一种高频液压冲击活塞副的能耗分析方法及系统技术方案

本发明专利技术属于液压冲击器能耗分析技术领域，公开了一种高频液压冲击活塞副的能耗分析方法及系统，以高频液压冲击器冲击活塞副为分析对象，采用具有圆形微织构的冲击活塞结构，通过解析冲击活塞副能耗产生的物理力学机制，引入活塞副能耗评价指标，建立冲击活塞副的能耗分析模型；结合Reynolds方程进行数值求解，获得微织构参数对活塞副能耗的关系。本发明专利技术的冲击活塞副能耗占总损失能量的29.77％，而采用圆形微织构表面活塞副的能耗相比较于未采用时明显降低。微织构不同面积率能降低能耗且最优面积率在0.64～0.70，不同的微织构深度比也能降低活塞副能耗且最优深度比在1～1.1。

【技术实现步骤摘要】
一种高频液压冲击活塞副的能耗分析方法及系统
本专利技术属于液压冲击器能耗分析
，尤其涉及一种高频液压冲击活塞副的能耗分析方法及系统。
技术介绍
目前，最接近的现有技术：液压冲击器能量利用率是活塞冲击能量与液压能的比值，它反映了液压冲击器液压能至机械能的转换效率，直接影响到液压冲击器凿岩效率。液压冲击器在高频往复工作过程中，源自冲击活塞与缸体之间间隙润滑引起的摩擦损失和间隙密封带来的泄露损失是其能量损耗主要部分。旨在提高液压冲击器能量利用率，国内外学者围绕冲击活塞副能耗计算以及活塞结构参数优化开展大量分析工作。赵宏强等构建了凿岩机冲击系统数学模型，仿真分析了冲击活塞副的摩擦与泄露损失和输入流量、活塞质量等的关系；J.Y.Oh等通过对液压冲击器凿岩过程进行建模仿真，分析了冲击活塞副的泄露损失和摩擦损失；杨国平等基于层流状态下的雷诺方程构建液压冲击器数学物理模型，分析了冲击器冲击活塞运动所产生的摩擦损失；Flegner等测试了不同钻压和转速下液压冲击器凿岩过程的活塞摩擦和磨损，从避免过早磨损的角度提出了增强润滑效果的活塞结构参数设计方法并确定了活塞参数的取值范围；田文元等在建立回油型液压冲击器性能仿真模型时综合考虑泄露和摩擦损失后给出了活塞与缸体间隙以及密封长度的计算方法。表面织构是指通过一定的加工技术在摩擦副表面加工制备出具有一定尺寸、形状和排列的微几何结构，如微坑或微沟槽等，其原理主要是利用织构产生的附加动压润滑效应来提高表面承载能力并降低表面摩擦，并且改善润滑条件降低摩擦副摩擦和磨损。表面织构作为一种降低摩擦、减小磨损和提高表面承载力的有效手段也已经得到了广泛认可。凹坑织构应用于内燃机缸套表面，改善活塞副润滑性能大大降低了活塞环与缸套间的摩擦；凹槽型织构应用于轴承表面，减小轴承表面摩擦力同时也提供了更好的稳定性参数；而在众多的分析中也表明，不同微织构形貌以及微织构的参数(面积率、深度比)对表面摩损也有很大影响。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)不能降低传统间隙密封结构下高频液压冲击活塞副的能耗，不能有效地提升液压冲击器能量利用率。现有技术中，仍未能摆脱常规的冲击活塞副设计因间隙造成的困难：增加间隙降低摩擦损失，但泄露损失增加；减小间隙降低泄露损失，但摩擦损失增加。这样导致当前的液压冲击器能量利用率未能得到明显提升，远低于其它液压驱动执行件。(2)现有冲击活塞副设计优化研究中，仍局限于常规的间隙润滑与密封机理，而仅仅从活塞结构参数等进行优化。致使优化设计提升液压冲击器能量利用率的效果不明显。(3)与内燃机活塞副相比，液压冲击活塞副的冲击活塞是在交变高低压液压油驱动工况下做高频往复运动，液压油既是活塞的驱动介质，也是润滑介质，其泄露损失是活塞副能耗的重要部分，而表面织构能够降低摩擦损耗，但是传统间隙密封结构下冲击活塞副的能耗不能得到降低。(4)液压冲击活塞副属于低副，摩擦与泄露机理差异明显，之前的研究主要集中在表面织构参数对摩擦副减摩效果的影响方面。故虽然可以借鉴表面织构对其它活塞副的研究成果，但是未能直接降低冲击活塞副的能耗。