張家昌，肖志權(quán)，張海波，張明明，庹明偉

重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸脹孔特性研究

張家昌1，肖志權(quán)*1，張海波2，張明明3，庹明偉3

（1.武漢紡織大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.湖北文理學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053；3.東風(fēng)（十堰）汽車液壓動力有限公司，湖北 十堰 442000）

為分析重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸異形孔脹孔流量特性，采用流場有限元分析的方法對不同溫度下的脹孔通流進行數(shù)值分析，并對多組流場分析數(shù)值結(jié)果進行函數(shù)擬合，得到不同溫度下脹孔的孔口流量特性方程，及溫度與孔口形狀系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系。運用上述方法，針對某型重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸的缸筒尾部為4個異形孔的脹孔進行分析。結(jié)果表明，該脹孔符合短孔特征，其孔口形狀系數(shù)與溫度呈冪函數(shù)關(guān)系。進而對液壓翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)進行了基于AMESim仿真分析，分析結(jié)果顯示，仿真計算值與擬合公式計算值基本一致，故針對實例得出這種分析脹孔的方法是可行的。

液壓翻轉(zhuǎn)缸；重卡；脹孔；流場分析；擬合

隨著國內(nèi)市場對重卡需求量的急劇上升，2020年1-8月中國重卡累計銷量約108.35萬輛，累計同比增幅擴大到35%，重卡成為了長途運輸?shù)闹饕ぞ遊1]。每臺重卡都要配置一套駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，通常有機械翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，考慮到可操作性、可靠性等因素，大多數(shù)重卡的駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)采用液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。

駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)因其提供的翻轉(zhuǎn)力矩大、運行平穩(wěn)、安全可靠而越來越多地應(yīng)用于商用車、自卸車、中型、重型卡車車型上。液壓翻轉(zhuǎn)缸作為運動的執(zhí)行元件，以液壓為動力使駕駛室繞駕駛室翻轉(zhuǎn)軸有限度的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)駕駛室的舉升、翻轉(zhuǎn)、下降、收回等動作的完成[2]。針對駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)及翻轉(zhuǎn)缸領(lǐng)域?qū)W術(shù)界已有一些相關(guān)研究，其中李偉等[3]對差動液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行了分析和測試，何嘉欣[4]、徐金志[5]對重卡駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行了分析和設(shè)計，張懷亮[6]等針對基礎(chǔ)振動對液壓缸動態(tài)特性的影響進行了分析，于保軍等和韓以倫等[7-8]針對翻轉(zhuǎn)缸的實際工況，設(shè)計出一種試驗臺檢測系統(tǒng)，李偉等和蔣俊等[9-10]針對活塞與缸筒間的密封間隙進行了流場仿真分析，薛旭華等和常凱等[11-12]通過有限元分析的方法對液壓缸密封圈的磨損進行了研究。

盡管已有上述相關(guān)研究，但注意到鮮有關(guān)于液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸懸置狀態(tài)下，翻轉(zhuǎn)缸尾部脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系的研究。因所需的活塞與缸筒間脹孔流量值與脹孔兩端壓差值在實際運用中不易測得，故本文針對重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸異形孔脹孔流量特性不清晰等問題，以某重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸為例，在對其脹孔進行Fluent流場仿真分析和擬合的基礎(chǔ)上，分析了不同溫度下脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系及溫度與孔口形狀系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，并對液壓翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)下進行了AMESim仿真分析。

