单缸机械液压约束活塞发动机外特性仿真.pdf

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1、年月农 业 机 械 学 报第 卷 第期单缸机械 液压约束活塞发动机外特性仿真张铁柱张洪信张继忠戴作强【摘要】阐述了单缸轴向 的结构原理，建立了考虑系统液、固、气耦合的工作过程数学模型，给出了求解的初始条件，定义了 的液压能比率及“外特性”概念，并对研制的单缸轴向 的工作外特性进行了仿真。仿真结果显示：输出压力随着液压能比率增加明显升高，受转速变化影响较小；输出流量随转速增加先升高后降低，受液压能比率变化影响较小；转矩随着液压能比率降低明显升高，受转速变化影响不明显；燃油消耗率在转速和液压能比率较高时明显增加。总的有效功率随着液压能比率的升高，有轻微降低，转速较高时该趋势尤其明显。关键词：发动机

2、机械液压外特性仿真中图分类号：文献标识码：（爯 牏 牕 牋 牆 牃 牗爺 牕 牏 牤 牉 牜 牞 牏 牠 牪）（），“”，；，；，；，收稿日期：国家自然科学基金资助项目（项目编号：）张铁柱青岛大学车辆电子技术研究所教授，青岛市张洪信青岛大学机电工程学院副教授张继忠青岛大学机电工程学院副教授戴作强青岛大学机电工程学院副教授引言机 械液 压 约 束 活 塞 发 动 机（，简称 ）能够同时输出机械、液压种能量，二者的输出比值根据工况无级调节。这种动力装置可广泛地应用于装载机、挖掘机、推土机等工程机械及城市用车辆，不仅满足负载对象对多元、多路动力的需求，同时使装用车辆可以方便地实现惯性能回收、发动机负

3、荷调节及无级调速。按工作柱塞与动力活塞的连接及运动方式分为型、轴向型和径向型种；按动力缸的数目分为单缸、多缸等多种类型。本文重点论述单缸轴向型 的工作原理、数学模型及外特性 。单缸轴向 工作原理单缸轴向 样机及其结构原理如图所示。第工作室即燃烧室，与活塞式内燃机燃烧室类图单缸轴向 结构原理图 连杆 导向滑块 联接杆 流质入口 液压柱塞 联接板 动力活塞 第工作室 分流点 第工作室 流质出口 第工作室 曲轴图单缸轴向 动力分析简图 （）主体部分（）入口单向阀（）出口单向阀似，通过一个工作循环即进气、压缩、作 功、排 气个过程，活塞运动个或个冲程，实现一次热能向机械能的转换。第工作室即液压工作室，

4、与传统柱塞泵类似，通过一个工作循环即吸入流质、压出流质过程，柱塞组件往复运动个行程，与配流机构配合工作，实现一次机械能向液压能的转换与输出。第工作室即机械动力工作室，通过曲柄连杆机构约束活塞运动，限定其行程和上下止点位置，保证其动作的连续性，实现系统工作定时、协调、启动及辅助系统驱动，同时为机械负载对象提供机械动力。辅助系统包括配气、燃料供给、润滑、冷却、启动（点火）、稳压及控制等系统，其结构组成及工作原理与活塞式内燃机类似。的能量转换工作在含有动力活塞、联接板、液压柱塞、联接杆、导向滑块、连杆、曲轴的直线型装置中完成。这种系统液压柱塞与动力活塞运动方向一致，动力活塞通过联接板直接与液压柱塞联

5、接，通过联接杆、导向滑块及连杆与曲轴连接。机械能的分流点是联接杆与联接板的连接中心。该系统在分流点处将直线机械能分为两路，一路直接带动液压柱塞运动实现本路分流能量向液压能量的转换工作；一路通过联接杆、导向滑块及连杆实现本路分流的往复直线机械能量与曲轴旋转机械能量的相互转换，并通过曲轴对外提供旋转机械能量以驱动辅助系统及机械负载对象。仿真模型 输出液压功率与输出总功率的比例关系定义为液压能比率牏牎。液压能比率可以用来表征机械 液压双元输出功率之间的关系，并作为这种动力装置的一个基本调节参数。当 油量调节机构处于最大位置时，液压输出功率、压力、流量、机械输出功率、扭矩、燃油消耗率等主要性能指标随转

6、速牕与液压能比率牏牎的变化规律称为 外特性。外特性反映了 所能达到的性能指标界限，可以用来确定额定工况、最大功率、最大转矩、最大压力、最大流量以及对应的工况。单缸轴向 及配流阀运动学及动力学分析示于图。图中，牘牃为工质压力，由燃烧过程热力 学 模 拟 得 到，随 燃烧 状 态、发 动 机边 界条 件 变化 ；牃为活塞加速度；牤为活塞速度；爡牥为液压作用力，计算中考虑吸程、扬程及配流阀的力学特性；爡犨为活塞环与缸套之间的摩擦力；爡犨为活塞柱塞组件与导套之间的摩擦力；爡牅为活塞 柱塞组件对导套的侧向力；爴牔为机械损失扭矩，包括曲轴与轴瓦摩擦损失扭矩与附件驱动损失扭矩；爴牉为输出力矩；牜为曲柄半径；

