單向閥配流的高頻往復(fù)泵的流量特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　針對(duì)智能材料驅(qū)動(dòng)的往復(fù)泵中應(yīng)用單向閥配流時(shí)遇到的流量瓶頸問(wèn)題，研究單向閥對(duì)高頻往復(fù)泵整體流量特性的影響規(guī)律，并對(duì)泵系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立錐形單向閥內(nèi)部流體和剛體的動(dòng)力學(xué)模型，以及應(yīng)用該類型單向閥進(jìn)行配流的往復(fù)泵系統(tǒng)的模型。對(duì)柱塞運(yùn)動(dòng)頻率不同、單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的泵系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)行仿真，分析單向閥的頻寬對(duì)于泵系統(tǒng)輸出流量的限制;對(duì)柱塞運(yùn)動(dòng)頻率不同、單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)隨柱塞運(yùn)動(dòng)頻率改變的泵系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)行仿真，分析單向閥頻響滿足系統(tǒng)要求的前提下，泵的輸出流量仍然存在瓶頸的原因。通過(guò)仿真比較，指出對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行伺服流量調(diào)節(jié)的較優(yōu)方案是對(duì)柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)幅控制。以泵系統(tǒng)的流量和容積效率為目標(biāo)，采用粒子群優(yōu)化算法，對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到一定條件下，被動(dòng)配流泵系統(tǒng)相應(yīng)目標(biāo)的*值。

　　前言

　　單向閥作為基本部件，在液壓系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。在近幾年關(guān)于各種新型液壓作動(dòng)器的研究中，智能材料驅(qū)動(dòng)的液壓容積伺服作動(dòng)器是熱點(diǎn)之一，并且在其中常將單向閥作為配流閥來(lái)使用，為智能材料驅(qū)動(dòng)的往復(fù)泵提供單向的配流功能。

　　智能材料驅(qū)動(dòng)的往復(fù)泵多采用電致伸縮或磁致伸縮等作為驅(qū)動(dòng)材料，由這些材料組成的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是輸出位移小，輸出力大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。在這類泵的應(yīng)用中，智能材料工作在幾十到幾百赫茲的頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)能達(dá)到如此高的工作頻率，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了一般的液壓系統(tǒng)對(duì)于單向閥的頻響要求，如果單向閥的被動(dòng)響應(yīng)不能夠及時(shí)地配合智能材料驅(qū)動(dòng)泵的吸排油動(dòng)作，整個(gè)泵系統(tǒng)的性能就會(huì)受到很大的影響。

　　事實(shí)上，MAUCK 等已經(jīng)注意到了單向閥的頻響對(duì)智能材料泵性能的影響;SIROHI 等給出了采用頻響不同的兩種單向閥后，智能材料泵頻率-流量的曲線對(duì)比，描述了單向閥頻響的改變對(duì)泵系統(tǒng)性能的影響;CHAUDHURI 等對(duì)于智能材料驅(qū)動(dòng)的往復(fù)泵在不同頻率時(shí)的輸出流量仿真和試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行討論，認(rèn)為泵輸出流量的影響因素除包含單向閥的頻響外，還包含流體慣性、磁路特性及機(jī)械慣性和摩擦等因素。智能材料泵中單向閥的作用越來(lái)越受到重視，各種不同的單向閥被設(shè)計(jì)出來(lái)，并應(yīng)用于微排量的智能材料泵。

　　另一方面，從單向閥的性能對(duì)流體傳輸系統(tǒng)影響的角度，也有很多的研究成果。STONE對(duì)提升閥的流量和液動(dòng)力特性進(jìn)行了分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，POOL 等研究了核電站供水系統(tǒng)中，對(duì)由回轉(zhuǎn)式單向閥啟閉產(chǎn)生的水擊壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法;美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)專門成立了研究單向閥的使用與維護(hù)的工作小組，跟蹤記錄了20 世紀(jì)80～90 年代，美國(guó)核電站供水系統(tǒng)所使用的單向閥的可靠性方面的數(shù)據(jù)，并分析了各類型單向閥的故障原因及模式。

　　對(duì)于單向閥的應(yīng)用研究，還包括對(duì)油田上采用的直線抽油機(jī)的泵閥流量特性的研究，以及在流體介質(zhì)為氣體的機(jī)械驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)回路中單向閥特性影響的研究。

　　在智能材料驅(qū)動(dòng)的往復(fù)泵中，應(yīng)用單向閥的止回功能，對(duì)泵系統(tǒng)進(jìn)行配流，使液壓能按照預(yù)定的方向由泵向負(fù)載輸出。智能材料的結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性，決定了這類系統(tǒng)中單向閥的工況為開關(guān)頻率高、周期流量小，這與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)中單向閥的工況不同。其中，高頻的啟閉對(duì)單向閥閥芯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力提出了更高的要求，而周期流量很小則加劇了系統(tǒng)整體流量特性對(duì)于單向閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的敏感性，每個(gè)周期內(nèi)即使單向閥流量特性發(fā)生細(xì)微的變化，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。大量關(guān)于智能材料驅(qū)動(dòng)的往復(fù)泵的試驗(yàn)結(jié)果證明，單向閥的特性對(duì)于泵系統(tǒng)整體的流量特性有著至關(guān)重要的影響。因此十分有必要，對(duì)高頻往復(fù)泵中，單向閥的配流過(guò)程和對(duì)于系統(tǒng)流量特性的影響規(guī)律進(jìn)行細(xì)致深入的研究，找出關(guān)鍵的影響因素，探尋系統(tǒng)的性能上限。