解决上述技术问题的意义：冲击活塞表面织构能改变油液流动规律，引起冲击活塞副变为间隙与织构复合润滑、密封状态，导致冲击活塞副包括摩擦、泄露损失的能耗发生变化。通过从冲击活塞表面织构和冲击活塞间隙匹配关系角度，揭示了表面织构型冲击活塞副能耗变化规律以及能耗抑制机理，并分析了表面织构参数对能耗的影响，为设计高频液压冲击活塞副的能耗分析系统并降低冲击活塞副能耗提供了思路，为设计高能效液压冲击器提供理论依据。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种高频液压冲击活塞副的能耗分析方法及系统。本专利技术是这样实现的，一种高频液压冲击活塞副的能耗分析方法包括：以高频液压冲击器冲击活塞副为分析对象，采用具有圆形微织构的冲击活塞结构，通过解析冲击活塞副能耗产生的物理力学机制，引入活塞副能耗评价指标，建立冲击活塞副的能耗分析模型；结合Reynolds方程进行数值求解，获得微织构参数对活塞副能耗的关系。进一步，圆形微织构包括：织构呈周期性分布的结构布置使每个织构单元区域油膜厚度与油膜压力呈现周期性变化，根据周期布置特点计算整个密封区域的压力及摩擦力；活塞表面沿轴线方向设为x轴，沿径向方向设为y轴，建立坐标系，控制单元x轴向边长为Lx，控制单元y轴向边长为Ly，加工的微织构面积为A，则微织构的面积率Sp表示为：进一步，织构型高频冲击活塞阀能耗分析模型包括：冲击活塞副能耗评价指标的构建中，冲击活塞副一个运动周期内的能耗计算如下：式中：W为一个周期内的能耗；WL为一个周期冲击活塞副的泄露损失能量；WF为一个周期冲击活塞副的摩擦损失能量；PLt为t时刻的泄露损失功率；PFt为t时刻的摩擦损失功率；T为高频冲击活塞副运动周期。进一步，织构型高频冲击活塞阀能耗分析模型进一步包括：活塞副泄露损失能量计算公式由下式表示：式中：Δpt为t时刻冲击活塞副两端的压差，由冲击活塞副工作条件确定；QLt为t时刻的泄露流量；用完全同心的环形间隙液压油的体积流量公式计算：式中：d为冲击活塞的直径；ht为t时刻的泄露间隙；η为液压油动力粘度；l为流道长度；vt为t时刻活塞与缸体的相对运动速度；各微织构单元的结构一致且呈对称布置，t时刻的泄露间隙用微织构单元的最小膜厚表示：ht＝minh(x，y)其中：h(x，y)为微织构单元的膜厚分布函数，采用圆柱型微织构的控制单元流场截面模型，V为活塞的运动速度，h0为缸体和活塞的最小初始单边间隙；hg为圆柱型微织构单元高度；在油膜压力作用下产生的接触变形，表示为：式中：rp为圆柱型微织构单元底面半径；v(x，y)为接触变形；式中：v(x，y)为接触变形；E为等效弹性模量；p(s，z)为油膜压力分布。进一步，织构型高频冲击活塞阀能耗分析模型进一步包括：活塞副摩擦损失能量计算公式由下式表示：式中：vt为t时刻冲击活塞的运动速度，根据实验测试数据输入；Fft为t时刻冲击活塞所受摩擦力；各个微织构单元所产生的摩擦力相同，冲击活塞视为刚体，则t时刻冲击活塞所受摩擦力表示为：Fft＝KFfd式中：Ffd为单个微织构所产生的摩擦力；K为微织构单元总数量，其中单个微织构单元的摩擦力Ffd为：式中：h为油膜厚度；p为油膜压力；v为冲击活塞与缸体的相对运动速度。等温条件下不可压缩流体的Reynolds方程为：式中：ρ为液压油密度；忽略油液密度和黏度变化，化简为：式中：∧＝6vη0为简化系数，η0为液压油动力粘度的初始值；油膜压力呈周期性分布的，采用流体润滑中的Reynolds空化边界条件，有：p(x，y)≥0，且p(x，y)＝0时，冲击活塞两侧压力呈线性变化，则单个微织构单元有一定的压降Δp，得油膜边界条件形式如下：式中：ΔP为无量纲化冲击活塞密封段两端压力差；pi为高压端供油压力；p0为低压端供油压力；M为织构单元沿x方向的节点数。油膜压力分布应满足载荷平衡方程，如下式所示：式中：FL为载荷，根据边界条件可确定为代入边界条件，对油膜压力进行求解，若满足载荷平衡方程，得到织构单元压力分布。