一种新型液压阻尼器设计、建模与仿真
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图 １盘 状 间 隙 结构 液压 阻 尼 器 结构 示 意 图
收稿 日期 ：０ ８ ０ — ４ ２ ０ — ８ １ 作者简介 ： 中华 ， ，９ ７ 苗 男 １ ７ 年出生 ， 博士研 究生 ， 主要研 究方 向： 机 电液智能控制 ， 基于网络的远程监控 与智 能维护 。
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主动控制方式制动功率较低 ； 液压缓冲器被动 控制方式 吸收能量大 ，缓 冲过程平稳和无反弹现 象， 因此得到了广泛应用［１ ２ 。但传统的液压阻尼器 － ５ 被动控制仅可用来实现制动 ， 不具有对制动波形和 制动时间的可控性 ， 导致在某些特殊情况下不能满 足制动要求 。尤其在 日 益发展的军事领域 ， 为了模 拟真实的爆炸环境 ， 品试验 中的严酷度不断提高 产 ［７ ６１ ， 因此 ， 对缓冲制动装置提出了愈来愈高的要求 ， 不但要求缓冲阻尼装置有足够大 的制动功率 ， 而且 还 可 实 现对 制动 波 形 的可 控 性 。基 于 此 ， 文设 计 本 了一种新型 的盘状 间隙结构液压阻尼器 （ １ 图 所 示 ）通过调节盘状间隙通道及相关结构参数 ， ， 实现 对 制 动 波形 和制 动 时 间 的可 控性 ， 而 满 足 不 同应 从 用场 合 的需 要 。
十 露 ａ Ａ 缸 Ｍａ
Ｐｐ ＝ ＝ 七 ｌ
活 塞运 动 引起 的总 流量 ：
ｆ） ８
９ 一） 砰 １
式 中 ， 为 阻尼 缸活 塞直 径 ， 活塞杆 直 径 ， Ｄ。 Ｄ为 为 阻尼缸 速度 。
ｇ （ 式 中， 为阻尼缸上的等效质量 ， 为重力加速度常 １ ） 数 ， 为活塞运动加速度。 ａ 第二 阶段 ， 当活塞进入缓 冲环后（ １ ） 流体 图 （） ｂ， 的主通道为盘状间隙出流 ， 小部分 经柱塞与缓 冲环 形 成 间 隙泄漏 。流 量连 续性 方程 ： Ｑ Ｑ － ｆＱ — ￣ Ｑｐ ＝ （０ １） 式 中， Ｑ 为通过盘状间隙的流量 ， 为活塞与缓 冲 环 间的缝 隙泄漏 流 量 ，。 Ｑ 为液 体压 缩 流量 。 活塞 的力平 衡 方程 ：
Ｓｅ ห้องสมุดไป่ตู้ ０ ８ ｐ２ ０
一
种 新 型 液压 阻尼 器设 计 、 建模 与仿 真
苗 中华 刘成 良 焦 素娟 王旭 永 １ 张卫 峰
上海 ２０ ３ ；． 岛科 技大学机电工程学 院 青 岛 ２ ６ ６ ０００２ 青 ６０ １）
ｆ１ ． 交通 大学机械 与动力工程学院 上海
摘要 ： 针对传统液压阻尼器在特殊场合不能满足制动需求的问题 ， 提出了一种新型的液压阻尼器。采用盘状间隙结
关键词 ： 液压阻尼器 ； 盘状间隙结 构 ； 波形特性 ； 冲制动 缓
中图分类号 ：Ｈ１７ Ｔ ３ 文献标识码 ： Ｂ 文章编号 ：１７ － ９ ４ （０ ８ ０ — ００ ０４ ６２ ８０ ２ ０）５０２—０
引 言
液压阻尼器是一种用来延长负载作用时问 ， 限 制负 载速 度 、 移 ， 位 以及 吸 收并转 化 能量 的装置 。在 诸多高速液压系统中， 液压缸活塞或者被执行件运 行速度往往高达＞ ０ ／ ， １ｍ ｓ这样就会产生强大的冲击 压力 、 噪声 、 甚至机械碰撞 ， 以在结束运动前必须 所 做适 当的缓 冲和制动使系统工作平稳 ， 避免强烈撞 击和振动 ， 从而防止损坏传动部件 ， 降低噪声 ， 提高 系统 的工 作性 能 和寿命 】 。 通常的缓冲制动方式有 ： 弹簧缓冲、 气动缓 冲、 液压伺 服阀主动控 制和液压缓 冲阻尼器被 动控 制 等 。其 中弹簧 缓 冲将 不 可避 免 反 弹现 象 ， 产 生 持 并 续振荡 ， 总体制动时间长 ； 气动缓冲和液压伺服阀。
