一种新型液气缓冲器能量吸收率的计算

一种新型液气缓冲器能量吸收率的计算 液压气动与密封/2010年第7期 一 种新型液气缓冲器能量吸收率的计算 周政何忠韬 (兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州730070) 摘要:本文从仿生学的角度提出了一种仿人体心脏器官以及血管管道的液气缓冲器,它含有类人体心脏器官的各大油腔和类人体血 管循环的橡胶管道.设计出了它的基本结构,了它的工作原理,建立了其简单数学模型,并计算出了它的能量吸收率,为液气缓冲 器的发展提供了一条新思路并奠定了一定的理论基础. 关键词:心脏;血管;液气缓冲器;能量吸收率 中图分类号:U260.34+2文献码:A文章编号:1008—0813(2010)07—0022—04 CalculatingtheEnergyAbsorptionRateofaNewHydrauhc——gasBuffer ZHOUZhengHEZhong-tao (collegeofmechanicalandelectricalengineeringLanzhouJiaotongUniversi ty,Lanzhou730070,China) Abstract:Thisarticleoffersakindofhydraulic-gasbufferofimitationofhuma nheartorganandbloodvesse]fromthestandpointof bionics,whichcontainssomeoilchambersofimitationofthehumanheartorganandrubberpipeofimitationofhumanblood.Andithas designeditsbasicstructure,analyzeditsworkprinciple,establisheditssimplemathematicalmodel,andcalculateditsenergy absorptionrate.Ithasprovidesanewwayandlaidatheoreticalfoundationforthedevelopmentofhydraulic-gasbuffer. KeyWords:heart;bloodvessel;hydraulic-gasbuffer;energyabsorptionrate 0引言 缓冲器是铁道机车车辆的重要部件之一,具有衰 减和吸收列车起动,制动以及调车时的冲击能量.起到 保护车体结构和车内货物的作用,提高运行的平稳性 及安全性.现已研究和开发出弹簧式缓冲器,摩擦式缓 冲器,橡胶式缓冲器,摩擦橡胶式缓冲器,弹性胶泥缓 冲器,液压缓冲器及液气缓冲器.其中液压缓冲器具有 容量大,性能稳定且便于调整等特点.常见的液压缓冲 器可分为芯棒式,阀式,皮囊式,多孔式.液气缓冲器是 在液压缓冲器基础上发展起来的新型缓冲装置,于20 世纪后期在欧洲铁路开始运用.由于其特定的气体复 位作用,提高了使用寿命,减少了维修,是未来铁道机 车车辆缓冲器发展的方向. 仿生学(Bionics)是研究生物系统的结构,性状,原 理,行为,为工程技术提供新的设计思想,工作原理和 系统构成的技术科学,是一门生命科学,物质科学,数 学与力学,信息科学,工程技术以及系统科学等学科的 交叉学科.仿生学为科学技术创新提供了新思路,新原 理和新理论.人类可以在生物界本身和大自然中去寻 找,学习和模仿,从中找出解决目前人类科技发展面临 的诸多问题的答案和方法.从鸟类的飞翔到飞机问世, 基金项目:甘肃省自然科学基金项目(0803RJZA021) 收稿日期:2010—04—22 作者简介:周政(1983一)男,汉族,湖南常德人,硕士生.主要从事车钩缓 冲装置方面的研究. 22 萤火虫到人工冷光,电鱼到伏特电池,动物的爪子到起 重机的挂钩,人体骨胳肌肉系统到步行机等等,都展示 了现代仿生学对科学技术领域的指导作用,其中的一 些技术发明推动了技术的重大变革【l1.