1 脹孔的描述和分析

為了滿足駕駛舒適性要求，液壓翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)下，駕駛室由懸置鎖緊缸可靠的鎖緊支撐。由于液壓翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)下，隨駕駛室做上下自由浮動，液壓翻轉(zhuǎn)缸一般選用脹孔式液壓翻轉(zhuǎn)缸。液壓翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)下，脹孔作為有桿腔和無桿腔流量互通的主要通道。脹孔的大小對兩腔的油液能否及時的流入或流出起著重要的作用，其中，液壓翻轉(zhuǎn)缸無桿腔的油液因不能及時的流入或流出，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的兩腔壓力差，從而形成較大的懸置態(tài)阻力。所以需要針對液壓翻轉(zhuǎn)缸脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系進行研究，因液壓翻轉(zhuǎn)缸尾部脹孔為多個異形孔，不能直接得到其流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系，所以針對這一類型的脹孔，主要的研究步驟如下：

1.1 脹孔模型的建立

如圖1所示，脹孔式液壓翻轉(zhuǎn)缸尾部脹孔的尺寸大于活塞的直徑1，尾部脹孔的長度大于活塞上下浮動量，這樣可以避免活塞與缸筒產(chǎn)生干涉[4]。尾部脹孔實際的形狀如圖2所示。

圖1 脹孔式液壓翻轉(zhuǎn)缸

圖2 尾部脹孔模型

1.2 流場分析

為研究脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系，采用Fluent仿真軟件對脹孔流體域進行仿真分析。Fluent在進行仿真分析時，首先應(yīng)該對建立的流體計算域模型進行網(wǎng)格劃分和流體邊界條件的設(shè)置，前處理完成后對流體計算域模型進行仿真參數(shù)的設(shè)置，然后利用求解器對流體模型進行求解計算，最后對所求出的計算結(jié)果進行后處理。液壓翻轉(zhuǎn)缸在懸置狀態(tài)下，活塞的運動速度較小，液體在液壓翻轉(zhuǎn)缸兩腔壓差作用下而在脹孔中流動[4]。故采用流場分析的方法，對液壓翻轉(zhuǎn)缸的活塞和缸筒相對靜止?fàn)顟B(tài)下，脹孔的流量和壓差特性進行研究，得到不同流量下脹孔進出口的壓差，考慮到溫度對脹孔流量與壓差特性的影響，對不同溫度下脹孔的流量與壓差特性進行研究，得到不同溫度下脹孔流量與壓差的實驗數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)學(xué)模型擬合分析

為得到符合數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，從而更好的理解數(shù)據(jù)背后的數(shù)學(xué)、物理意義?？卓诘牧髁繅毫Ψ匠虨椋?/p>

式中：為流量；為孔口形狀系數(shù)；為孔口截面面積；△為孔口前后的壓力差；為由孔口形狀決定的指數(shù)。

根據(jù)仿真實驗得到的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行函數(shù)關(guān)系的擬合，通過擬合的方法，得出脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系式。并對溫度與脹孔孔口形狀系數(shù)進行擬合，通過多次擬合發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)擬合效果最好，進而得到溫度與脹孔孔口形狀系數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

1.4 液壓翻轉(zhuǎn)缸懸置狀態(tài)下仿真分析

建立基于AMESim液壓翻轉(zhuǎn)缸的仿真模型，方式一將脹孔等效簡化為AMESim阻尼孔模型，輸入Fluent仿真結(jié)果實驗數(shù)據(jù)；方式二將脹孔擬合公式輸入到AMESim液壓翻轉(zhuǎn)缸仿真模型中，進行AMESim仿真，將AMESim仿真計算值與脹孔擬合公式計算值進行對比分析，確保AMESim仿真計算值的準(zhǔn)確性，同時能夠確保仿真模型的合理性。下面針對某重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸，進行實例仿真分析。

2 某液壓翻轉(zhuǎn)缸脹孔流場分析

2.1 流體模型的建立

以某重卡駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸的尾部脹孔為例，脹孔的大小如圖3所示，對其流體計算域進行建模，并進行網(wǎng)格劃分，創(chuàng)建的流體計算域模型如圖4所示。

