｔｇｅ
ｃｕｒｖｅ

ｏｆｐｕｍｐ’Ｓ ｅｘｐｏｒｔ ｉｎ ｄｉｆｆｅ粕ｍ ｉｎｓｔ蚰ｃｅ

根據(jù)第２、３章的理論分析和第四章的仿真研究可以看出，當(dāng)充氣壓力

不同時(shí)，蓄能器對(duì)相同系統(tǒng)工況下的壓力沖擊吸收效果不同。在充氣壓力
低于最佳充氣壓力時(shí)，充氣壓力越低吸收能力越強(qiáng)，但是吸收的速率很慢， 不符合實(shí)際系統(tǒng)的要求；當(dāng)充氣壓力大于最佳充氣壓力時(shí)，吸收壓力沖擊

第５章

蓄能器性能實(shí)驗(yàn)研究與分析

的速率很快，但是會(huì)有一個(gè)明顯的壓力沖擊。圖５－８所示是蓄能器充氣壓
力不同時(shí)泵出口的壓力響應(yīng)曲線(xiàn)。

（ａ）充氣壓力５ＭＰａ

（ｂ）充氣壓力１０ＭＰａ

囂

善
器
亡

耳

管
己

（ｃ）充氣壓力１３ ＭＰａ

（ｄ）充氣壓力１４ ＭＰａ（系統(tǒng)壓力１５ ＭＰａ）

圖５－８蓄能器充氣壓力不同時(shí)的泵口壓力曲線(xiàn)
Ｆｉｇ．５－８ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｃｕｒｖｅ

ｏｆｐｕｍｐ’ｓ ｅｘｐｏｒｔ ｗｈｅｎ

ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ’ｓ ｉｎｆｌａｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎ＇ｃ

圖５—８中圖（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所示，系統(tǒng)壓力為】７．５ ＭＰａ時(shí)，由附錄二可 以看出，此時(shí)蓄能器的最佳充氣壓力約為１６．５ ＭＰａ。圖中充氣壓力分別為
５ ＭＰａ、１０ ＭＰａ和１３

ＭＰａ，均小于最佳充氣壓力，所以很顯然其壓力響應(yīng)

曲線(xiàn)在上升過(guò)程中，都是直接緩慢上升的。隨著充氣壓力的增大，吸收壓
力范圍變小，速度加快。
系統(tǒng)工作壓力為１７．５ ＭＰａ，充氣壓力最佳值和工作壓力很接近．吸收
７ｌ

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

沖擊的效果并不好。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了得到最佳充氣壓力下的數(shù)據(jù)，在不更 換蓄能器的前提下，調(diào)整了系統(tǒng)壓力，得到工況壓力為１ ５ ＭＰａ時(shí)的近似 最佳充氣壓力為１４ ＭＰａ。從其壓力響應(yīng)曲線(xiàn)如圖５－８（ｄ）所示。從壓力響應(yīng) 曲線(xiàn)可以看出，當(dāng)蓄能器處于最佳充氣壓力，其響應(yīng)曲線(xiàn)在快速上升后有 輕微振蕩，而且對(duì)沖擊壓力的吸收能力和吸收速度均達(dá)到最佳。

５．４．４蓄能器吸收沖擊的總結(jié)分析
從前邊的實(shí)驗(yàn)分析可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本與仿真結(jié)果吻合。結(jié)合實(shí) 驗(yàn)和仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論： （１）顯然，系統(tǒng)中如果沒(méi)有安裝蓄能器，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要大流量的油 液輸入時(shí)，單獨(dú)由泵供油是不夠的。只有安裝了蓄能器，才能將泵供給的 油液暫存，當(dāng)系統(tǒng)中需要大流量油液時(shí)，再將高壓油液輸入系統(tǒng)以滿(mǎn)足需
要。

（２）蓄能器對(duì)液壓系統(tǒng)的壓力沖擊有明顯的吸收作用，而且對(duì)改善系 統(tǒng)性能和維護(hù)系統(tǒng)壽命都有很重要的份＿ｒ｜；ｊ。但是蔫能器吸收沖擊的效果受 到系統(tǒng)工況、蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)的影響，系統(tǒng)工況是不可改變的， 所以只有合理選擇蓄能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，爿能有效地吸收沖擊。 （３）當(dāng)蓄能器的總?cè)莘e確定后，蓄能器的充氣壓力決定著蓄能器的功 效。只有當(dāng)充氣壓力為最佳充氣壓力時(shí)，才能保證蓄能器在最短的時(shí)間內(nèi) 最大程度上吸收系統(tǒng)中的壓力沖擊。蓄能器的充氣壓力影響著蓄能器的阻 尼比，最佳充氣壓力應(yīng)該是蓄能器阻尼比為Ｏ．７０７附近的充氣壓力。

５．５消除壓力脈動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方案、數(shù)據(jù)采集及結(jié)果分析
蓄能器消除壓力脈動(dòng)的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集處理過(guò)程與吸 收壓力沖擊過(guò)程大致相同。但也有不同之處，主要包括： （１）實(shí)驗(yàn)控制模型不同 圖５－９所示是蓄能器消除脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)在

Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)控制模型。 （２）實(shí)驗(yàn)控制界面不同 圖５—１０是消除脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)采用的控制界面。與

蓄能器消除沖擊實(shí)驗(yàn)控制界面相比，最大區(qū)別是界面中左邊窗口是脈動(dòng)信

第５章蓄能器性能實(shí)驗(yàn)研究與分析

號(hào)控制窗口，在其中可以輸入正弦信號(hào)的頻率和幅值。

醫(yī)卜妒臣唱苣卜哦
臣｝也噸卜坦皿坦坨＾習(xí)
圖５－９蓄能器消除脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)的控制模型
Ｆｉｇ．５－９ Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｉｐｐｌｅ ｔｅｓｔｉｎｇ

圖５－１０蓄能器消除脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)控制界面 Ｆ．呂５－１０
ＣｏｎｔｒｏＬ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｔｉｐｐｌｅ ｔｅｓｔｉｎｇ

