翻譯--阻尼式溢流閥的建模與動(dòng)態(tài)響應(yīng)

1、阻尼式溢流閥的建模與動(dòng)態(tài)響應(yīng)作者 :richard.eyresbristol.ac.uk (英國(guó)布里斯托爾大學(xué)布里斯托爾工程動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)室)摘要 :本文概述了可行的方法:一個(gè)含有液壓阻尼結(jié)構(gòu)的安全閥打開一條旁路管道。將最初的一個(gè)簡(jiǎn)單的代數(shù)模型,推導(dǎo)演變成一個(gè)復(fù)雜的結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)和流體壓縮性的模型.通過數(shù)值仿真來模擬現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象和設(shè)計(jì)參數(shù)。關(guān)鍵詞:流體壓縮系數(shù)、液壓阻尼器、非線性、安全閥1、引言振動(dòng)阻尼器在許多應(yīng)用場(chǎng)合使用,例如汽車減震器上,橋梁的穩(wěn)定上,直升機(jī)和抗震的建筑物。為了使一個(gè)系統(tǒng)不用反復(fù)進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn),建立一個(gè)模型是至關(guān)重要的。本文將重點(diǎn)闡述一個(gè)大型機(jī)械系統(tǒng)中的阻尼器,把該阻尼器作為一個(gè)獨(dú)立的

2、模塊來研究 。因此它是假定的一個(gè)簡(jiǎn)單且以時(shí)間為變量的模型。當(dāng)輸入位移時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種力，仿制的阻尼器在本質(zhì)上是一個(gè)液壓柱塞，它上面有一個(gè)小活塞孔口連接兩側(cè)流體使其流動(dòng) 。如圖1所示，通過這個(gè)原理可對(duì)復(fù)雜的阻尼器進(jìn)行研究。當(dāng)柱塞兩邊的壓差足夠高時(shí),一個(gè)錐閥打開,允許流體流過如圖2的替代管，這種情況發(fā)生時(shí)的阻尼器就稱為開閥。開閥是通過阻尼器套管使油液連通的閥。油液通過時(shí)會(huì)對(duì)旁路管路產(chǎn)生阻力,管道的壓差,決定了閥門開合。開閥系統(tǒng)和負(fù)壓差系統(tǒng)是一樣，它們與自由閥門不同之處是負(fù)壓時(shí)閥門會(huì)處于靜止?fàn)顟B(tài)以防止第二旁路管中的流體在相反的方向自由流動(dòng).。這樣一種阻尼器，用于指示非線性模型，用于小振幅阻尼或低頻運(yùn)動(dòng)的

3、應(yīng)用場(chǎng)合是很重要的。根據(jù)阻尼器的性質(zhì)分類，可決定它可以被應(yīng)用于以上的哪種工作方式。這種有不同運(yùn)作模式的可調(diào)阻尼器，廣泛應(yīng)用在陸地和在水上，如汽車高速運(yùn)行。其他方面的應(yīng)用有飛機(jī)起落架和葉片阻尼器，當(dāng)阻尼器在全面運(yùn)作時(shí)，阻尼器可以采取不同的運(yùn)作方式。 本研究主要目的是試圖再現(xiàn)液壓減振器測(cè)試的顯示數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)的顯著的特點(diǎn)是：具有滯后性和延遲反應(yīng)，在開閥區(qū)域有抖動(dòng)振蕩。圖3所示的是一個(gè)典型的輸入系統(tǒng)線圖，線圖顯示了活塞阻尼器的位移與時(shí)間關(guān)系。時(shí)間被定為1個(gè)周期,位移如4.3節(jié)所述。輸入的主要特征是光滑的周期運(yùn)動(dòng)和位移梯度較小的數(shù)量變化。從這種類型的輸入,我們需要一種類似如圖4所示的力。這個(gè)力已經(jīng)恢復(fù)

4、到的使開閥上的活塞能夠打開,允許直接比較的力。與時(shí)間曲線對(duì)應(yīng)的力表明在反向力處會(huì)快速振蕩。在這些區(qū)域力的方向并沒有改變,沒有像期望的那樣,有位移梯度顯示的幾種輸出延遲反應(yīng)。這種遲滯現(xiàn)象更明顯地反映在速度圖線反映的力上。在一個(gè)位移輸入高頻變化的簡(jiǎn)短響應(yīng)中,遲滯反應(yīng)的結(jié)果是對(duì)輸入位移的變化做出反應(yīng),同時(shí)允許對(duì)低頻組件做出平穩(wěn)響應(yīng)?？装?空腔2 空腔1活塞 液壓油 圖 1 阻尼器的簡(jiǎn)化模型旁通管流量彈簧閥1空腔2空腔1閥2 圖 2 排污閥的阻尼器。一個(gè)動(dòng)態(tài)的且完全參數(shù)化的模型,比如這個(gè)阻尼器,因?yàn)閴嚎s彈簧和管道里的液體壓迫而受到壓力。如后面圖所示,這可能會(huì)造成一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)管段的阻尼器模型,