正是有鉴于此, 本文提出了一种仿人体心脏器官以及血管管道的液气 缓冲器. 1仿人体心脏器官以及血管管道的液气 缓冲器的设想 人体心脏是一个专门用于泵送血液通过全身血管 的中空的,四腔肌性器官.由心肌构成,有左心房,左心 室,右心房,右心室四个腔.心脏内血液流动方向为:上 下腔静脉右心房右心室一肺动脉-?肺循环一肺静 脉_?左心房一左心室主动脉_?体循环_?上下腔静 脉.其中,二尖瓣,三尖瓣,肺动脉瓣和主动脉瓣起到了 液气缓冲器中单向阀的作用.而血管是血液流过的一 系列管道,按血管的构造功能不同,分为动脉,静脉和 毛细血管三种.血管不同部分的血压是不同的. 与现行液气缓冲器相比较,心脏和血管系统的缓 冲机能有以下几个特点:第一,单向循环.通过尖瓣和 动脉瓣的单向作用在心脏压缩和舒张过程中实现单向 循环;第二,逐级分流.血液在心室的泵压下,首先被压 入主动脉和肺动脉,然后血管逐级分流血压,逐步消耗 液压能.第三,心脏是一个四腔结构.不同于一般液气 缓冲器的二腔(内,外缸)结构[21. :; 心房的弹性功能,起到一定的缓冲作用.定位销17安 装在各油腔壁的销孔内,其作用是限制各浮动隔板的 移动范围,防止各部件发生碰撞干涉.活塞3与连接杆 2焊接在一起,连接杆2与车钩1相连接,其作用是将 冲击物的动能传递给主油腔的油液,使其产生流速.其 中单向阀,定位销和车钩目前市场均有销售. 2.2工作原理 当冲击物通过车钩作用连接杆,推动活塞水平移 动,主油腔油压迅速升高,推动大浮动隔板移动,类心 室油腔压力升高,推动类心室油腔与类心房回油腔相 联接的单向阀关闭,类心室油腔与类动脉油腔相联接 的单向阀导通,类心室油腔中的油液迅速流人类动脉 油腔中,推动中浮动隔板移动,压缩大氮气室中气体, 大氮气室中气体压强升高.同时类动脉油腔中油压有 一 定下降.类动脉油腔中的油液通过出油口流人类血 管循环橡胶管道中,类血管循环橡胶管道的诸多分叉 及串并联结构具有如人体血管一样的弹性缓冲作用, 使得油压迅速下降,油液通过进油口流回类静脉油腔 中,达到降压目的. 当冲击物作用卸去后,大氮气室中气体推压类动 脉油腔中的油液,通过出油口流人类血管循环橡胶管 道,并通过进油口进人类静脉油腔,类静脉油腔中油液 压强迅速升高,流人类心房回油腔,并在小氮气室中气 体推压作用下,油液流人类心室油腔,推动大浮动隔板 向返回方向移动,从而推动活塞返回原来位置. 3仿人体心脏器官以及血管管道的液气 缓冲器数学模型的建立 (1)对活塞杆受力分析.理想的缓冲过程,运动过 程中不计活塞与内缸壁之间的摩擦. . J— m=Fl-p~tl(1) Q 式中m——活塞杆质量: l一活塞杆运动速度; —— 缓冲器阻抗力; p——主油腔中的油液工作压强; A.——活塞截面积. (2)毛细管节流管道流量方程【3l. qm----5.44()0.571D’(2) L 式中q广一油液质量流量,单位为g/s; —— 进出I21油液压力差,单位为MPa; —— 毛细管长度,单位为m; D——毛细管的内直径,单位为mm. 23 鉴于心血管系统完美的工作能力,人体血液流动 过程,可以仿此构建新型的液气缓冲器. 2仿人体心脏器官以及血管管道的液气 缓冲器的基本结构及工作原理 2.1基本结构 图1所示为仿人体心脏器官以及血管管道的液气 缓冲器结构示意图. l9lZ34518 1一车钩2一连接杆3一活塞4一主油腔5一小氮气室 6一类血管循环橡胶管道7一类静脉油腔8一单向阀 9一类心房回油腔lO一小浮动隔板11-类心室油腔 l2一大浮动隔板l3一圆环型连接管l4一中浮动隔板 l5一类动脉油腔16一大氮气室17一定位销 l8一进油口19一出油口 图1仿人体心脏器官以及血管管道的液气缓冲器结构示意图 它含有两个类心室油腔,两个类心房回油腔,类动 脉油腔,类静脉油腔,类血管循环橡胶管道等.类血管 循环橡胶管道6由橡胶管制成诸多分叉及串并联结 构.其作用是模拟人体血管的弹性缓冲功能.它的一端 套接类动脉油腔15的出油口l9.