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

５．５．１實(shí)驗(yàn)方案的確立
實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證在確定了合適的蓄能器和系統(tǒng)工作壓力后，充氣壓力 變化對(duì)蓄能?chē)滔麥p脈動(dòng)壓力波能力的影響和對(duì)系統(tǒng)性能的改善。 同樣，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集了不同充氣壓力下，蓄能器打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)閥前 泵后的油路壓力、工作缸有桿腔（Ａ腔）壓力、無(wú)桿腔田腔）壓力及氣位移的 變化曲線(xiàn)數(shù)據(jù)。分析這些曲線(xiàn)去驗(yàn)證不同充氣壓力下的蓄能器對(duì)系統(tǒng)性能 的改善情況。 通過(guò)仿真的結(jié)論可以看出，要使蓄能器很好地吸收系統(tǒng)中的脈動(dòng)壓力

波，蓄能器的最佳充氣壓力大約為系統(tǒng)工作壓力的０．５加．６倍。所以實(shí)驗(yàn)
過(guò)程中為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，采集了系統(tǒng)工作壓力為１７ ＭＰａ，蓄能器充氣壓 力接近系統(tǒng)工作壓力的１６ ＭＰａ、約為系統(tǒng)工作壓力０．６倍的９ ＭＰａ時(shí)的數(shù) 據(jù)；然后又采集了工作壓力為８ ＭＰａ，充氣壓力大于系統(tǒng)工作壓力的９ ＭＰａ
和小于工作壓力的６ ＭＰａ的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)完成的步驟與５．４．２蓄能器吸收壓力沖擊實(shí)驗(yàn)的步驟相同。

５．５．２實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法和５．４．３相同。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要需要驗(yàn)證以下幾個(gè) 結(jié)論：當(dāng)蓄能器關(guān)閉和充氣壓力為最佳充氣壓力時(shí)，對(duì)脈動(dòng)壓力波的吸收 情況；當(dāng)充氣壓力較大和最佳充氣壓力時(shí)，對(duì)脈動(dòng)壓力波的吸收情況；當(dāng) 蓄能器關(guān)閉和充氣壓力大于系統(tǒng)工作壓力時(shí)，蓄能器對(duì)脈動(dòng)壓力波的吸收
情況。

圖５－“所示，系統(tǒng)工作壓力等于１７ ＭＰａ。蓄能器關(guān)閉和蓄能器處于 最佳充氣壓力１０ＭＰａ的泵出口處壓力曲線(xiàn)。圖５．１２所示，系統(tǒng)工作壓力 仍為１７ＭＰａ，蓄能器關(guān)閉和充氣壓力為１６ＭＰａ時(shí)豹泵出１３壓力曲線(xiàn)。 由圖５－１１可Ｉ；ｌ｝看出，當(dāng)系統(tǒng)中沒(méi)有蓄能器時(shí)產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力波幅值約
為１．８ ＭＰａ，當(dāng)給系統(tǒng)加上充氣壓力為１６ ＭＰａ的蓄能器時(shí)，系統(tǒng)的壓力沖

擊大幅度下降，壓力曲線(xiàn)幅值小于０．１５ ＭＰａ，顯然蓄能器將其中９１％的壓 力沖擊吸收了。麗在圖５一１２中，蓄能器關(guān)閉時(shí)脈動(dòng)壓力變化范圍為１６～
１８．２

ＭＰａ，蓄能器充氣壓力為１６ ＭＰａ時(shí)，脈動(dòng)壓力變化范圍則為１６．７～
７４

莖！主董墼墨垡絲莖蘭竺莖蘭坌塑
１７，８

ＭＰａ，蓄能器僅僅吸收了５０％的脈動(dòng)壓力。

圖５－１１蓄能器關(guān)閉及最佳充氣壓力時(shí)泵口的壓力曲線(xiàn)
Ｆｉｇ．５—１ １
Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｃｕｒｖｅ

ｏｆｐｕｍｐ’ｓ ｅｘｐｏｒｔ

ｗｈｅｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｃｌｏｓｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｎｆｌａｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ｂｅｓｔ

富ｔ：一ｇ－啐ｅ｜ｌｄ

圖５－１２蓄能器關(guān)閉及充氣壓力１６．５ ＭＰａ時(shí)泵口的壓力曲線(xiàn)
Ｆｉｇ．５－１２ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｃｕｒｖｅ

ｏｆｐｕｍｐ’ｓ ｅｘｐｏｒｔ ｗｈｅｎ

ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｃｌｏｓｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｎｆｌａｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ １６．５ ＭＰａ

７５

些些叁堂．�。幔罕ぶ魈m：焦笙苧
圖５—１３所示，系統(tǒng)工作壓力約為６ ＭＰａ，蓄能器充關(guān)閉和充氣壓力為
９ＭＰａ時(shí)的泵出口壓力曲線(xiàn)。

畝亂＝一∞ 世ｄ－導(dǎo)Ｅ３亂

圖５－ｊ３蓄能器關(guān)閉及充氣壓力９ＭＰａ時(shí)泵口的壓力曲線(xiàn)
Ｆｉｇ．５－１３ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＣＵＩＷＣ ｏｆｐｕｍｐ’Ｓ ｅｘｐｏｒｔ ｗｈｅｎ

ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｃｌｏｓｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｎｆｌａｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ９

ＭＰａ

由圖５．１３可以看出，當(dāng)蓄能器的充氣壓力大于系統(tǒng)工作壓力時(shí)，由于 系統(tǒng)中油液流動(dòng)的慣性力作用，系統(tǒng)中脈動(dòng)壓力波的峰值部分蓄能器吸收 一部分脈動(dòng)壓力，但是吸收效果很差。

５．５．３蓄能器吸收脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)的總結(jié)分析
蓄能器吸收壓力脈動(dòng)時(shí)，應(yīng)該主要考慮其對(duì)脈動(dòng)壓力幅值的消減能力。 蓄能器的總?cè)莘e對(duì)吸收脈動(dòng)的能力影響不大，但是還是有區(qū)別的，總?cè)莘e 越大吸收能力越強(qiáng)。當(dāng)總?cè)莘e確定后，蓄能器的充氣壓力越大，蓄能器的 無(wú)阻尼固有頻率越大，對(duì)系統(tǒng)中高頻脈動(dòng)的跟隨消震能力越強(qiáng)；充氣壓力 增大會(huì)導(dǎo)致阻尼比下降，而且氣腔剛度上升，降低吸收壓力的百分比。