圖3 二維脹孔模型

圖4 脹孔計算模型

2.2 仿真設(shè)置

針對此種類型液壓翻轉(zhuǎn)缸的脹孔中10號航空液壓油的參數(shù)，設(shè)置材料屬性為fluid，液壓翻轉(zhuǎn)缸10號航空液壓油，密度為850 kg/m3，40 ℃動力粘度為0.0105 Pa·s[13]，穩(wěn)態(tài)求解，層流。仿真時，流場入口條件采用質(zhì)量流動入口邊界，出口條件采用自由出流邊界，流量權(quán)重設(shè)置為1，默認壁面無滑移。

2.3 計算仿真模型

根據(jù)對工況的了解，液壓翻轉(zhuǎn)缸處于懸置狀態(tài)下，振動頻率為1Hz，流過脹孔的流量變化范圍為0-6 L/min，本文均勻取13個入口流量值，間隔為0.5 L/min，考慮到溫度對脹孔流量與壓差特性的影響，分別對30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃下的流量與壓差特性進行仿真分析，將4種溫度下脹孔的流量與壓差變化值整理成表，具體的流量與壓差變化如表1所示。

表1 4種溫度下脹孔的流量與壓差變化

通過上述4種溫度下脹孔的流量與壓差變化的數(shù)據(jù)表格可以發(fā)現(xiàn)，同一通流量下，隨著油液的溫度由30 ℃上升到60 ℃，脹孔進出口的壓差將不斷地減小，從表格縱向看，同一溫度下，隨著脹孔通流量的增加，脹孔進出口的壓差將不斷地增大。

根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，嘗試將表格中的數(shù)據(jù)圖形化，從而更加形象的表達數(shù)據(jù)中的規(guī)律[14]。

2.4 仿真結(jié)果擬合分析

式（2）中：為流量；為壓差△；為孔口形狀系數(shù)與面積的乘積；為孔口形狀決定的指數(shù)。

擬合得出的曲線如圖5所示。

圖5 不同溫度下脹孔流量與壓差關(guān)系

根據(jù)上述擬合的結(jié)果，可以看出通過脹孔的流量與脹孔進出口的壓差呈冪函數(shù)關(guān)系，該脹孔的0.5<<1，所以該脹孔符合短孔特征[15]。通過Origin擬合得出4種溫度下脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系式，其30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃擬合效果評價值R分別為0.99978、0.99974、0.99971、0.99969，說明脹孔的流量與壓差關(guān)系非常符合冪函數(shù)關(guān)系，即30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃擬合后的數(shù)學(xué)關(guān)系式如表2所示：

表2 不同溫度下脹孔的數(shù)學(xué)關(guān)系式

經(jīng)計算，進一步的擬合公式，在m值確定的情況下，進一步擬合得出的曲線如圖6所示：

在值確定的情況下，通過Origin軟件對數(shù)據(jù)進一步擬合得出4種溫度下脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系式，其30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃擬合效果評價值2分別為0.99961、0.99979、0.99974、0.99958，將進一步擬合得出的數(shù)學(xué)關(guān)系式整理成表，如表3所示。

表3 m一定時不同溫度下脹孔的數(shù)學(xué)關(guān)系式

由于不同溫度下，各流量與壓差特性曲線是不同的，4種溫度值將會有4個關(guān)系式反映脹孔的通流量與脹孔進出口的壓差變化，為了綜合考慮溫度對脹孔通流量與脹孔進出口壓差關(guān)系的影響，需要將溫度對脹孔孔口形狀系數(shù)的影響整合成一個關(guān)系式，經(jīng)計算30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃分別對應(yīng)的孔口形狀系數(shù)為0.00074、0.00089、0.00102、0.00114，為了形象的表示溫度與孔口形狀系數(shù)之間的關(guān)系，通過多次擬合嘗試發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)擬合效果最好，擬合得出的曲線如圖7所示。

圖7 溫度與孔口形狀系數(shù)的關(guān)系

由上述擬合曲線可知，溫度與孔口形狀系數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系，其擬合效果評價值2等于0.99984，說明溫度與孔口形狀系數(shù)關(guān)系非常符合冪函數(shù)關(guān)系，即：