5、 收到如在圖1中的響應(yīng)的基礎(chǔ)上,由此產(chǎn)生的模型可以用來預(yù)測(cè)阻尼器 無量綱位移時(shí)間 圖 3 一個(gè)典型結(jié)構(gòu)的輸入位移如第4.3節(jié)以時(shí)間為一個(gè)周期。作用力作用力速度時(shí)間 圖 4 所需的輸出力在時(shí)間和速度的一個(gè)周期內(nèi)的變化。的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性質(zhì)變化的效果。研究的關(guān)鍵內(nèi)容是, 孔和旁路管路在彈簧剛度和閥的排放特性不同的情況下的尺寸。在這個(gè)文章里簡(jiǎn)單推導(dǎo)總質(zhì)量參數(shù)模型,將所有這些影響。2、液壓阻尼器廣泛應(yīng)用的兩種常見阻尼吸振器為:被動(dòng)阻尼器與半主動(dòng)阻尼器。被動(dòng)阻尼器,如液壓阻尼器,該阻尼器沒有外部輸入控制, 在操作和執(zhí)行上屬于完全被動(dòng)方式。主動(dòng)阻尼器有一個(gè)外部的能量輸入力的響應(yīng),以便根據(jù)給定的輸入來改變力的響應(yīng)

6、以適合工作環(huán)境，而這可能會(huì)導(dǎo)致需求較高的能源。 這也就是半自動(dòng)阻尼器為何現(xiàn)在變得越來越受歡迎的原因。半自動(dòng)阻尼器類似于自動(dòng)阻尼器,不同之處是對(duì)于半主動(dòng)阻尼器,必須給出力的指令,來命令驅(qū)動(dòng)阻尼器。可以采用一個(gè)如圖1裝置,模擬在流體孔粘滯阻尼。被動(dòng)阻尼器的響應(yīng)在所有時(shí)間內(nèi)是相同的(忽略損失等等)而一個(gè)的半主動(dòng)減振器可能由于機(jī)械上孔大小的改變而產(chǎn)生不同反應(yīng)。要完全理解這種類型的半主動(dòng)減振器,重要的是去理解被動(dòng)的簡(jiǎn)單情況下,以便推導(dǎo)控制律。推導(dǎo)出一種參數(shù)化模型是必要的,而不是用傳遞函數(shù)的阻尼器建模.更快的解決方案,它可以不考慮物理系統(tǒng)。例如,孔直徑變化就需要進(jìn)行改造和重新擬合阻尼器模型測(cè)試數(shù)據(jù)。這除了

7、對(duì)參數(shù)模型進(jìn)行驗(yàn)證外,不會(huì)被要求實(shí)施。被動(dòng)阻尼器在許多應(yīng)用領(lǐng)域使用,例如汽車的沖擊吸收系統(tǒng)。這類系統(tǒng)工作的工作模型都是基于執(zhí)行一組數(shù)學(xué)方程。最終方程都是基于相同的基本方程。用傳遞函數(shù),可以產(chǎn)生一個(gè)更簡(jiǎn)單方程。參照?qǐng)D1,由此方程可得阻尼器的力定義式活塞上的受力狀態(tài)方程,取決于一個(gè)給定運(yùn)動(dòng)y(t).應(yīng)用于阻尼器的閥體的慣性和m¨y(t)給出了,在活塞上的力取決于兩個(gè)腔之間的壓力(P1(t)P2(t)與活塞由于與假定的面摩擦產(chǎn)生的恒定力的差別。一個(gè)是活塞的截面積。在稍后參考論文中應(yīng)該指出,方程(1)不適用于遲滯的表征。壓差(P1(t)P2(t),可以歸因于粘滯摩擦損失, 通過管口p f和在