另一端套接类静脉油 腔7的进油口l8,类心室油腔l1与类动脉油腔l5,类 心室油腔1l与类心房回油腔9,类心房回油腔9与类 静脉油腔7均通过圆环型连接管13焊接在一起.六个 单向阀8分别固定在各圆环型连接管13内壁上.其作 用是通过单向阀的单向导通功能模拟心脏中二尖瓣, 三尖瓣,肺动脉瓣和主动脉瓣的单向导血功能,使各油 腔中的油液单向导通.主油腔4,类心室油腔ll,类动 脉油腔15,类静脉油腔7,类心房回油腔9的截面均为 矩形.其作用是便于放置和安装.主油腔4分别与两个 类心室油腔ll用两个大浮动隔板12隔开,其作用是 模拟人体心脏的左,右心室.类动脉油腔l5与大氮气 室l6用中浮动隔板14分开.其作用是模拟动脉血管 的弹性功能.起到一定的缓冲作用.类心房回油腔9与 小氮气室5用小浮动隔板10分开,其作用是模拟人体 液压气动与密封12010年第7期 (3)大氮气室内气体状态方程. P0Vo”=-p2V2”(3) 式中p广大氮气室初始压强; p广大氮气室工作压强; 厂大氮气室初始体积; 广大氮气室工作体积; n——多变指数. 小氮气室的状态方程与(3)式类似,从而有: Vz+V3=Vo+VO--—1Als(4) 式中广小氮气室工作体积; 小氮气室初始体积; 由液气缓冲器结构图,可知: plp2(5) (4)受压腔流量连续方程. 当活塞杆受到冲击物体作用时,受压腔内液体体 积的收缩变化量相对于毛细管节流管道的流量不能忽 略不计,此时,在时间内,受压腔的流体体积变化主 要有以下三部分: 1)由毛细管节流管道流出的油液体积AV.: AVl:一l?,:一l?,(6) 式中l,.——毛细管节流管道内油液流速. 2)液压油被压缩的体积 3.V2=(7) 式中.——工作油腔的体积,单位为m,; K——油液体积弹性模量,单位为Pa. 3)大氮气室气体的压缩体积AV,,可由式(3)确定 而受压腔的容积变化可以由一1A表示,因此,由流 量连续性方程,可得: 一 ?Alvat=一?l一?2,?3(8) 设冲击物在撞击前的速度为Vo,缓冲行程为理 想的缓冲过程,运动物体按等减速规律减速,并在到达 行程终点时刚好减到0,此时有以下关系式成立: 警一(9)一y) 根据各初始参数的给定值,见表1.将方程(2),(8) 联立,则P-可解,代人式(1)阻抗力可求,计算结果 见表2. (5)能量吸收率. 忽略摩擦消耗的能量,在缓冲过程中油液吸收的 能量: 24 Eo=ptAIS0 冲击时冲击物所具有的能量: Em=(肌m) 能量吸收率: p= E F ox100% 根据表1给定参数值,即可求得该液气缓冲器的 能量吸收率,计算结果见表2. 表1缓冲器初始参数值 O.0l0.0050.140.140.10132529619.6816 表2计算结果 名称参数 缓冲减速度/m?s 油缸中的压力a 缓冲终气体压力/Pa 阻抗力/l(N 油液吸收的能量/J 气体吸收的能量/J 缓冲装置吸收总能量/J 能量吸收率 从以上计算结果可以看出,仿人体心脏器官以及 血管管道的液气缓冲器能量吸收率较大(达95.567%), 能够满足一些大型设备的缓冲要求,有一定的实用性. 4结论 仿人体心脏器官以及血管管道的液气缓冲器,主 要运用了毛细管节流原理,当油液通过毛细管时逐渐 降压,并将冲击能转化为热能,一部分热量升高油温, (下转第31页) 6467 . O.6殂凹?&5321.3l65z虬839170l21O HydraulicsPneumatics&Seals/N0.7.2OlO 力偶合器不能调速,不能控制起动时间,为不可控软起 动,所以一般在中小型带式输送机上使用较多.而调速 型液力偶合器由于起动时间可以调节,为可控软起动, 所以在大型带式输送机的驱动系统中使用普遍. 大型带式输送机的驱动系统经常采用双驱动,三驱动 甚至四驱动.就双驱动而言,又有两种形式.一是单滚 筒双边驱动系统,另一形式则是双滚筒驱动,每一滚筒 为单边驱动系统.三驱动,四驱动则一般采用双滚筒驱 动,三驱动为单滚筒双边驱动与单滚筒单边驱动组合, 而四驱动则为双滚筒双边驱动组合. 对于多驱动系统而言,主要解决各调速型液力偶 合器的控制问题.