（4）

上述擬合得出的規(guī)律公式僅適用于此種大小、尺寸、結(jié)構(gòu)相同的脹孔。

3 AMESim仿真分析

3.1 AMESim建模

在AMESim仿真建模中，因液壓翻轉(zhuǎn)缸尾部脹孔的形狀為不規(guī)則圓環(huán)，為了分析脹孔的形狀和尺寸對液壓翻轉(zhuǎn)缸的影響：

建模方式一：將脹孔等效簡化為 AMESim 阻尼孔模型，將 10 號航空液壓油 40 ℃下 的流場分析得到的仿真結(jié)果實驗數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到 AMESim 表格編輯器中，保存為 data 文件，然后以數(shù)據(jù)表格的形式設(shè)置到 AMESim 阻尼孔子模型參數(shù) filenameq 中，AMESim數(shù)據(jù)表格如圖8所示，液壓翻轉(zhuǎn)缸的建模如圖9所示。

圖8 AMESim數(shù)據(jù)表格

圖9 液壓翻轉(zhuǎn)缸的AMESim仿真模型

圖10 信號庫形式的模型

圖11 包含輸入輸出符號的翻轉(zhuǎn)缸模型

3.2 仿真分析

為確保AMESim仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究選擇將AMESim仿真計算得到的壓差值與擬合公式計算出的壓差值進行對比。在1.8 L/min-3.6 L/min間均勻的取4組，間隔0.6 L/min，將脹孔等效簡化為AMESim阻尼孔模型，通過AMESim仿真分析，仿真得出壓差值與擬合公式計算得出壓差值對比如表4所示。

表4 AMESim仿真值與公式計算值對比

將脹孔擬合公式輸入到AMESim液壓缸仿真模型中，通過AMESim仿真分析，仿真得出壓差值與擬合公式計算得出壓差值對比如表5所示。

表5 AMESim仿真值與公式計算值對比

通過表4、表5對比分析可以看出：方式一將脹孔等效簡化為AMESim阻尼孔模型，方式二將脹孔擬合公式輸入到AMESim仿真模型中，兩種建模方式仿真計算得到的壓差值與擬合公式計算得到的壓差值數(shù)量級相同，誤差基本上在1%左右，說明AMESim仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，進而說明AMESim仿真模型能夠反映真實的脹孔通流情況，同時能夠保證仿真模型的合理性。

4 結(jié)論

針對液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)翻轉(zhuǎn)缸的脹孔為異形孔，為了分析其流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系，采用流場分析和擬合的方法，得到脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系。通過這種方式對某液壓翻轉(zhuǎn)缸尾部脹孔進行了Fluent流場分析，考慮到溫度對脹孔流量與壓差特性的影響，進一步對4種溫度下的脹孔的流量與壓差特性進行了仿真分析，對實驗數(shù)據(jù)進行擬合分析得到了4種溫度下脹孔的流量與壓差數(shù)學(xué)關(guān)系式，進而得到溫度與孔口形狀系數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。為確保AMESim仿真結(jié)果準(zhǔn)確性，將AMESim仿真結(jié)果與擬合公式計算結(jié)果進行對比，誤差基本上在1%左右，說明針對翻轉(zhuǎn)缸為異形孔脹孔，采用流場分析和擬合的方法，這種分析方法是可行的。

[1] 2020年8月中國重卡行業(yè)市場分析：市場需求依舊旺盛累計銷量突破100萬輛[EB/OL]. https://bg. qianzhan. com/report/detail/300/200903-e84088d0.html.

[2] 姜帆. 駕駛室的液壓翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計[J]. 汽車實用技術(shù), 2011, (04): 32-36.

[3] 李偉, 茍煒偉, 陳博, 等. 重型卡車駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 汽車實用技術(shù), 2018, (17): 168-171.