8、其出口孔的水頭損失ph值的總和。假設(shè)流體不可壓縮, 用連續(xù)性方程可以來獲得體積的變化, (2) 對(duì)于小y的流量可以假設(shè)為層流。然后可以16Poisseuille方程來表達(dá)V和pf之間的壓力差p兩個(gè)腔由于粘性在阻尼器的建模和動(dòng)態(tài)響應(yīng) (3)在這里是動(dòng)態(tài)粘度、l是長(zhǎng)度、d是其孔口直徑(假定圓截面)。結(jié)合方程(2)和(3)得到通過孔口粘滯力下列方程 其中A是孔的面積。第二個(gè)壓力損失是由于ph水頭損失(有時(shí)叫做節(jié)流損失),在其出口孔給出 V-壓縮流體的速度。90o出口,c=0.5。由動(dòng)量守恒原理得 因此：這里是液體的密度。壓力差P1P2等于方程(7)中所描述的損失整體的運(yùn)動(dòng)方程,因此是所提供的現(xiàn)有的測(cè)

9、試數(shù)據(jù)不認(rèn)為摩擦有任何顯著影響。因此，d3可以從方程方程(9)省掉。3.開閥動(dòng)力學(xué)該模型可以推廣到更現(xiàn)實(shí)的安全閥和開閥區(qū)域的動(dòng)力學(xué)過程。如上面的所述,阻尼器被研究是因?yàn)槠溆幸粋€(gè)開閥區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域流體被允許通過旁路閥門,而非讓流過活塞的的主孔(見圖2)。這種閥門能夠打開一個(gè)預(yù)先受力的活塞, 使兩個(gè)腔產(chǎn)生不同的壓力差。由此產(chǎn)生的壓差與流體在閥門處的回流管和對(duì)面腔不同， 如果活塞動(dòng)力是足夠大 (F >Fcrit) 將導(dǎo)致閥門開啟。由此產(chǎn)生的回流穿過閥門充當(dāng)另一個(gè)孔。在可能的最簡(jiǎn)單的模型下,我們可以把阻尼器視為旁路阻尼管，它用相同的方法、準(zhǔn)確地開在經(jīng)典位置但是呈現(xiàn)不同的幾何形狀。這個(gè)區(qū)與的孔成

10、為這個(gè)區(qū)域的旁路管而不是A0。因此我們使用方程(9)四個(gè)不同的區(qū)域各種系數(shù)也隨之變動(dòng):(一)壓力低 (F < Fcrit)、阻尼器處于壓縮(> 0);y(二)壓力高(F > Fcrit)、阻尼器處于壓縮(> 0);y(三)壓力低(F < Fcrit)、阻尼器處在反彈(y< 0);以及(四)壓力高(F > Fcrit)、阻尼器處在反彈(y< 0)。三個(gè)分離的可能性被認(rèn)為是在接下來的兩個(gè)部分里。這些是:更小心處理臨界力; 流動(dòng)中的變化是由于4.1彈性閥，在4.2可壓縮性部分。這些在4.3節(jié)總結(jié)成一個(gè)綜合的模型。在本節(jié)中,該系統(tǒng)可以看作是一套明確的公式

11、,而不需要使用時(shí)間步進(jìn)方法。目標(biāo)是預(yù)測(cè)一個(gè)給定輸入位移F(t y =sin( t)。3.1 恒壓模型從第二節(jié)還不清楚當(dāng)閥門開啟時(shí)d3應(yīng)該是什么的價(jià)值。在方程(9)由于摩擦而被忽視了。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖4)表明，當(dāng)速度梯度低而旁路閥門開啟速度高時(shí)將存在力的補(bǔ)償。用方程(9)來計(jì)算力，當(dāng)閥門開啟時(shí)在這個(gè)方程里需要一個(gè)常數(shù)。,以防止力處于零時(shí),速度趨于零。這是包括d3。這種補(bǔ)償?shù)淖饔每梢栽谧詈?jiǎn)單的情況下使用方程(9) 計(jì)算。一個(gè)正弦臨界力超過已知值。通過動(dòng)作而溢出。然而輸入對(duì)阻尼器不會(huì)永遠(yuǎn)都是這么簡(jiǎn)單。有待應(yīng)用物理論證參數(shù)是否選擇正確。這個(gè)部分描述了一個(gè)簡(jiǎn)化假設(shè),可使模型從低作用力(F < Fcr

12、it)即當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí), 過渡到較高作用力(F > Fcrit)即溢流閥打開時(shí)的力。將會(huì)用物理方法討論解釋開閥的運(yùn)動(dòng)區(qū)域, 由于摩擦而產(chǎn)生的影響被忽視了,因?yàn)樗患俣ㄊ呛苄〉摹Ｔ谳^低的壓力下，所有的流量將通過活塞孔口。由于彈簧的預(yù)加壓力作用閥將持續(xù)關(guān)閉。 這將是真是存在的在臨界力Fcrit達(dá)到臨界壓力。在Pcrit圖6的臨界壓力曲線圖表明,流速較低時(shí),臨界力與ycrit速度將成正比。 以上這種流量的增加產(chǎn)生的力,使閥門打開允許一些的液體流過旁路管。如果腔1可以被認(rèn)為是體積比較大, 在壓力室1，由于額外的流體流經(jīng)旁路管而引起的壓力改變是可以忽略的。這就意味著在活塞孔口壓差將大致保持常數(shù)。因?yàn)?/p>