５．６本章小結(jié)
本章首先介紹了試驗(yàn)過(guò)程中采用的系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集軟硬件系統(tǒng)一
一ｄＳＰＡｃＥ控制板和對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)做的簡(jiǎn)單的改進(jìn)工作。在此基礎(chǔ)上，利用
７６

第５蘋(píng)蓄能器性能實(shí)驗(yàn)研究與分析

ｄＳＰＡＣＥ分別在熱軋帶鋼卷取機(jī)液壓系統(tǒng)上做了系統(tǒng)中存在脈動(dòng)信號(hào)和壓 力信號(hào)時(shí)系統(tǒng)有無(wú)蓄能器的實(shí)驗(yàn)研究工作，采集了大量詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明蓄能器在系統(tǒng)中的作用顯著，而且充氣壓力的變化對(duì)蓄能器 模型和系統(tǒng)響應(yīng)性能都有很大影響。

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

結(jié)論
本論文在大量的調(diào)查研究基礎(chǔ)上，參照閥控缸數(shù)學(xué)模型、結(jié)合管道理 論，研究了液壓皮囊式蓄能器的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)選擇公式等基礎(chǔ)理論理論， 并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)工作對(duì)理論的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。 本論文詳細(xì)地研究了蓄能器模型參數(shù)和蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)、 系統(tǒng)工況之間的關(guān)系，得出了蓄能器各項(xiàng)參數(shù)與其性能之間的關(guān)系。 論文在液壓皮囊式理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，得出以下結(jié)論： （１）蓄能器是液壓系統(tǒng)的重要附件之一。蓄能器的數(shù)學(xué)模型是蓄能器研 究的主要內(nèi)容，而蓄能器的參數(shù)選擇公式的正確性決定著蓄能器的響應(yīng)性 能和對(duì)實(shí)際系統(tǒng)性能的改善能力。 （２）將蓄能器本體分為氣腔、液腔和連接管路三部分，參照閥控缸的數(shù) 學(xué)模型研究了蓄能器的數(shù)學(xué)模型。由其數(shù)學(xué)模型可以看出，蓄能器可以等 效為二階系統(tǒng)，阻尼比和無(wú)阻尼固有頻率決定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。蓄 能器加上連接管路后，不改變模型的階次，但是影響了蓄能器的阻尼比和 無(wú)阻尼固有頻率。 （３）蓄能器模型和系統(tǒng)工況、蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)有關(guān)，所以其 動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能及使用效果的好壞與這些參數(shù)有很大關(guān)系。在系統(tǒng)工況和蓄 能器結(jié)構(gòu)型號(hào)選定后，蓄能器的充氣壓力決定著蓄能器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。 （４）當(dāng)蓄能器主要用于吸收系統(tǒng)中的壓力沖擊時(shí)，最佳充氣壓力值與蓄 能器阻尼比的最佳值對(duì)應(yīng)，即當(dāng)蓄能器充氣壓力為最佳充氣壓力時(shí)，蓄能 器系統(tǒng)的阻尼比ｆ＝０．７０７。 （５）當(dāng)蓄能器主要用于消除系統(tǒng)中的脈動(dòng)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮蓄能器對(duì)脈 動(dòng)壓力波幅值的消減和蓄能器固有頻率與系統(tǒng)匿有頻率的匹配兩個(gè)因素。 充氣壓力越大，對(duì)脈動(dòng)壓力波幅值的衰減能力越差；但是蓄能器的固有頻 率越高，和系統(tǒng)中較高頻率的脈動(dòng)匹配越好。 雖然通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證看出論文中建立的蓄能器數(shù)學(xué)模型和參

結(jié)論

，

數(shù)選擇方法在一定程度上時(shí)正確的，但是由于實(shí)驗(yàn)條件的限制和研究工作 量的限制，課題研究中還存在很多缺陷。 （１）理論分析過(guò)程中，雖然得出了包含連接管路的蓄能器數(shù)學(xué)模型，但 是并沒(méi)有對(duì)其做更進(jìn)一步的分析。實(shí)際系統(tǒng)中蓄能器的連接管路對(duì)蓄能器 的響應(yīng)能力和對(duì)系統(tǒng)性能都有很大影響，所以這部分的研究還需要深入。 （２１由于論文中得到蓄能器的參數(shù)選擇方法沒(méi)有考慮連接管路的影響， 所以在分析模型參數(shù)和蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)、工況壓力的關(guān)系時(shí)， 并沒(méi)有得出模型參數(shù)和管路參數(shù)的關(guān)系。這與實(shí)際系統(tǒng)還存在差異。 （３）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于受到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的限制，對(duì)系統(tǒng)工況中油液流量這 一重要因素與蓄能器模型的關(guān)系無(wú)法進(jìn)行驗(yàn)證，所以本文中還沒(méi)有研究蓄 能器模型和系統(tǒng)流量之間的關(guān)系。 （４）在驗(yàn)證蓄能器吸收壓力沖擊實(shí)驗(yàn)中，對(duì)沖擊壓力是采用模擬沖擊壓 力的形式代替的，和實(shí)際系統(tǒng)中的壓力沖擊雖然相似，但是不完全相同。

燕山大學(xué)工學(xué)碩士論文

附錄１
蓄能器模型參數(shù)計(jì)算程序：
Ｖ－－ｖａ０； ＳｆｆｉＡａ；

ｍｄ＝８５０；

Ｐ砷；
ｋ＝１．４：

ｕ０＝０．２９７５；

ｕｂ－－ｕ０＋ｅｘｐ（０．２’Ｐ）；
ｕａ＝０．０２０３４；

ｐａ０鈉：ｉｎｃ：Ｐ；
ａｌ＝ｅｘｐ（（１∞＋ｌｏｇ（ｐａ０）ｙｅｘｐ（Ｏ／ｋ）＋ｌｏｇ（Ｐ））；
ａ２＝ｅｘｐ（（１＋１／ｋ）＋ｌｏｇ（Ｐ））’ｅｘｐ（－（Ｚ／ｋ）‘ｌｏｇ（ｐａ０））；
ｚｔｄ＝８＋ｐｉ＋ｕｂ＋ｆ１－ａ１）＋Ｖ／Ｓ＋８＋ｐｉ＊ｕａ＋ａｌ＊Ｖ／Ｓ；