[4] 何嘉欣. 卡車駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化[D]. 常州：江蘇理工學(xué)院, 2018.

[5] 徐金志. 某重型卡車駕駛室翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計[J]. 汽車實用技術(shù), 2015, (11): 39-42.

[6] 張懷亮, 鄒偉, 袁堅. 基礎(chǔ)振動對非對稱液壓缸的動態(tài)特性影響分析[J]. 機械科學(xué)與技術(shù), 2014, 33(7): 953-956.

[7] 于保軍, 于文函, 李健, 等. 一種駕駛室翻轉(zhuǎn)液壓缸試驗臺的控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 液壓與氣動, 2018, (05): 98- 101.

[8] 韓以倫, 姬光青, 邱鵬程, 等.液壓缸綜合試驗臺的控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 液壓與氣動, 2016, (05):42-46.

[9] 李偉, 何毅斌, 王彥偉, 等. 新型線香機設(shè)計及間隙密封流場仿真分析[J]. 機電工程, 2016, 33(06): 713-717.

[10] 蔣俊, 郭媛, 曾良才, 等. 間隙密封液壓缸泄漏量仿真分析[J]. 潤滑與密封, 2013, 38(07): 75-79.

[11] 薛旭飛, 谷立臣, 程冬宏, 等. 液壓缸密封圈磨損量與內(nèi)漏量的映射關(guān)系研究[J]. 液壓與氣動, 2020, (12): 30-36.

[12] 常凱. 基于ANSYS的O形密封圈磨損仿真方法研究[J].液壓與氣動, 2018, (02): 98-103.

[13] 封元華. 航空液壓油粘度與溫度關(guān)系的經(jīng)驗公式[J]. 金城科技, 1990, (1): 13-15.

[14] 劉紅, 沈少祥, 蔣蘭芳, 等. 基于Fluent的船用防爆閥降壓特性研究[J]. 機電工程, 2018, 35(10): 1053-1057.

[15] 趙世友. 液壓與氣壓傳動[M]. 北京：北京大學(xué)出版社, 2007.

Research on Expansion Orifice Characteristics of Overturning Cylinder of Heavy Truck Cab's Hydraulic Turnover Mechanism

ZHANG Jia-chang1, XIAO Zhi-quan1, ZHANG Hai-bo2, ZHANG Ming-ming3, TUO Ming-wei3

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200,China; 2.School of Mechanical Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang Hubei 441053,China;3.Dongfeng (Shiyan) Automobile Hydraulic Power Co., Ltd, Shiyan Hubei 442000,China)

Towards the noncircular expanded orifices of overturning cylinder of the hydraulic turning mechanism of heavy truck cab, flow field finite element analysis is adopted to numerically analyze the flow characteristics of the expanded orifices at different temperatures at suspension state. Fitting analysis is then carried out on the numerical results. As a result, the orifice flow characteristic equation of the noncircular expanded orifices can be obtained, together with the mathematical relationships between temperature and orifice shape coefficient. With this method, a special case, an overturning cylinder of the hydraulic turning mechanism of heavy truck cab with 4 noncircular expanded orifices, is studied. The results show that the expanded orifices conforms to short orifice characteristics, and there is a power function relationship between orifice shape coefficient and working temperature. Furthermore, a simulation analysis based on AMESim is conducted at the suspension state of the hydraulic overturning cylinder. The simulation results show that the calculated value of the simulation is basically the same as the calculated value of the fitting formula, which validates the analytical method.

hydraulic overturning cylinder; heavy truck cab; expanded orifice; flow field analysis; fitting

肖志權(quán)（1971-），男，副教授，博士，研究方向：流體傳動與控制.

湖北省教育廳科學(xué)研究計劃指導(dǎo)性項目（B2020142）.

TH137.51；U463.8

A

2095－414X(2022)02－0021－06