7、牓为连杆长度；爴为连杆作用力对曲轴的扭矩；犽为曲轴角速度；犺为曲轴转角，起第期张铁柱 等：单缸机械 液压约束活塞发动机外特性仿真始位置为作功冲程的上止点；犝为连杆摆角；牜为入口半径；牜为入口阀盘半径；牜为出口半径；牜为出口阀盘半径；牔牞为入口阀盘质量；牔牅为出口阀盘质量；牑牞为入口阀弹簧刚度；牑牅为出口阀弹簧刚度；牘牞为进流质管内流质压力；牘牅为出流质管内流质压力；牘为柱塞腔内的压力。取系统状态变量牨、牨、牨、牨、牨、牨、牨、牨、牨进行研究，其中牨为活塞位移，零点为作功冲程的上止点，向下为正，牨牜 牓 牜 牨牓 犝，犝 （犧 牨），犧为曲柄半径连杆长度比，犧 牜 燉 牓；牨为活塞速度；牨为曲轴

8、转角，牨犺；牨为飞轮角速度；牨为柱塞缸内压力；牨为入口阀阀片位移；牨为入口阀阀片速度；牨为出口阀阀片位移；牨为出口阀阀片速度。系统工作的微分方程为牨牨（）牨爡牐牔牐（）牨牨（）牨爴爴牔爴牉爤（）牨槏犨牞犡牞 牆牞牨犱牨 牞 燏 牘牞牨燏犱槡牨 牞犱 牊牞牨爡牘犱 牨槕 爡牘（牨 牞牨）牊牞牨 犱 牨（入口阀打开时槏）犨牅犡牅 牆牅牨犱牨 牅 燏 牘牅牨燏犱槡牨 牅犱 牊牅牨爡牘犱 牨槕 爡牘（牨 牅牨）牊牅牨 犱 牨（出口阀打开时烅烄烆）（）牨牨（）牨牔牞（牘牞牨）牊牞牔牞牋 牅 牨（爲 牞牑牞牨）（）牨牨（）牨牔牅（牨牘牅）牊牅牅 牨（爲 牅牑牅牨）（）初值条件为牨燏牠 牨燏牠 牨燏牠 牨燏

9、牠 牕 燉 牨燏牠 牠 牞牘 牞牨燏牠 牠 牞 牨燏牠 牠 牞牨燏牠 牠 牅牘 牅牨燏牠 牠 牅 牨燏牠 牠 牅其中爴爡牠牜 牊牞 牜牊牅 牜式中爡牠连杆对曲柄销产生的切向力牨 牞、牨 牅柱塞在下止点时，入口、出口阀盘与柱塞下端面之间容积折合的余隙长度，牨 牅牨 牞爲 牞、爲 牅入口、出口阀弹簧预应力牊牞入口阀盘端面积牊牅出口阀盘端面积牔牐 往复移动质量牅 流质的粘性系数爡牐活塞柱塞组件往复运动惯性力爤曲轴飞轮组的转动惯量犨牞、犨牅入口、出口阀流量系数犱牞、犱牅入口、出口处流质密度犱 泵腔内流质密度犱牨 牞、犱牨 牅入口、出口阀盘与阀座间流质密度犡牞系数，当牘牞牨时，犡牞，犱牨 牞犱牞；否则，

10、犡牞，犱牨 牞犱犡牅系数，当牘 牘牅时，犡牅，犱牨 牅犱；否则，犡牅，犱牨 牅犱牅爡牘柱塞总截面积牕 曲轴转速牠 牞、牠 牅入口阀、出口阀打开时刻式（）（）构成单缸轴向 工作过程的仿真模型，主要参数来源于单缸轴向 样机及有关技术手册，主要参数：爤 燈；牜 ；牔牐 ；牓 ；活塞直径爟 ；压缩比犡 ；液压柱塞直径牆 ，柱塞数牕；主轴径牆 ；连杆轴径牆 ；牜 ，牜 ，牜 ，牜 ；牔牅牔牞 ；牑牞牑牅 燉；爲 牅爲 牞；阀片的最大升程为 ；牨 牞牨 牅 。牘牃用发动机燃烧模拟软件 计算。摩擦因数通过试验校准。以初值条件用自适应龙格 库塔法迭代分析，解出所有状态变量和有关性能指标 。外特性仿真结果单缸