Ａ＝ｋ＋（ａ２＋ｐａ０）‘Ｓ＋Ｓ／Ｖ；
Ｂ《ｌ?ａ１）‘Ｖ＋ｍｄ；
Ｎ：ｍ： ｆｏｒ ｉ＝ｌ：Ｎ

ｃｏ，ｉ）＝Ａ（１，ｉ）．Ｂ（１固；
ｅｎｄ

ｚｔｍ＝２’ｓｑｒｔ（Ｃ）；
Ｄ－－ｚｔｄ；

Ｅ＝ｚｔｍ；
ｆｏｒｉ＿１：Ｎ

Ｆ（１’ｉ）＝Ｄ（１，ｉ）甩（１，ｉ）；
ｅｎｄ
ｚｔ＝Ｆ

附錄１

Ｇ＝ｋ＋（ａ２＋ｐａ０）＋Ｓ。Ｓ／Ｖ；

Ｈ可１－ａ１）＋Ｖ＋ｒｏｄ；
ｆｏｒ ｉ＝ｌ：Ｎ

１（１，ｉ）＝Ｇ（１，ｉ）／Ｈ（１，ｉ）；
ｅｎｄ

ｏｍｇ＝ｓｑｒｔ（Ｉ）

ｆｏｒｉ－１：Ｎ

Ｃ（１，ｉ）＝１／Ｂ（１Ｄ；
ｅｎｄ ｚＧｌ＝Ｃ

Ｏ＝ｏｍｇ；
ｆｏｒｉ＝ｌ：Ｎ

ＺＯＯ，ｉ）＝－Ｆ（１，ｉ）＋Ｏ（１，ｉ）；
ｅｎｄ Ｇ３＝ＺＯ

Ｇ４－Ｉ

８ｌ

燕山大學(xué)工學(xué)碩士論文

附錄２
１．型號(hào)為ＮＸＱ．Ｌ１０／＇※．Ｈ的蓄能器模型參數(shù)的計(jì)算結(jié)果：
Ｚｔ＝

Ｃｏｌｕｍｎｓ ｌ ｔｈｒｏｕｇｈ １０
２．３４３５ ３．９２９２ ３．９９４５ ２．９１１１ ４．０３４６ ３．２６８０ ４．０５３４ ３．５１８３ ３．７００４ ３，８３３６

ＣｏｌⅧｎｎｓ １ １ ４．０５３６ ３．７６９２

ｔｈｒｏｕｇｈ ２０
４．０３７７ ３．５９２６ ４．００７４ ３．４９２ｌ ３．９６４３

３．９０９５

３．８４４２

３．６８５ｌ

Ｃｏｌｕｎｍｓ ２１ ｔｈｒｏｕｇｈ ３０
３．３８３９ ２．５７２５ ２．４０６３

３．２６８１
２．２２８１

３．１４４９ ２．０３５４

３。０１４１

２．８７５５

２。７２８６

Ｃｏｌ衄ｎｓ ３１
１．８２４２ ｏｍ９２ Ｃｏｌｕｍｎｓ １
１．９７９７ １．１８１６

ｔｈｒｏｕｇｈ ３５
１－５８７７ １．３１２９ ０．９６９５

ｔｈｒｏｕｇｈ

１０
１．４２００ １．１４６０ １．３１９１

１．５９３９
１．１５１１

１．２５４４

１．２１０９

１．１６２５

Ｃｏｌｕｍｎｓ １１
１．１４６１ １．２３４４

ｔｈｒｏｕｇｈ ２０
１．１５０９ １．１５９８ １．３３３９ １．１７２７ １．１８９４

１．２６３０

１．２９６０

Ｃｏｌｕｍｎｓ ２１
ｌ＿３７７２ １．８２１４

ｔｈｒｏｕｇｈ ３０
１．４２６８
２．１１１７ １．４８３６ ２．３１９３ １．５４９２ １．６２５４ １．７１４８

１．９５０７

Ｃｏｌｕｍｎｓ ３１
２．６００７
ｚｙ。

ｔｈｒｏｕｇｈ ３５
３．０１２８ ３．７０２９ ５．２５６４

附錄２ Ｃｏｌｕｍｎｓ １ ｔｈｒｏｕｇｈ １０
０．１２７７ Ｏ．１７２２ ０．１８０６ ０．１３５ｌ ０．１８９５ ０．１４２２ ０．１９９０ ０．１４９４ ０．１５６７ ０．１６４３

Ｃｏｌｕｍｎｓ １ １ ｔｈｒｏｕｇｈ ２０
０．２０９１ Ｏ．２９１９ ０．３１１１ ０．２２０１ ０．３３２７ ０．２３２０ ０．３５７ｌ ０．２４４９ ０．２５９ｌ ０．２７４７

Ｃｏｌｕｍｎｓ ２１ ｔｈｒｏｕ曲３０
０．３８４８ ０．６９５３ ０．７９８５ ０．４１６８ ０．９３６０ ０．４５４１ １．１２８４ ０．４９８０ ０．５５０７ ０．６１５０

Ｃｏｌｕｍｎｓ ３１
１．４１６８ Ｇ３＝

ｔｈｒｏｕｇｈ ３５
１．８９７４ ２．８５８４ ５．７４１０ Ｉｎｆ

Ｃｏｌｕｍｎｓ １
４．６３９３ ４．６４３０

ｔｈｒｏｕｇｈ

１０ ４．６４０５ ４．６４５１ ４．６４１ｌ ４．６４１７

４．６３９９

４．６４２３

４．６４３６

４．６４４４

Ｃｏｌｕｍｎｓ １ １
４．６４６０ ４．６５２７

ｔｈｒｏｕｇｈ ２０
４．６４６９ ４．６５６０ ４．６４７８ ４．６５８０

４．６４８９

４．６５００

４．６５１３

４．６５４３

Ｃｏｌｕｍｎｓ ２１
４．６６０３

ｔｈｒｏｕｇｈ ３０
４．６６２９ ４．７０５ １ ４．６６５９ ４．７２０８

４．６６９５

４．６７３８

４．６７９０

４．６８５５

４．６９３９

Ｃｏｌｕｍｎｓ ３ １ ｔｈｒｏｕｇｈ ３５
４．７４４３ １３４＝ ４．７８３４ ４．８６１６ ５．０９６３ Ｉｎｆ

Ｃｏｌｕｍｎｓ １ ｔｈｒｏｕｇｈ １０
３．９１９１ １．３９６３ １．３５１４ ２．５４０４ １．３２５ｌ ２．０１６３ １．３１３３

１．７４０１

１．５７３４

Ｃｏｌｕｍｎｓ １ １
１．３１３６

ｔｈｒｏｕｇｈ ２０
１．３２４５ １．３４５１ １．３７５２ １．４１４７ １＿４６４０

燕山大學(xué)工學(xué)碩士論文
１．５２３８
１．５９５１

１．６７９６

１．７７９２

Ｃｏｌｕｍｎｓ ２１ ｔｈｒｏｕｇｈ ３０
１．８９６７ ３．３１７４ ３．８０５２ ２．０３５７ ４．４５９４ ２．２０１１ ５．３７９３ ２．４０００ ２．６４１８ ２．９４０６