２ ０ 年 ９月 ０８
苗 中华等 ： ～种新 型液压 阻尼器设计 、 建模与仿真
２ １
２ 数学模型
以制动开始为坐标零点 ， 立液压阻尼器数学 建 模型。假设 ： 不考虑介质重力和液压阻尼器 内的 ① 摩擦力 ， 忽略介质温度变化引起 的粘度变化 。 ②
２１流 量方程 ．
第一 阶段 ， 活塞进入缓冲环前（ １ ） 图 （） ａ 时的流 量连续性方程 ： Ｑ Ｑ－ ｆＱ — Ｑｐ ＝ （） ７ 式 中 ， 为 通 过盘 状 缝 隙 的液 体 流 量 ， Ｑ Ｑ 为通 过 活 塞与缓冲环间缝 隙的液体流量 ， Ｑ 为压缩流量 活塞 的力 平衡 方 程 ：
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第 ５ 总第 ３ 期 ） 期（ ０
２ ０ 年 ９月 ０８
流体 动与 揎副
Ｆｊ ｉ ０ ｔ Ｔ ａ ｓ ｓ ｉ ｎ ｎ ｎ ｒ ｌ ｕ ｄ Ｐ Ｗｅ ｒ ｎ ｍｉ ｓｏ ａ ｄ Ｃｏ ｔｏ
Ｎｏ （ｅｉｌＮ ．０ ． Ｓ ｒ ｏ３ ） ５ ａ
。
１ 盘状 间隙结构液压 阻尼器原 理
（） ａ
（） ｂ
（） ｃ
１ 活塞杆 ；一 一 ２ 调节螺钉 ；一 冲环 ； 一 ３缓 ４ 内缸筒 ；一 孔 ；－ ５通 ６ 活塞 ；一 ７ 缸底 ；－ ８ 液压缸 ；一 通阀 ；０ 外缸筒 ； ９单 １一 １一 ｌ活塞腔 ；２ 盘状 间隙通道 ；３ 缸盖 ；４ 被制动件 ；５ 锐 缘节流 口；６ 环形泄漏 间隙 １一 １一 １一 １～ １一
构形式 ， 利用液体 的可压缩性 ， 使活塞腔流体 出流面积迅速减小 ， 活塞腔压力 瞬间升高 ， 给活塞相反方向的液压力实 现缓 冲制动 ； 给出了该 阻尼器 的工作原理 、 数学建模 以及数字仿真 。 真结果表 明： 仿 盘状 间隙液压阻尼器不仅可实现
安全制动 ， 而且还 可实 现对制动波形与制动时间的可控性 ， 以满足不同应用场合的需求。
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活塞与缓 冲环 问形成锐缘节流流量 ：
收稿 日期 ：０ ８ ０ — ４ ２ ０ — ８ １ 作者简介 ： 中华 ， ，９ ７ 苗 男 １ ７ 年出生 ， 博士研 究生 ， 主要研 究方 向： 机 电液智能控制 ， 基于网络的远程监控 与智 能维护 。
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主动控制方式制动功率较低 ； 液压缓冲器被动 控制方式 吸收能量大 ，缓 冲过程平稳和无反弹现 象， 因此得到了广泛应用［１ ２ 。但传统的液压阻尼器 － ５ 被动控制仅可用来实现制动 ， 不具有对制动波形和 制动时间的可控性 ， 导致在某些特殊情况下不能满 足制动要求 。尤其在 日 益发展的军事领域 ， 为了模 拟真实的爆炸环境 ， 品试验 中的严酷度不断提高 产 ［７ ６１ ， 因此 ， 对缓冲制动装置提出了愈来愈高的要求 ， 不但要求缓冲阻尼装置有足够大 的制动功率 ， 而且 还 可 实 现对 制动 波 形 的可 控 性 。基 于 此 ， 文设 计 本 了一种新型 的盘状 间隙结构液压阻尼器 （ １ 图 所 示 ）通过调节盘状间隙通道及相关结构参数 ， ， 实现 对 制 动 波形 和制 动 时 间 的可 控性 ， 而 满 足 不 同应 从 用场 合 的需 要 。
十 露 ａ Ａ 缸 Ｍａ
Ｐｐ ＝ ＝ 七 ｌ
活 塞运 动 引起 的总 流量 ：
ｆ） ８
９ 一） 砰 １
式 中 ， 为 阻尼 缸活 塞直 径 ， 活塞杆 直 径 ， Ｄ。 Ｄ为 为 阻尼缸 速度 。
