針對智能材料驅(qū)動的往復(fù)泵中應(yīng)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(fù)泵整體流量特性的影響規(guī)律，并對泵系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。建立錐形單向閥內(nèi)部流體和剛體的動力學(xué)模型，以及應(yīng)用該類型單向閥進(jìn)行配流的往復(fù)泵系統(tǒng)的模型。對柱塞運(yùn)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(jìn)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(yùn)動頻率不同、單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)隨柱塞運(yùn)動頻率改變的泵系統(tǒng)的工作過程進(jìn)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(jìn)行伺服流量調(diào)節(jié)的較優(yōu)方案是對柱塞的往復(fù)運(yùn)動進(jìn)行調(diào)幅控制。以泵系統(tǒng)的流量和容積效率為目標(biāo)，采用粒子群優(yōu)化算法，對系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到一定條件下，被動配流泵系統(tǒng)相應(yīng)目標(biāo)的最優(yōu)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(yīng)用。在近幾年關(guān)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(fù)泵提供單向的配流功能。

　　智能材料驅(qū)動的往復(fù)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(jī)構(gòu)的特點是輸出位移小，輸出力大，動態(tài)響應(yīng)快。在這類泵的應(yīng)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(dá)到如此高的工作頻率，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)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(fù)泵在不同頻率時的輸出流量仿真和試驗的結(jié)果進(jìn)行討論，認(rèn)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(jī)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(shè)計出來，并應(yīng)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(jìn)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(jìn)行預(yù)測的方法;美國機(jī)械工程師協(xié)會(ASME)專門成立了研究單向閥的使用與維護(hù)的工作小組，跟蹤記錄了20 世紀(jì)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(yīng)用研究，還包括對油田上采用的直線抽油機(jī)的泵閥流量特性的研究，以及在流體介質(zhì)為氣體的機(jī)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(fù)泵中，應(yīng)用單向閥的止回功能，對泵系統(tǒng)進(jìn)行配流，使液壓能按照預(yù)定的方向由泵向負(fù)載輸出。智能材料的結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性，決定了這類系統(tǒng)中單向閥的工況為開關(guān)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(yīng)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(yīng)的敏感性，每個周期內(nèi)即使單向閥流量特性發(fā)生細(xì)微的變化，也會對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。大量關(guān)于智能材料驅(qū)動的往復(fù)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(guān)重要的影響。因此十分有必要，對高頻往復(fù)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(jìn)行細(xì)致深入的研究，找出關(guān)鍵的影響因素，探尋系統(tǒng)的性能上限。

1、單向閥配流的往復(fù)泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

　　1.1、錐形單向閥的建模

　　這里采用錐形提升閥作為典型的單向閥對象進(jìn)行建模，建模的思路是以閥口為分界，將單向閥內(nèi)部流場分為上游和下游兩部分，兩部分具有各自的流態(tài)與靜壓力(圖1)。

圖1 閥口的幾何參數(shù)及兩側(cè)壓力

結(jié)論

　　(1) 單向閥配流的往復(fù)泵系統(tǒng)的流量特性，與單向閥動態(tài)特性、柱塞運(yùn)動的頻率及行程、柱塞腔容積，以及油箱壓力等諸多因素有關(guān)。

　　(2) 該類泵系統(tǒng)的流量特性的關(guān)鍵，在于柱塞運(yùn)動速度與吸排油單向閥啟閉的配合。單向閥是被動式的壓力敏感閥，柱塞往復(fù)運(yùn)動引起的柱塞腔壓力變化，是其閥芯彈簧系統(tǒng)的驅(qū)動來源，因此其響應(yīng)特性與柱塞的運(yùn)動情況密切相關(guān)，這是該類泵系統(tǒng)與主動配流泵系統(tǒng)的主要區(qū)別。

　　(3) 柱塞運(yùn)動頻率不超過單向閥閥芯自身諧振頻率時，泵系統(tǒng)能夠完成正常吸排油，但泵系統(tǒng)的輸出流量與柱塞運(yùn)動頻率間的線性度較差。當(dāng)柱塞運(yùn)動頻率超過單向閥閥芯自身諧振頻率后，由于閥芯響應(yīng)的滯后，會引起配流邏輯關(guān)系的錯位，使泵系統(tǒng)出現(xiàn)零輸出流量甚至是負(fù)輸出流量，功能失效。

　　(4) 當(dāng)柱塞運(yùn)動頻率在一定范圍內(nèi)時，其運(yùn)動行程與輸出流量之間具有較好的線性度。因此，當(dāng)將這種泵系統(tǒng)應(yīng)用于容積伺服變量控制的時候，通過改變柱塞行程的方式是較為理想的選擇。

　　(5) 受限于油箱壓力，吸油單向閥的驅(qū)動力較低，是系統(tǒng)流量特性的瓶頸所在。且由于吸排油單向閥的工況不同，需要匹配設(shè)計吸油單向閥和排油單向閥的動態(tài)特性，確保它們在不同驅(qū)動力下的響應(yīng)一致，以使它們配合工作時，泵系統(tǒng)流量特性達(dá)到最優(yōu)。

　　(6) 受結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性的限制，被動配流泵系統(tǒng)的流量輸出不能像主動配流泵系統(tǒng)那樣，在不考慮功率限制的情況下，隨柱塞運(yùn)動頻率的增加而無限制增加，且柱塞運(yùn)動頻率較高時，被動配流的容積效率與主動配流相比，存在較大差距。