进一步，织构型高频冲击活塞副能耗数值求解的方法：确定织构单元尺寸后，沿x轴方向均匀划成M个节点，在y轴方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高频液压冲击活塞副的能耗分析方法，其特征在于，所述高频液压冲击活塞副的能耗分析方法包括：以高频液压冲击器冲击活塞副为分析对象，采用具有圆形微织构的冲击活塞结构，通过解析冲击活塞副能耗产生的物理力学机制，引入活塞副能耗评价指标，建立冲击活塞副的能耗分析模型；结合Reynolds方程进行数值求解，获得微织构参数对活塞副能耗的关系。

【技术特征摘要】
1.一种高频液压冲击活塞副的能耗分析方法，其特征在于，所述高频液压冲击活塞副的能耗分析方法包括：以高频液压冲击器冲击活塞副为分析对象，采用具有圆形微织构的冲击活塞结构，通过解析冲击活塞副能耗产生的物理力学机制，引入活塞副能耗评价指标，建立冲击活塞副的能耗分析模型；结合Reynolds方程进行数值求解，获得微织构参数对活塞副能耗的关系。2.如权利要求1所述的高频液压冲击活塞副的能耗分析方法，其特征在于，圆形微织构包括：织构呈周期性分布的结构布置使每个织构单元区域油膜厚度与油膜压力呈现周期性变化，根据周期布置特点计算整个密封区域的压力及摩擦力；活塞表面沿轴线方向设为x轴，沿径向方向设为y轴，建立坐标系，控制单元x轴向边长为Lx，控制单元y轴向边长为Ly，加工的微织构面积为A，则微织构的面积率Sp表示为：3.如权利要求1所述的高频液压冲击活塞副的能耗分析方法，其特征在于，织构型高频冲击活塞阀能耗分析模型包括：冲击活塞副能耗评价指标的构建中，冲击活塞副一个运动周期内的能耗计算如下：式中：W为一个周期内的能耗；WL为一个周期冲击活塞副的泄露损失能量；WF为一个周期冲击活塞副的摩擦损失能量；PLt为t时刻的泄露损失功率；PFt为t时刻的摩擦损失功率；T为高频冲击活塞副运动周期。4.如权利要求1所述的高频液压冲击活塞副的能耗分析方法，其特征在于，织构型高频冲击活塞阀能耗分析模型进一步包括：活塞副泄露损失能量计算公式由下式表示：式中：Δpt为t时刻冲击活塞副两端的压差，由冲击活塞副工作条件确定；QLt为t时刻的泄露流量；用完全同心的环形间隙液压油的体积流量公式计算：式中：d为冲击活塞的直径；ht为t时刻的泄露间隙；η为液压油动力粘度；l为流道长度；vt为t时刻活塞与缸体的相对运动速度；各微织构单元的结构一致且呈对称布置，t时刻的泄露间隙用微织构单元的最小膜厚表示：ht＝minh(x，y)其中：h(x，y)为微织构单元的膜厚分布函数，采用圆柱型微织构的控制单元流场截面模型，V为活塞的运动速度，h0为缸体和活塞的最小初始单边间隙；hg为圆柱型微织构单元高度；在油膜压力作用下产生的接触变形，表示为：式中：rp为圆柱型微织构单元底面半径；v(x，y)为接触变形；式中：v(x，y)为接触变形；E为等效弹性模量；p(s，z)为油膜压力分布。5.如权利要求1所述的高频液压冲击活塞副的能耗分析方法，其特征在于，织构型高频冲击活塞阀能耗分析模型进一步包括：活塞副摩擦损失能量计算公式由下式表示：式中：vt为t时刻冲击活塞的运动速度，根据实验测试数据输入；Fft为t时刻冲击活塞所受摩擦力；各个微织构单元所产生的摩擦力相同，冲击活塞视为刚体，则t时刻冲击活塞所受摩擦力表示为：Fft＝KFfd式中：Ffd为单个微织构所产生的摩擦力；K为微织构单元总数量，其中单个微织构单元的摩擦力Ffd为：式中：h为油膜厚度；p为油膜压力；v为冲击活塞与缸体的相对运动速度。6.如权利要求1所述的高频液压冲击活塞...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭勇，刘雪东，全松，刘德顺，杨书仪，陈哲吾，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43