ｇ （ 式 中， 为阻尼缸上的等效质量 ， 为重力加速度常 １ ） 数 ， 为活塞运动加速度。 ａ 第二 阶段 ， 当活塞进入缓 冲环后（ １ ） 流体 图 （） ｂ， 的主通道为盘状间隙出流 ， 小部分 经柱塞与缓 冲环 形 成 间 隙泄漏 。流 量连 续性 方程 ： Ｑ Ｑ － ｆＱ — ￣ Ｑｐ ＝ （０ １） 式 中， Ｑ 为通过盘状间隙的流量 ， 为活塞与缓 冲 环 间的缝 隙泄漏 流 量 ，。 Ｑ 为液 体压 缩 流量 。 活塞 的力平 衡 方程 ：
Ｓｅ ห้องสมุดไป่ตู้ ０ ８ ｐ２ ０
一
种 新 型 液压 阻尼 器设 计 、 建模 与仿 真
苗 中华 刘成 良 焦 素娟 王旭 永 １ 张卫 峰
上海 ２０ ３ ；． 岛科 技大学机电工程学 院 青 岛 ２ ６ ６ ０００２ 青 ６０ １）
ｆ１ ． 交通 大学机械 与动力工程学院 上海
摘要 ： 针对传统液压阻尼器在特殊场合不能满足制动需求的问题 ， 提出了一种新型的液压阻尼器。采用盘状间隙结
关键词 ： 液压阻尼器 ； 盘状间隙结 构 ； 波形特性 ； 冲制动 缓
中图分类号 ：Ｈ１７ Ｔ ３ 文献标识码 ： Ｂ 文章编号 ：１７ － ９ ４ （０ ８ ０ — ００ ０４ ６２ ８０ ２ ０）５０２—０
引 言
液压阻尼器是一种用来延长负载作用时问 ， 限 制负 载速 度 、 移 ， 位 以及 吸 收并转 化 能量 的装置 。在 诸多高速液压系统中， 液压缸活塞或者被执行件运 行速度往往高达＞ ０ ／ ， １ｍ ｓ这样就会产生强大的冲击 压力 、 噪声 、 甚至机械碰撞 ， 以在结束运动前必须 所 做适 当的缓 冲和制动使系统工作平稳 ， 避免强烈撞 击和振动 ， 从而防止损坏传动部件 ， 降低噪声 ， 提高 系统 的工 作性 能 和寿命 】 。 通常的缓冲制动方式有 ： 弹簧缓冲、 气动缓 冲、 液压伺 服阀主动控 制和液压缓 冲阻尼器被 动控 制 等 。其 中弹簧 缓 冲将 不 可避 免 反 弹现 象 ， 产 生 持 并 续振荡 ， 总体制动时间长 ； 气动缓冲和液压伺服阀。
２ ０ 年 ９月 ０８
苗 中华等 ： ～种新 型液压 阻尼器设计 、 建模与仿真
２ １
２ 数学模型
以制动开始为坐标零点 ， 立液压阻尼器数学 建 模型。假设 ： 不考虑介质重力和液压阻尼器 内的 ① 摩擦力 ， 忽略介质温度变化引起 的粘度变化 。 ②
２１流 量方程 ．
第一 阶段 ， 活塞进入缓冲环前（ １ ） 图 （） ａ 时的流 量连续性方程 ： Ｑ Ｑ－ ｆＱ — Ｑｐ ＝ （） ７ 式 中 ， 为 通 过盘 状 缝 隙 的液 体 流 量 ， Ｑ Ｑ 为通 过 活 塞与缓冲环间缝 隙的液体流量 ， Ｑ 为压缩流量 活塞 的力 平衡 方 程 ：
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２ ０ 年 ９月 ０８
流体 动与 揎副
Ｆｊ ｉ ０ ｔ Ｔ ａ ｓ ｓ ｉ ｎ ｎ ｎ ｒ ｌ ｕ ｄ Ｐ Ｗｅ ｒ ｎ ｍｉ ｓｏ ａ ｄ Ｃｏ ｔｏ
Ｎｏ （ｅｉｌＮ ．０ ． Ｓ ｒ ｏ３ ） ５ ａ
。
１ 盘状 间隙结构液压 阻尼器原 理
（） ａ
（） ｂ
（） ｃ
１ 活塞杆 ；一 一 ２ 调节螺钉 ；一 冲环 ； 一 ３缓 ４ 内缸筒 ；一 孔 ；－ ５通 ６ 活塞 ；一 ７ 缸底 ；－ ８ 液压缸 ；一 通阀 ；０ 外缸筒 ； ９单 １一 １一 ｌ活塞腔 ；２ 盘状 间隙通道 ；３ 缸盖 ；４ 被制动件 ；５ 锐 缘节流 口；６ 环形泄漏 间隙 １一 １一 １一 １～ １一
构形式 ， 利用液体 的可压缩性 ， 使活塞腔流体 出流面积迅速减小 ， 活塞腔压力 瞬间升高 ， 给活塞相反方向的液压力实 现缓 冲制动 ； 给出了该 阻尼器 的工作原理 、 数学建模 以及数字仿真 。 真结果表 明： 仿 盘状 间隙液压阻尼器不仅可实现
安全制动 ， 而且还 可实 现对制动波形与制动时间的可控性 ， 以满足不同应用场合的需求。
ｐ ｐＡｐ ｇ 戤 ｐ 斗 ４ Ｍ 琏
活塞与缓 冲环 问形成锐缘节流流量 ：