單向閥配流的高頻往復泵的流量特性分析及優(yōu)化設計

　　針對智能材料驅(qū)動的往復泵中應用單向閥配流時遇到的流量瓶頸問題，研究單向閥對高頻往復泵整體流量特性的影響規(guī)律，并對泵系統(tǒng)的關鍵參數(shù)進行優(yōu)化設計。建立錐形單向閥內(nèi)部流體和剛體的動力學模型，以及應用該類型單向閥進行配流的往復泵系統(tǒng)的模型。對柱塞運動頻率不同、單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的泵系統(tǒng)的工作過程進行仿真，分析單向閥的頻寬對于泵系統(tǒng)輸出流量的限制;對柱塞運動頻率不同、單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)隨柱塞運動頻率改變的泵系統(tǒng)的工作過程進行仿真，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。通過仿真比較，指出對系統(tǒng)進行伺服流量調(diào)節(jié)的較優(yōu)方案是對柱塞的往復運動進行調(diào)幅控制。以泵系統(tǒng)的流量和容積效率為目標，采用粒子群優(yōu)化算法，對系統(tǒng)的關鍵參數(shù)進行優(yōu)化，得到一定條件下，被動配流泵系統(tǒng)相應目標的*值。

　　前言

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

　　智能材料驅(qū)動的往復泵多采用電致伸縮或磁致伸縮等作為驅(qū)動材料，由這些材料組成的驅(qū)動機構(gòu)的特點是輸出位移小，輸出力大，動態(tài)響應快。在這類泵的應用中，智能材料工作在幾十到幾百赫茲的頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)能達到如此高的工作頻率，已經(jīng)遠遠超出了一般的液壓系統(tǒng)對于單向閥的頻響要求，如果單向閥的被動響應不能夠及時地配合智能材料驅(qū)動泵的吸排油動作，整個泵系統(tǒng)的性能就會受到很大的影響。

　　事實上，MAUCK 等已經(jīng)注意到了單向閥的頻響對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-流量的曲線對比，描述了單向閥頻響的改變對泵系統(tǒng)性能的影響;CHAUDHURI 等對于智能材料驅(qū)動的往復泵在不同頻率時的輸出流量仿真和試驗的結(jié)果進行討論，認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、磁路特性及機械慣性和摩擦等因素。智能材料泵中單向閥的作用越來越受到重視，各種不同的單向閥被設計出來，并應用于微排量的智能材料泵。

　　另一方面，從單向閥的性能對流體傳輸系統(tǒng)影響的角度，也有很多的研究成果。STONE對提升閥的流量和液動力特性進行了分析和試驗驗證，POOL 等研究了核電站供水系統(tǒng)中，對由回轉(zhuǎn)式單向閥啟閉產(chǎn)生的水擊壓力進行預測的方法;美國機械工程師協(xié)會(ASME)專門成立了研究單向閥的使用與維護的工作小組，跟蹤記錄了20 世紀80～90 年代，美國核電站供水系統(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。

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

　　在智能材料驅(qū)動的往復泵中，應用單向閥的止回功能，對泵系統(tǒng)進行配流，使液壓能按照預定的方向由泵向負載輸出。智能材料的結(jié)構(gòu)及力學特性，決定了這類系統(tǒng)中單向閥的工況為開關頻率高、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，高頻的啟閉對單向閥閥芯的動態(tài)響應能力提出了更高的要求，而周期流量很小則加劇了系統(tǒng)整體流量特性對于單向閥動態(tài)響應的敏感性，每個周期內(nèi)即使單向閥流量特性發(fā)生細微的變化，也會對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。大量關于智能材料驅(qū)動的往復泵的試驗結(jié)果證明，單向閥的特性對于泵系統(tǒng)整體的流量特性有著至關重要的影響。因此十分有必要，對高頻往復泵中，單向閥的配流過程和對于系統(tǒng)流量特性的影響規(guī)律進行細致深入的研究，找出關鍵的影響因素，探尋系統(tǒng)的性能上限。