13、力大于臨界力,所以洞口流量將保持不變。這意味著,力的影響由于活塞孔口不變,將等于極限力?？涨?空腔1閥出口，速度0彈簧主柱塞孔出口，速度0 圖 5 阻尼器的相似模式 壓力損失速度 圖 6 公式（10）的簡(jiǎn)化，注意虛擬常數(shù)d的建設(shè)。額外的流體通過旁路孔會(huì)導(dǎo)致額外的力可以被添加到Fcrit。如今成為整體方程,指圖6,如果假定旁路口的水頭損失足夠大，來避免產(chǎn)生力速度線性的特性。 這可能導(dǎo)致計(jì)算量大的問題需要計(jì)算每個(gè)開閥。圖6說明了在非物理的參數(shù)d(2)的來源，如果臨界速度是已知的。進(jìn)一步討論將在第3.2節(jié)。3.2 等效速度模型如果對(duì)于一個(gè)給定的輸入位移的全周期能夠通過流體的流動(dòng)來描述的話，它將會(huì)是一

14、個(gè)簡(jiǎn)單分析系統(tǒng)的辦法。這一部分是過對(duì)3.1節(jié)的擴(kuò)展,其目的是計(jì)算通過孔的假設(shè)有效連續(xù)流量過渡,并且要考慮到閥的開度。由于忽略了壓縮系數(shù)、流量的全向運(yùn)動(dòng)，活塞將會(huì)完全承受一部分來自流體通過孔(174問:)和水流通過旁路軟管(Qb)的壓力。這可以表示為 管道兩頭氣流損失(因而相應(yīng)的壓差)必須是平等的，18中討論管網(wǎng)工程與應(yīng)用。作為一個(gè)簡(jiǎn)單的例子,這意味著一個(gè)更廣闊的管道將需要更多的流體通過它來產(chǎn)生相同的水頭損失作為相似的情況，不能是較窄的管道。要定義的損失系數(shù)、流量的比值。參考圖6，這個(gè)想法可以應(yīng)用到方程(10)3.3阻尼器的建模和動(dòng)態(tài)響應(yīng)在圖6中的這個(gè)例子顯示當(dāng)速度為y1時(shí)壓差為P1。雙方的水頭

15、損失在路線和壓差上是等效的主要孔的等效速度為Ye，這可以通過方程(10)計(jì)算得到,忽略了活塞的慣性和摩擦。通過旁路管的流量因此可以通過下式得到現(xiàn)在有兩個(gè)壓力P1或力的方程。 7 結(jié)論從本文的主要結(jié)論是一種阻尼安全閥,可以被建成一個(gè)方程化的模型.由這個(gè)模型可以得到很有代表性的測(cè)試數(shù)據(jù)。這個(gè)模型有好處也有壞處.前面的第二部分概述的是一個(gè)簡(jiǎn)化的減震器。這是很清楚的,力來自哪里和各種不同參數(shù)的力怎樣作用在工作面上,也不知道這種力量來自和如何影響力量的側(cè)面。該模型同時(shí)是明確的和必需的對(duì)于給定的輸入時(shí)間很短的情況下。然而有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。第一個(gè)是不清楚的選擇為d(2)3在開閥區(qū)域,因此需要對(duì)該模型通過無閥方

16、程(10)和(12) 和閥門方程(29)-(31)和進(jìn)行描述。第二,在輸入快速變化時(shí)該模型不適合運(yùn)用,。當(dāng)速度迅速變化時(shí),該模型不具有任何遲滯或延遲性能,。相關(guān)測(cè)試表明,有必要在方程(53)和(54)下會(huì)有延遲性能。有兩種方法來解決這一力從低到高變化的問題:沒有動(dòng)態(tài)的安全閥系統(tǒng)模型如方程(10)和(12);包括方程(29)-與(31)安全閥靜態(tài)系統(tǒng)。第一種方法是假定安全閥是打開的或關(guān)閉,另外假設(shè)閥是常開或常閉的。而這種方法定性地給出了更為真實(shí)的結(jié)果,沒有一個(gè)正式的正常依據(jù)為閥門假定模型。第二種方法融合了附加的安全閥的水頭損失。流體在閥門和主要的孔之間均勻分配。這又提供了一個(gè)良好的結(jié)果,并且有益