为减小起动电流对电网的冲击,大型 带式输送机的多驱动系统的电动机一般采取顺序起动 的办法.待所有电动机起动完毕后,电气控制系统对各 调速型液力偶合器实施同步起动控制.对导管调节型 液力偶合器,主要就是通过同时控制各电动执行器实 现导管的拉伸,即导管的位置从0%100%.正常运行 时.要求各驱动电动机的电流差值应在预设的允许值 内.否则应通过控制某偶合器导管位置调节其输出功 率,维持各电动机电流的基本平衡.停车时则要求各液 力偶合器的导管位置同时从100%一O%. 2大型带式输送机的制动系统 对于以下运输送为主的带式输送机而言,其驱动 (制动)系统一般由电动机,减速机,制动器组成.除极 小型下运带可采用机械闸停车制动以外.一般下运带 都需配装其他制动器.机械闸只能起到辅助作用. 迄今为止,在下运带式输送机上已应用多种制动 方式.如电力动力制动系统,液压调压制动系统,液力 制动系统,机械盘式制动系统,液压调速制动系统.其 中YZQ型液压调速制动系统为北京起重运输机械设计 研究院专为下运带研制的专利制动技术,由于它具有 带载匀加速软起动,匀减速软制动,超载限速,停电应 ?- +---4”-一十.—十一.十.十-+一十-—十一一十-十.—?一—十一—.—? 一—’一—?一’—.———’r (上接第24页) 一 部分热量通过管道和缸体散失于空气中.复位件为 惰性气体(氮气),消除了钢弹簧的疲劳现象,实现了无 磨耗工作.类血管循环橡胶管道如出现老化,破损等现 象,容易更换,因而此类液气缓冲器不仅有效的实现了 衰减冲击能量目的,而且方便维修,有效节省了人力资 源,在各行业具有广阔的应用前景. 参考文献 …1路甬祥.仿生学的意义与发展fJ1.科学中国人,2004(4):3—6 急制动等四大突出优点,特别适用于工况复杂的下运 带式输送机,因而在水泥厂,水电站及煤矿等下运带上 获得越来越广泛的应用. YZQ型液压调速制动系统采用变量泵及液压回路 节流原理调速及制动,为非摩擦制动技术,因而具有极 好的防爆性能,用于煤矿井下具有突出优势.此外,其 他制动系统除能实现停车制动功能外,其他功能则难 以全面.电力动力制动系统难以解决停电制动问题.液 力制动器不能实现零速制动.液压调压制动系统为恒 力矩制动器,制动减速度不可调.机械盘式制动器也无 法实现匀加速起动与匀减速制动,也难于解决超载高 速下运的问题.通过设计院,主机厂,煤矿,水泥厂及水 电站的长期选用证明,YZQ型液压调速制动系统功能 全面,使用可靠,操作简单,维护简便,寿命极长,有的 水泥厂使用十几年仍完好无损.所以,YZQ型液压调速 制动系统是各类以下运输送为主的带式输送机十分理 想的制动系统. 3结语 合理配置大型带式输送机的驱动,制动系统.是保 障其长期安全高效运行的必要条件.本文根据实际调 研进行总结,可为设计院,主机厂及用户选型,使用提 供参考. 参考文献 【1】王春杰.耦合器转速控制系统在石灰窑尾排烟风机中的应用 [J].液压气动与密封,2010(3):54—57. 【2】许睿,等.现代设计方法在液力变矩器叶型设计中的应用研 究[J].液压气动与密封,2008(5):27-29. 【3]张宝铧,王宏卫.信息化建设在液力变矩器试验工作中的应 用[J].液压气动与密封,2008(5):54—56. [4]刘应诚.液力偶合器使用与维护500Ihq[M].北京.冶金工业出 版社.2009. 【5】谢让皋,王志荣.无辅室限矩型液力偶合器的试验研究【J】.内 燃机车,1989(12):05—08. 【2】刘军军,何忠韬.疏导与节流一体化仿心血管系统缓冲器概 念设计研究[J].甘肃科技,2010,26(1):58—59. 【3】陈维刚.制冷工程与设备[M】.上海:上海交通大学出版社, 2002. 【4】章一明.液压缓冲器设计参数研究[J】.华东冶金学院学报, 1994,11(3):56-57. [5】李芾,黄运华,卜继玲,付茂海.新型液气缓冲器在铁轨车辆上 的研究fJ].铁道车辆,2005,43(12):20—21. [6】严隽耄.车辆工程【M】.北京:中国铁道出版社,1999. 31