液压自由活塞发动机自激振动的控制

第48卷第22期 2012年11月

机 械 工 程 学 报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING

Vol.48 No.22 Nov. 2012

DOI：10.3901/JME.2012.22.133

液压自由活塞发动机自激振动的控制*

吴 维1 刘 嘉2 胡纪滨1 苑士华1

(1. 北京理工大学车辆传动重点实验室 北京 100081； 2. 北京理工大学车辆动力系统技术实验室 北京 100081)

摘要：以单活塞液压自由活塞发动机活塞运动控制为目标，研究相应的控制方案。基于单活塞液压自由活塞发动机活塞运动系统的理论分析，同时利用样机建立试验测试平台，对活塞运动控制的理论基础、控制回路和控制方法进行研究。通过控制压缩能量的释放时刻可以实现对活塞运动频率的控制。设计出一种新的先导式控制回路及其自由活塞位置反馈调制控制方法。回路实现了对阀组通流能力的充分利用和活塞极限位置的控制。回路循环能量损失的主要来源是节流和泄漏。单活塞液压自由活塞发动机稳定运行充分条件是实现膨胀过程的完整性。 关键词：自由活塞发动机 自激振动 运动控制 动态分析 中图分类号：TH137

Self-excited Oscillation Control of Hydraulic Free-piston Engine

WU Wei1 LIU Jia2 HU Jibin1 YUAN Shihua1

(1. Science and Technology on Vehicle Transmission Laboratory, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081;

2. Laboratory of Vehicular Power System, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081)

Abstract：To control the piston motion of a single piston hydraulic free-piston engine, control methods are investigated. The piston moving mechanism is analyzed in theory. The test equipment for a prototype has been provided. The theoretical basis, control circuit and control method for the piston motion are analyzed. The piston frequency can be controlled by changing the delivery time of the compression power. A novel pilot control circuit is provided and a free-piston feedback modulation control method has been developed. The flow capability of hydraulic valves is fully utilized by the circuit. The piston extreme position is also limited by the circuit. The throttle and the leakage are main losses of the cyclic energy in the circuit. The sufficient condition for the steady operation of the single piston hydraulic free-piston engine is that the integrality of the expansion process should be achieved. Key words：Free-piston engines Self-excited oscillation Motion control Dynamic analysis

塞发动机的原理设计、机械设计或燃烧过程的研

0 前言

液压自由活塞发动机作为一种热机耦合系统，与传统内燃机和液压柱塞泵相比，取消了曲柄连杆机构和斜盘[1-2]，活塞运动不受机械机构限制，其运动频率无法实现大范围连续变化[3]，造成液压自由活塞发动机输出特性单一，功率和流量调节范围窄，对负载变化适应性差，限制了其应用领域。同时，活塞的无几何约束运动造成系统稳定性变差，其稳定运动离不开高精度高鲁棒性的控制系统[4]。现有的液压自由活塞发动机研究主要集中于液压自由活* “十二五”国家部委基础科研资助项目(B2220110005)。20111202收到初稿，20121019收到修改稿

对液压自由活塞发动机活塞运动控制研究相究[5-7]，

对较少。本文根据单活塞液压自由活塞发动机活塞运动特点，对其运动控制原理和控制回路进行了分析，给出相应的控制方法，研究了系统控制基本工作特征，结果可为单活塞液压自由活塞发动机的活塞运动控制提供参考。

1 控制原理

单活塞液压自由活塞发动机的活塞运动系统属于硬激励自激振动系统[8]，因此活塞无法自动从平衡位置开始振动，需要使活塞获得足够大的扰动能量。用于提供该能量的主要有液压能、气体热力

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学能、弹性势能和电磁能，要利用和控制扰动能量，还需要相应的能量存储设备和控制器。对于单活塞液压自由活塞发动机，利用液压能来提供所需的扰动能量是最好的选择。采用液压能使单活塞液压自由活塞发动机的活塞开始自激振动，不但可方便地获得和存储所需的扰动能量，同时还可对活塞振动过程中的液压能损失进行补充。扰动能量的存储是利用液压蓄能器实现的。图1给出的是一种单活塞自由活塞发动机原理图，其将扰动能量单独存储，同时利用单独的压缩活塞将该能量转化为活塞动能。

液压开关阀。鉴于活塞高速运动状态对流量的需求，文献[9]提出了一种先导式控制方法。基于先导控制回路，开关阀只需要完成活塞压缩过程前期较短距离的加速过程，有效降低了对开关阀通流能力的要求。 所设计的单活塞液压自由活塞发动机电液控制回路结构如图2所示，回路主要包括四个油口、三个阀、一个压缩活塞、一个压缩腔和一个蓄能器。当开关阀开启后，蓄能器中的液压油将通过开关阀和控制口进入压缩腔，从而推动压缩活塞向左运动开始压缩行程，显然，当压缩活塞运动到开启主油口的位置后，压缩行程将主要由主油口输入的液压油完成。在图2所示初始状态，开关阀处于关闭位置，压缩活塞所处位置将关闭主油口和回油口，此时将在压缩腔形成死区，从而阻止压缩活塞继续运动，防止活塞与机体发生机械碰撞[1]，补油阀主要防止压缩腔产生气穴[10]。同时，图2结构可以始终

图1 单活塞自由活塞发动机原理

1. 动力活塞 2. 泵活塞 3. 压缩 …… 此处隐藏：8219字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……