Ｃｏｌｕｍｎｓ ３ １

ｔｈｒｏｕｇｈ ３５
９。０７７０ １３．７１１５

６．７６３８

２７．６２９８

Ｉｎｆ

２．型號(hào)為ＮＸＱ－Ｌ２０／－※．Ｈ的蓄能器模型參數(shù)的計(jì)算結(jié)果：
ｚｔ＝

Ｃｏｌｕｍｎｓ １ １．２３７９
２．０７５５

ｔｈｒｏｕｇｈ

１０ １．７２６２ ２．１４１０

１．５３７７ ２．１３ｌｌ

１．８５８４

１．９５４６

２．０２５０

２．１０９９

Ｃｏｌｔｌｎａｎｓ １ １ ２．１４１２

ｔｈｒｏｕｇｈ ２０
２．１３２８ １．８９７７
２．１１６８

２．０９４０

２．０６５ｌ

２．０３０６

１．９９０９

１．９４６５

１．８４４６

Ｃｏｌｕｍｎｓ ２１

ｔｈｒｏｕｇｈ ３０
１．７２６３ １．１７６９ １．６６１２
１．０７５１

１．７８７４
１．３５８８

１．５９２１

１．５１８９

１．４４１３

１．２７１０

Ｃｏｌｕｍｎｓ ３１ ｔｈｒｏｕｇｈ ３５ ０．９６３６ ｏｍ９２ Ｃｏｌｕｍｎｓ １
１．９２６１ １．１４９７ １．１３１０ ０．８３８６ ０。６９３５ ０．５１２１

Ｉｎｆ

ｔｈｒｏｕｇｈ １ ０
１．５５０７ １．３８１５ １．１１５０

１．２８３４

１．２２０４

１．１７８２

１．１２００

Ｃｏｌｕｍｎｓ １１ ｔｈｒｏｕｇｈ ２０
１．１１５１
１．２０１０

１．１１９７
１．２６０９

１．１２８４
１．２９７８

１．１４０９

１．１５７２

１．１７７２

１．２２８８

Ｃｏｌｕｍｎｓ ２１ １．３３９９
１．７７２１

ｔｈｒｏｕｇｈ ３０
１．３８８１
２．０５４６ １．４４３５ ２．２５６５

１．５０７３

１．５８１４

１．６６８４

１．８９７９

附錄２
Ｃｏｌｕｍｎｓ ３ １ ｔｈｒｏｕｇｈ ３５ ２．５３０３ ｚｙ２ ２．９３１３ ３．６０２７ ５．１１４１ Ｉｒｆｆ

Ｃｏｌｕｍｎｓ
０．０６３９ ０．０８６１

１

ｔｈｒｏｕｇｈ

１０ ０．０７１ １ ０．０９９５ ０．０７４７ ０．０７８３ ０．０８２１

０．０６７６ ０．０９４７

０．０９０３

Ｃｏｌｕｍｎｓ １ １ ｔｈｒｏｕｇｈ ２０
Ｏ．１０４６ ０．１４６０ ０．１５５６ ０．１１０１ ０．１６６３ ０．１１６０ ０．１７８５ ０．１２２５ ０．１２９６ ０．１３７３

Ｃｏｌｕｍｎｓ ２１ ｔｈｒｏｕｇｈ ３０ ０．１９２４ ０．３４７７ ０．２０８４ ０．２２７０ ０．５６４２ ０．２４９０ ０．２７５３ ０．３０７５

０．３９９３

０．４６８０

Ｃｏｌｕｍｎｓ ３１ ｔｈｒｏｕｇｈ ３５ ０．７０８４ Ｇ３＝ ０．９４８７ １．４２９２ ２．８７０５

Ｃｏｌｕｍｎｓ １ ｔｈｒｏｕｇｈ １ ０
２．３８４２ ２．３８６１ ２．３８４５ ２．３８６８ ２．３８４８ ２．３８７２ ２．３８５ ｌ ２．３８５４ ２．３８５７

２．３８“

Ｃｏｌｕｍｎｓ １１ ｔｈｒｏｕｇｈ ２０ ２．３８７６
２．３９１ｌ ２．３９１９

２．３８８１
２．３９２８

２．３８８６ ２．３９３８

２．３８９１

２．３８９７

２．３９０４

Ｃｏｌｕｍｎｓ ２１ ｔｈｒｏｕｇｈ ３０ ２．３９５０ ２．３９６３ ２．４１８０ ２．３９７９ ２．４２６１ ２．３９９７ ２．４０１９ ２．４０４６

２．４０８０

２．４１２３

Ｃｏｌｕｒａｎｓ ３ １
２．４３８ｌ Ｇ４＝

ｔｈｒｏｕｇｈ ３５
２．４５８２ ２．４９８４ ２．６１９０
Ｉｎ：ｆ

Ｃｏｌｕｍｎｓ Ｉ
３．７０９８

ｔｈｒｏｕｇｈ １ ０ ２．４０４７

１．９０８７

１．６４７２

１．４８９４

１．３８８１

童當(dāng)查蘭三耋堡主蘭蘭
１．３２１７ １．２７９３ １．２５４３ １．２４３２ Ｃｏｌｕｍｎｓ １ １ ｔｈｒｏｕｇｈ ２０ １．２４３４ １．４４２４ １．５０９９ １．２５３７ １．２７３３ １．６８４２ １．３０１８ １．３３９１ １．３８５８

１．５８９９

Ｃｏｌｕｍｎｓ ２１ ｔｈｒｏｕｇｈ ３０
１．７９５４ ３．１４０２ ３．６０２０ １．９２６９ ４。２２１２ ２．０８３６ ５．０９２０ ２．２７１８ ２．５００７ ２．７８３５