11、外特性仿真限于牏牎为 、牕为 燉 的稳定工况。出流质管内压力牘牅外特性示于图 。由图可知，转速不变时，压力随着液压能比率增加明显升高；液压能比率不变时，压力随转速升高变化较小。牏牎 、牕 燉 时，牘牅 ，为稳定工况内最高点。输出流量爯在 燉 的外特性示于图 。转速不变时，流量随液压能比率增加变化不明显；液压能比率不变时，流量随转速先升农业机械学报年图单缸 外特性曲线 （）出流质管内压力（）流量（）有效转矩（）燃油消耗率（）机械、液压有效功率外特性（）总有效功率外特性高后降低，这可能是在高速区由于各种原因引起系统容积效率大幅度降低所致，说明样机配流系统存在一定问题。有效转矩爴牉外特性示于图 ，转

12、速不变时，转矩随着液压能比率降低明显升高，受转速变化 影 响 不 明 显。牏牎 、牕 燉 时，爴牉 ，为稳定工况内最高点。燃油消耗率牄牉外特性如图 所示，在 燉（）之间，随着转速和液压能比率升高，燃油消耗率增加，主要是在高速区系统容积效率大幅度降低所致。牏牎（全机械能输出）、牕 燉 时，牄牉 燉（），处于全局最低点。全液压能输出时，牄牉在牕 燉 处最小。的总有效功率爮牉为同时输出的机械、液压有效功率爮牉 牔、爮牉 牎之和，爮牉 牔、爮牉 牎的外特性示于图 。爮牉在 的外特性示于图 。牏牎、牕 燉 时，爮牉 ，为稳定工况内最高点。同一转速下，随着液压能比率的升高，爮牉有轻微降低，转速较高时该趋势

13、尤其明显。结论（）压力随着液压能比率增加明显升高，受转速变化影响较小。（）输出流量受液压能比率变化影响不明显；随转速增加先升高后降低，这可能是在高速区由于各种原因引起系统容积效率大幅度降低所致，说明样机配流系统存在一定问题。（）转矩随着液压能比率降低明显升高，受转速变化影响较小。（）燃油消耗率在转速和液压能比率较高时明显增加，原因是系统容积效率的大幅度降低。（）总的有效功率在同一转速下，随着液压能比率的升高，有轻微降低，转速较高时该趋势尤其明显；同一液压能比率下，随转速增加，先升高后降低。参考文献 ，（）：张继忠，张铁柱，戴作强，等内燃式水泵方案分析与设计 青岛大学学报：工程技术版，（）：戴作

14、强，张继忠，张铁柱，等内燃式水动力系统工作性能的试验研究 青岛大学学报：工程技术版，（）：张铁柱，张洪信，张继忠，等约束活塞型内燃式柔性动力系统 内燃机科技（中国内燃机学会 年学术年会会议论文集）武汉：华中科技大学出版社，：（下转第 页）第期张铁柱 等：单缸机械 液压约束活塞发动机外特性仿真比，最大相对误差不超过 。结论（）疲劳试验验证结果表明，基于疲劳强度衰减模型来测定结构的爳 爫曲线和临界载荷，在中寿命区疲劳寿命估算结果和试验值的相对误差都在 以内。如果用对数疲劳寿命，则相对误差在 以内。对离散性较大的疲劳寿命估算，误差在工程所能接受的范围内，能够满足实际工程的基本需要。（）根据疲劳强度衰

15、减模型和少量的疲劳试验（通过静强度和单点应力下的疲劳试验寿命），可以方便快捷地估计出材料和结构的疲劳寿命和疲劳强度特征，即爳 爫曲线和临界载荷。（）为了提供疲劳强度衰减模型的估算精度，试验点的疲劳寿命应该在 次之间。（）提出的疲劳强度衰减模型是建立在大量较低强度的结构钢弯曲疲劳试验的基础之上。疲劳试验也是恒幅弯曲疲劳循环试验。至于其他循环（如扭转循环）、变幅疲劳、高强度结构钢以及其他材料下能否用该方法来准确地测定爳爫曲线和临界载荷，还需要进一步的实践验证，疲劳强度衰减模型本身也需要进一步完善。参考文献 ，：，爳爫 ，（）：，爳爫 ，（）：，（）：爳爫 ，（）：郑松林，褚超美，卢曦疲劳载荷下强度

16、衰减的数学模型 机械强度，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：高镇同，熊峻江疲劳可靠性 北京：北京航空航天大学出版社，（上接第 页）张铁柱，张继忠，张洪信，等直线内燃式动力装置综述 山东机械，（）：，：，：刘永长内燃机热力过程模拟 北京：机械工业出版社，董世民，王春华往复泵自动锥形阀运动规律的新模型与仿真 流体机械，（）：，戴相富，周和平，庞东晓，等自动锥形阀运动规律数学模型及仿真 石油机械，（）：霍炜，张铁柱，赵红，等单缸轴向液压约束活塞发动机的输出特性仿真 农业机械学报，（）：张铁柱，张洪信，张继忠，等内燃式机械 液压双元动力系统方案 农业机械学报，（）：第期卢曦 等：基于疲劳强度衰减模型的爳 爫曲线测定方法