17、與物理性能。不過,通過方程(9),一個(gè)兩個(gè)模型都是缺乏與延遲的主要問題。由液壓油的可壓縮性特性推導(dǎo)出方程(53)和(54)。這種導(dǎo)致了系統(tǒng)的響應(yīng)速度延遲變化?？紤]了其他特性的方程(67)和(68)引入一個(gè)單一的無量綱模型。一個(gè)完整的安全閥模型就是一個(gè)基本的壓縮性模型。與圖4所示測(cè)試數(shù)據(jù)相比,這個(gè)系統(tǒng)將對(duì)整個(gè)如圖9的工作周期給出準(zhǔn)確的結(jié)果.唯一的缺點(diǎn)是模型比較復(fù)雜,事實(shí)上隨著時(shí)間階躍它必須現(xiàn)在解決。因此，這個(gè)報(bào)告的目的是一個(gè)試驗(yàn)者通過微分計(jì)算的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的系統(tǒng)。最后結(jié)合模型就可以明顯的看出哪個(gè)是最好的選擇,因?yàn)樗怂行枰膭?dòng)力學(xué)系統(tǒng),包括閥運(yùn)動(dòng)的彈性和某種遲滯。我們相信,我們現(xiàn)在有了

18、一個(gè)參數(shù)化模型,是完全能夠捕獲這些結(jié)果的(見圖9),更重要的是使設(shè)計(jì)者考慮優(yōu)化和參數(shù)的研究。圖4顯示的情形是本文的阻尼器模型所需的特性,。該特性來自作者不能控制的測(cè)試結(jié)果。最終模型有以下三種情況:(一) 由一個(gè)給定的位移輸入模擬產(chǎn)生的力;(二) 由一個(gè)給定的力輸入,模擬活塞的運(yùn)動(dòng),; (3)模擬阻尼器作為一項(xiàng)大型耦合系統(tǒng)其力與位移之間的關(guān)系本文集中于第一個(gè)案例。在這樣的情況下的參數(shù)計(jì)算可以用來校準(zhǔn)另外兩個(gè)模型。在未來的工作當(dāng)中,阻尼器產(chǎn)生的復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)會(huì)作用于整個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng).第6部分優(yōu)化阻尼器系統(tǒng),以考慮能量消耗的提.這個(gè)過程做了一個(gè)單一的假設(shè)關(guān)于輸入特性和彈簧閥和壓縮性影響。然而,產(chǎn)生了一種解

19、決方案的應(yīng)用技術(shù),即可用于比較配置。參數(shù)的使用影響阻尼器尺寸和性能之間的聯(lián)系允許系統(tǒng)立即改變。通過這種方式,摩擦阻尼器能夠適合應(yīng)用在其他需要兩個(gè)阻尼的情況下。在這個(gè)模型里有幾個(gè)因素沒有考慮到。這包括:(一)反作用；(二) 文獻(xiàn)8中討論到的阻尼器管道的可壓縮性；(三) 彈簧閥閥座的動(dòng)力沖擊；(四) 高、低壓腔之間的氣穴問題;以及(v)粘度對(duì)溫度的依賴關(guān)系。模型1里容易發(fā)生反向沖擊,盡管這不能從測(cè)試數(shù)據(jù)觀測(cè)到。反向沖擊可能是一個(gè)問題,在其一些應(yīng)用場(chǎng)合,如阻尼器和主要系統(tǒng)之間的連系，不像本文例子論述的那樣要求嚴(yán)格的剛性。其他的因素并不是如此簡(jiǎn)單,在未來的工作不斷處理問題。當(dāng)試圖建立準(zhǔn)確的模型時(shí),溫度

20、的問題將是最大的影響。液壓元件使用的典型的液壓油是MIL5606標(biāo)準(zhǔn)液壓油.粘度和溫度之間的一種近似關(guān)系變化的范圍內(nèi)可以從方程(79)得出.在那里代表粘度 T代表絕對(duì)的溫度。A、B、S為常量。通過曲線擬合法得到要使用的數(shù)據(jù).當(dāng)= 16時(shí)cP 38C 當(dāng)= 5.7 cP為93C。這是一個(gè)很大的不同不應(yīng)被忽視.因?yàn)槿绶匠?9)的動(dòng)態(tài)特性很大的程度上依賴于粘度。較高的溫度下產(chǎn)生較小的力,著較高的速度下通過的粘性流體少。清楚了這樣的影響對(duì)我們使用機(jī)械設(shè)備有很大的意義,如在汽車和航天的應(yīng)用,阻尼器作溫度可能會(huì)迥然不同參考文獻(xiàn)1. Wallaschek, J., Dynamics of non-linea

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