Ｃｏｌｕｍｎｓ ３１
６．４０２５

ｔｈｒｏｕｇｈ ３５
８．５９２２ １２．９７９２ ２６．１５４１

Ｉｎｆ

參考文獻(xiàn)

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Ｓｈｉｎｉｃｈｉ ＹＯＫＯＴＡ，，Ｈｉｓａｓｈｉ ＳＯＭＡＤＡ，Ｈｉｒｏｔｕｇｕ
ｏｎ ａｌｌ

ＹＡＭＡＧＵＣＨＩ．Ｓｔｕｄｙ

Ａｃｔｉｖｅ Ａｃｃｕｍｕｌｔｏｒ．ＪＳＭＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｂ，１９９６，

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●●ｊ■；■‘●■■■■●■■■＿Ｉ●●●■■■■■■■■■●■■■■●■■目，■■，■■目■ｔ■■■■■■■■■■目■■■■■●■■■■■■■■■■■●●■■■●■■■■｜＝■■●■■■■ｔ■■■■■■■一 １８ Ｍｕｒａｋａｍｉ，Ｈｉｒｏａｋｉ（Ｔｏｓｈｉｂａ Ｎａｏｋａ．Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ－ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｍａｃｒｏ ｆｏｒ ａ ４５ ＭＩＰＳ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＲＩＳＣ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ．１ＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

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Ｓｏｍａｄａ Ｈｉｓａｓｈｉ；Ｙａｍａｇｕｃｈｉ Ｈｉｒｏｔｕｇｕ．Ｓｔｕｄｙ

０１３．ａｒｔ

ａｃｔｉｖｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ

（ａｃｔｉｖｅ

ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｉｎ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９９６ Ｓｅｒｉｅｓ

ｈｙｄｒａｕｌｉｅ

ｓｙｓｔｅｍｓ）．ＪＳＭＥ Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ
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Ｂ，ＶＯＬ３９，Ｎｏｌ，

Ｐａｒｋ

Ｓｕｎｇ，Ｙａｎｇ

ＫｙｅｏｎｇｃｈｅｏｌＸｉｍ

Ｓｅｕｎｇ

Ｗｏｎ．Ｍｕｌｔｉ－ｒａｔｅ
Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ

ｐａｒｉｔｙ

ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ

ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ

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ａ

ｈｙｄｒａｕｌｉｃ

ｈｙ硪ｄ

ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ

ｓｙｓｔｅｍ－Ａ

ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ

ａｎｄ

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ａ

ｄｉｒｅｒ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｐａｒａｌｌｅｌ

ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ

ｐｉｐｅｌｉｎｅｄ

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ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔｓ．Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｎｏｒｔｈ－Ｈｏｌｌａｎｄ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ

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ｏｆ

ａｎ

ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ

ｃｎｃ

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Ｊ．Ｓ．Ｌｅｅ．Ｋ．Ｂ．Ｌｅｅ．Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｕｓｉｎｇ
ａｌｌ ｏｎ

ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ

ｏｒｉｆｉｃｅ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ７８．２００１：３３７＿３４ｌ

４２

Ｒ．Ｂｅｎ．Ｍｒａｄ，Ｊ．Ａ．Ｌｅｖｉｔｔ．Ｎｏｎ－ｌｉｎｅｒ
ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｃｔｉｖｅ

ｄｙｎａｍｉｃ

ｍｏｄｅｌｉｎｇ

ｏｆ

ａｒｌ

ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ

ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ

ｓｙｓｔｅｍ．

Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

ｓｙｓｔｅｍ

ａｎｄ

ｓｉｇｎａｌ
ｏｆ

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Ｍｉｃｈａｅｌ

Ｄ．Ｌｅｅ．，Ｅｌｉｓｓａ

Ｙ．ＣｏｆｌｅＲ．Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ

ｓａｍｐｌｉｎｇ

ｍｏｄｅｌｓ

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４８ Ｓａｎｇ－Ｊｏｏｎ Ｌｅｅａ，Ｈｙｏｕｎｇ－Ｂｕｍ ｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｏｆ
ａ

Ｋｉｍａ，Ｊｅｏｎｇ－Ｋｉ．Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ

ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｌｏｗ ｉｎｓｉｄｅ

ｒｏｔａｒｙ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，

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燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文
４９

Ｍｉｃｈｅｌ ｌｅｂｒｔｍ．Ｔｈｅ

ｕｓｅ

ｏｆ ｍｏｄｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ

ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆｔｈｅ Ｆｒａｎｋｌｉｎ ＩｎｓｔｉｔｕｔｅＰｅｒｇａｍｏｎ Ｐｒｅｓｓ Ｌｔｄ．２００４，３（５）；１３７－１５０ ５０

Ｋ．Ｚｉａｅｉ州．Ｓ�。澹瑁洌停铮洌澹欤椋睿�

ａｎｄ

ｉｄｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ

ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒａｕｌｉｅ

ｓｅｒｖｏｓ．

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印礬

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攻讀碩士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)與主要成果

攻讀碩士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)與主要成果
１．孔祥東，權(quán)凌霄．蓄能器的研究歷史、現(xiàn)狀和展望．機(jī)床與液壓．２００４，（１０）：４－６ ２．鋼筋液壓切斷機(jī)液壓系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研制．企業(yè)項(xiàng)目＿３萬(wàn)元．項(xiàng)目參與人

９１

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文

致謝
本論文是在導(dǎo)師孔祥東教授和高英杰教授的悉心指導(dǎo)下完成的。在將 近三年的時(shí)間里，本人完成了從一個(gè)從未涉足液壓領(lǐng)域的本科學(xué)生轉(zhuǎn)交成 一個(gè)對(duì)這個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生濃厚興趣的碩士畢業(yè)生，其中傾注了二位導(dǎo)師大量的 心血，正是有了二位導(dǎo)師對(duì)我從工作、學(xué)習(xí)、生活的全面關(guān)懷，我才順利 地如期完成了自己的碩士學(xué)位論文。二位導(dǎo)師對(duì)學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)的敏銳洞察力、 對(duì)研究方向的睿智判斷、對(duì)科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的作風(fēng)是我所深深仰慕 的；而他們那淵博的知識(shí)、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、勤勤懇懇的工作態(tài)度、謙虛 樸實(shí)的為人以及超強(qiáng)的協(xié)作協(xié)調(diào)能力，都使學(xué)生在潛移默化中受益匪淺。 這一切都必將成為學(xué)生終生學(xué)習(xí)的楷模。值此論文完成之際，謹(jǐn)向二位導(dǎo) 師致以最衷心的感謝和最誠(chéng)摯的敬意！ 課題進(jìn)行過(guò)程中，還得到了機(jī)電控制工程研究所的王益群教授、趙靜 一教授、姜萬(wàn)錄教授、張齊生教授等老師和流體傳動(dòng)及控制實(shí)驗(yàn)室的郭明 杰高級(jí)工程師、杜崇杰高級(jí)實(shí)驗(yàn)師、閻立彬?qū)嶒?yàn)師的指導(dǎo)和幫助，在此本 人對(duì)這些幫助過(guò)我的老師們表示深深的謝意！ 本課題的實(shí)驗(yàn)工作完成過(guò)程中還得到了各位師兄、師姐、師弟和師妹 們的幫助，尤其是師兄闞超和師姐姚靜參與了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭接到采集數(shù)據(jù)的 大量的工作，在這里對(duì)他們表示誠(chéng)摯的謝意！

在這里我要特別感謝我的女朋友——電氣工程學(xué)院的董杰老師，我們
從相識(shí)到相知走過(guò)了一段不平凡的人生道路，在這段道路上我們互相支持、 互相鼓勵(lì)，終于一起迎來(lái)了這個(gè)收獲的季節(jié)，在此我也要對(duì)她從內(nèi)心表示 我的謝意ｌ 另外，本課題也是在查閱了大量國(guó)內(nèi)外同領(lǐng)域和相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的 論文的基礎(chǔ)上完成的，所以對(duì)他們的工作表示感謝！ 最后，對(duì)所有關(guān)心支持和幫助過(guò)我的老師、親人和朋友們表示再一次
的感謝！

作者簡(jiǎn)介

作者簡(jiǎn)介
權(quán)凌霄，男，漢族，１９７７年２月１４日出 生于陜西省渭南市。２０００年７月畢業(yè)于燕山 大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)理論及其制造自動(dòng)化，獲得工學(xué) 學(xué)士學(xué)位。２００２年１０月至今在燕山大學(xué)攻讀 機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位。參與完成了液壓 飛剪的設(shè)計(jì)和調(diào)試，發(fā)表論文１篇。

基于管路效應(yīng)的皮囊式蓄能器數(shù)學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)研究
作者： 學(xué)位授予單位： 權(quán)凌霄 燕山大學(xué)

相似文獻(xiàn)(10條) 1.期刊論文 戰(zhàn)興群.張炎華.趙克定.ZHAN Xingqun.ZHANG Yanhua.ZHAO Keding 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)中液壓蓄能器數(shù)學(xué)模型的研究 -中國(guó)機(jī)械工程2001,12(z1)
解決液壓蓄能器在二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)建造過(guò)程中的選配問(wèn)題的關(guān)鍵是,建立二次調(diào)節(jié)環(huán)境下的液壓蓄能器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,繼而通過(guò)仿真選擇相應(yīng)的蓄能器產(chǎn)品.建立二次調(diào)節(jié)環(huán)境下的蓄能器數(shù)學(xué)模型也有利于對(duì)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)速特性和動(dòng)態(tài)特性的深入研究.用1臺(tái)二次調(diào)節(jié)扭矩加載實(shí)驗(yàn)裝置轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)部分驗(yàn)證理論分析的正確性.

2.會(huì)議論文 權(quán)凌霄.孔祥東.高英杰.康雙琦.姚靜 不考慮進(jìn)口特性的蓄能器吸收沖擊基礎(chǔ)理論及實(shí)驗(yàn)研究 2006
蓄能器基礎(chǔ)理論包括蓄能器數(shù)學(xué)模型和參數(shù)選擇原則,當(dāng)前基礎(chǔ)理論研究是蓄能器研究的薄弱環(huán)節(jié).本文針對(duì)蓄能器吸收壓力沖擊的功用,在忽略連接管道影響的前提下,重點(diǎn)分析皮囊受力情況,建立蓄能器數(shù)學(xué)模型,通過(guò)仿真分析和大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)理論結(jié)果驗(yàn)證,給出了重要結(jié)論.

3.學(xué)位論文 宋孝臣 入口特性對(duì)蓄能器性能影響的研究 2006
蓄能器是液壓系統(tǒng)中的重要附件，蓄能器的響應(yīng)性能在很大程度上關(guān)系到系統(tǒng)的性能，進(jìn)油閥和連接管道對(duì)蓄能器的性能有很大的影響。本文將進(jìn)油閥和連接管道與蓄能器看作一體建立整體數(shù)學(xué)模型，及其對(duì)蓄能器性能的影響進(jìn)行研究和分析。研究工作主要包括以下幾個(gè)方面： 結(jié)合不同類(lèi)型蓄能器介紹常見(jiàn)蓄能器進(jìn)油閥的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)，總結(jié)分析目前國(guó)內(nèi)外阻尼效應(yīng)和管道效應(yīng)研究的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題。 在分別建立考慮進(jìn)油閥和連接管道的蓄能器數(shù)學(xué)模型時(shí)，將蓄能器整體分為氣腔、液腔、進(jìn)油閥和連接管路四部分。分別建立四部分的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)不同需要分別建立帶進(jìn)油閥的、帶進(jìn)油閥和連接管道的蓄能器數(shù)學(xué)模型。 分析考慮進(jìn)油閥和連接管道的蓄能器數(shù)學(xué)模型中模型參數(shù)和蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)、進(jìn)油閥和連接管道結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。并利用Matlab軟件編制了蓄能器數(shù)學(xué)模型參數(shù)計(jì)算的程序。 應(yīng)用Matlab/Simulink對(duì)考慮進(jìn)油閥和連接管道的蓄能器進(jìn)行仿真分析。針對(duì)蓄能器吸收沖擊和消除脈動(dòng)的功能分別建立蓄能器的仿真模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證進(jìn)油閥和連接管道結(jié)構(gòu)參數(shù)與蓄能器模型之間的關(guān)系以及這些參數(shù)的變化對(duì)蓄能器響應(yīng)性能的影響。 設(shè)計(jì)搭接實(shí)驗(yàn)回路，利用dSPACE軟硬件集成系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在線(xiàn)實(shí)時(shí)控制、參數(shù)調(diào)整和數(shù)據(jù)采集，得到蓄能器進(jìn)油閥內(nèi)徑大小和連接管道長(zhǎng)短不同，系統(tǒng)中存在壓力沖擊時(shí)，閥前泵后的壓力響應(yīng)曲線(xiàn)。結(jié)合仿真得到的結(jié)果，驗(yàn)證蓄能器數(shù)學(xué)模型的正確性和進(jìn)油閥及連接管道對(duì)蓄能器性能的影響作用。

4.期刊論文 劉海昌.姜繼海.Okoye Celestine.Liu Haichang.Jiang Jihai.Okoye Celestine 基于數(shù)值方法的液壓蓄能器能量損失分析 -中國(guó)機(jī)械工程2006,17(12)
根據(jù)建立的液壓蓄能器數(shù)學(xué)模型,采用龍格-庫(kù)塔數(shù)值方法對(duì)液壓蓄能器在存儲(chǔ)和釋放能量過(guò)程中的能量損失進(jìn)行了分析.分析表明,液壓蓄能器的能量損失與連接管道的長(zhǎng)度、流量的大小、連接管道橫截面面積與液壓蓄能器橫截面面積之比有關(guān).研究結(jié)果對(duì)液壓蓄能器的設(shè)計(jì)和工程安裝有參考意義.

5.學(xué)位論文 林東陽(yáng) 液壓振動(dòng)臺(tái)網(wǎng)管諧振分析及其蓄能器減振研究 2008
液壓蓄能器是系統(tǒng)中的重要附件，蓄能器的響應(yīng)性能在很大程度上關(guān)系到系統(tǒng)的性能。蓄能器的數(shù)學(xué)模型和準(zhǔn)確參數(shù)選擇公式是構(gòu)成蓄能器基礎(chǔ)理論的兩大內(nèi)容。在液壓振動(dòng)臺(tái)中，網(wǎng)管的振動(dòng)極其復(fù)雜，蓄能器的能否發(fā)揮振的效果與振動(dòng)臺(tái)的各個(gè)工作參數(shù)有很大的關(guān)系。 液壓振動(dòng)臺(tái)網(wǎng)管諧振很復(fù)雜，本文抓住其引起諧振的兩個(gè)主要原因--沖擊與脈動(dòng)，分別對(duì)其產(chǎn)生的原因及影響因素展開(kāi)研究討論，找出其振動(dòng)規(guī)律，以便對(duì)其進(jìn)行抑制。 本文首先從振源入手，詳細(xì)分析了柱塞泵在工作中產(chǎn)生脈動(dòng)的原因，介紹了柱塞泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了其數(shù)學(xué)模型，提出了簡(jiǎn)化泵流量的數(shù)學(xué)關(guān)系方程式及分析雙泵并聯(lián)對(duì)減少網(wǎng)管諧振幅度的效果，并且用matlab軟件對(duì)公式進(jìn)行仿真，以便對(duì)液壓振動(dòng)臺(tái)網(wǎng)管的諧振分析奠定了基礎(chǔ)。 其次，建立蓄能器數(shù)學(xué)模型，分析蓄能器各個(gè)參數(shù)對(duì)蓄能器消振的影響。分析了蓄能器數(shù)學(xué)模型中模型參數(shù)和蓄能器結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)之間的關(guān)系，并得出了蓄能器參數(shù)選擇的基本公式。由所得的計(jì)算公式，求出蓄能器的具體值。 應(yīng)用Matlab/Simulink對(duì)蓄能器進(jìn)行仿真分析。針對(duì)蓄能器吸收沖擊和消除脈動(dòng)的功能分別建立蓄能器的仿真模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證液壓泵轉(zhuǎn)速，液壓換向閥的換向頻率與蓄能器模型之間的關(guān)系以及這些參數(shù)的變化對(duì)蓄能器響應(yīng)性能的影響，并分析所選蓄能器的型號(hào)理論上是否滿(mǎn)足減少液壓振動(dòng)臺(tái)網(wǎng)管諧振的要求。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)理論和仿真的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)計(jì)模擬液壓振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)回路，得到了蓄能器不同工作狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真得到的結(jié)論，驗(yàn)證了蓄能器數(shù)學(xué)模型的正確性和蓄能器參數(shù)方法的正確性。 通過(guò)所計(jì)算的理論值和實(shí)際實(shí)驗(yàn)值的比較，檢驗(yàn)所選的參數(shù)是否滿(mǎn)足消除振動(dòng)臺(tái)諧振要求。

6.期刊論文 韓文.常思勤 對(duì)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)中蓄能器的研究 -機(jī)床與液壓2003,""(5)
二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有傳統(tǒng)液驅(qū)方式所無(wú)法具備的優(yōu)點(diǎn).在二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,液壓蓄能器的選配是關(guān)鍵.本文通過(guò)建立二次調(diào)節(jié)環(huán)境下的液壓蓄能器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,繼而通過(guò)仿真分析相應(yīng)的蓄能器產(chǎn)品.建立二次調(diào)節(jié)環(huán)境下的蓄能器數(shù)學(xué)模型也有利于對(duì)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)速特性和動(dòng)態(tài)特性的深入研究.

7.學(xué)位論文 柯尊榮 輥壓機(jī)液壓系統(tǒng)建模與主控蓄能器研究 2003
首先,該文在對(duì)蓄能器氣囊內(nèi)氣體的多變過(guò)程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,利用牛頓力學(xué)定律建立了輥壓機(jī)液壓系統(tǒng)和主控蓄能器的非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究,討論了相關(guān)參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響.其次,為了驗(yàn)證主控蓄能器數(shù)學(xué)模型的正確性,作者設(shè)計(jì)并建立了輥壓機(jī)主控蓄能器動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)輥壓機(jī)主控蓄能器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了實(shí) 驗(yàn)研究,通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析,對(duì)主控蓄能器數(shù)學(xué)模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證.最后,作者根據(jù)主控蓄能器數(shù)學(xué)模型建立了更加準(zhǔn)確的輥壓機(jī)液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了

  本文關(guān)鍵詞：基于管路效應(yīng)的皮囊式蓄能器數(shù)學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。