基于强迫对流的油气弹簧热力学模型研究.pdf

基 于 强 迫 对 流 的 油 气 弹 簧 热 力 学 模 型 研 究 ★ 口陈轶杰 口顾亮 口李雨 北京理工大学 机械 与车辆工程学院北京 1 0 0 0 8 1 摘要 针对自主研发的油气弹簧工作时油液温度对密封件可靠性的影响， 提出了研究减振装置温升的重要性。 建 立了油气弹簧强迫对流情况下的热 力学物理模型。 给出了各表 面相关对流换热 系数表 达式， 以及综合热量传递方程。 分别 以油液和氮气为研 究对 象列写 了单位 时间外力所做 的功和 内能变化率。 通过能量守恒原理和 实际气体状 态方程创建 了油 气弹簧强迫对 流热 力学数 学模 型。 编程 分析 了外界环 境和激励 对油液温升的影响规律 ， 得 出的结论 可 以作为油 气弹簧的 设计参考。 关键词 油气弹簧 油液 温升强迫对流热力学模型 中图分类号 T B 1 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 04 9 9 8 2 0 0 8 0 30 0 2 90 4 油气 弹簧 中 的惰 性气 体 能 够 储 存 一 部分 振 动 能 量 ， 但 要 衰 减 车 身 振 动 ， 通 常 还 需 加 装 阻 尼 阀 。 消 耗 掉 的振 动能量 主要转 换 成为 热能 ， 使缸 体温 度不 断升高 ， 当 超 过 密 封 件 的 极 限 温 度 后 ， 就 会 出 现 油 、 气 泄 漏 现 象 ， 导致整个 系统 不 能正 常工作 。 虽 然油 气弹簧 的散 热 能力 对 系统 可靠 性 影 响很 大 ， 但 由于 涉及 不 少跨 学科 专业 知识 ， 国 内还 没有 开展 相关 的研 究工 作 ， 国外公 之 于众 的文献 也甚 少 。 基 于这 种情 况 ， 本文 对油气 弹簧 的 温 升 现 象 进 行 了 系 统 研 究 。 -k武器装备预先研究基金 资助项 目 编号 6 2 3 0 1 0 2 0 2 ． 4 收稿 日期 2 0 0 7 年1 0 月 1 油气弹簧的热力学物理模型 如图 1 所 示 ， 建 立 了单气 室油 气 弹簧在 强迫 对流情 况 下 的 热 力 学 物 理 模 型 。 中 空 的 活 塞 杆 充 有 高 压 氮 气 ， 由浮 动活塞 将其 与油 液分离 ； 活 塞杆 上端 配有 主活塞 ， 在缸筒 中起 支承 和导 向作用 ； 主活塞上 安装 有 阻尼 阀 ， 通过对 油液节 流产 生 阻尼力 衰减车 身 的振动 。 图 中 D“ 为 缸筒 外径 ， D 为缸 筒 内径 ， 为油液 温 度 ， 为 氮 气 温 度 ， 。 为 缸 筒 内 壁 温 度 ， 为 缸 筒 外 壁 温 度 ， 6 。 为 缸 筒 壁 厚 ， 为 外 界 环 境 温 度 ， 厶 为 缸 筒 长 度 ， 厶为 浮 动 活 塞 厚 度 ， 。 为 活 塞 杆 内壁 温 度 ， 为 活 塞 杆 外 壁 温 度 ， 为 活 塞 杆 壁 厚 ， L 为 活 塞 杆 与 空 表3 第一台 S B L一2 0 0 型数控薄板拉边机生产性 能测定 表4 第二 台 S B L一2 0 0 型数控薄板拉边机生产性能测定 班次 测定项 目 小计 合计 1 2 3 纯作业时 间 l 1 ． 5 O 1 O ． 8 3 l 2 ． 3 3 3 4 ． 6 6 总 班 作业 延 次 时间 领料 时间 7 ． 5 7 ． 6 7 8 ． 1 7 2 3 ． 3 3 9 1 ． 3 3 续 时 入库 时间 8 ． 3 3 8 ． 6 7 7 ． 8 3 2 4 ． 8 3 时 间 非作业 调整保养 时间 2 ． 6 3 3 ． 3 3 2 ． 5 0 8 ．5 0 时间 机具故障时间 O O h 非班次 自然条件造成 时间 停机时 间 2 ． 3 3 2 ． 3 3 2 ． 3 3 总拉边长度／ m 4 7 6 0 4 4 8 5 5 0 3 8 1 4 2 8 3 耗电量／ k W 8 ． 7 7 ． 9 9 ． 2 2 5 ． 8 纯工作小时生产率／ m h 4 2 1 4 1 4 4 0 8 平 均4 1 4 动力消耗率／ m k W- 1 5 4 7 5 6 8 5 4 8 平均5 5 4 作业质量 l作业质量满足金属薄 板边头卷圆 质量要求 1 赫 贵成． 液压传动 [ M】 ． 北京 冶金 工业 出版社 ， 1 9 8 9 ． 2 张贵林． 简 明农业机械设 计标 准应用手册 [ M】 ． 北京 机械工 业出版社 ， 1 9 9 3 ． 3 董玉平 ． 机械设 计基础 [ M】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． a 机 械 制 造4 6 卷 第5 2 3 期 班次 测定项 目 小计 合计 1 2 3 纯作业时间 1 1 ． 5 O 8 ． 8 3 l 1 ． 3 3 3 1 ． 6 6 班 作业 总 次 时间 领料时 间 2 ． 3 3 6 ． 8 3 7 ． 6 6 2 1 ． 8 3 8 4． 3 3 延 时 入库时 间 8 ． 3 3 7 ． 3 3 8 ． 5 0 2 3 ． 8 3 续 间 非作业 调整保养时间 2 ．83 2 ． 3 3 1 ． 8 3 7 时 时间 机具故障时间 O ． 5 0 ．5 间 ／ 电机 调整保养 h 4 ． 3 3 4 ． 3 3 4 ． 3 3 非 班次 故 障排除时间 时间 自然条件造成 停机时间 2 ． 3 3 2 ． 3 3 2 ． 3 3 总拉边长度 ／ m 4 7 4 0 3 5 2 0 4 8 7 3 1 3 1 3 3 耗电量／ k W 9 ． 1 6 ． 7 9 ． 3 2 5 ． 1 纯工作小时生产率／ n l h - 1 4 2 4 4 1 4 4 l l 平均4 1 7 动力 消耗率 ／ m k W 5 2 l 5 2 5 5 2 4 平均5 2 3 作业质量 作业质量满足金属薄板边头卷圆质量要求 △ 编 辑 林凡 2 0 0 8 ／ 3 圆 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 气 接触 的长度 ， D 为 活塞杆 内径 ， 为 活塞杆 外径 ， 为活 塞杆运动 速度 ， 为外界 空气流 的速度 。 2 油气弹簧的热力学数学模型 2 ． 1 油 气 弹 簧 强 迫 对 流 热 力 学模 型 台架实验 时 ， 油气 弹簧处 于垂 直状态 ， 如 图1 所示 ， 上 端 通 过 接 头 销 与 台 架 固 定 ， 下 端 通 过 销 轴 与 激 振 头 联 接 。 由油 气 弹簧 的生 热 机理 和 能量 守恒 定律 有 如下 关 系 式 dW／ d t QdU／ dt 式 中 dW／ dt为单 位 时 间 外 界 对 系统 所 作 的功 ， p 为单 位 时 间 系统 向外界 散 发 的热 量 ， dU／ d￡为 单 位 时 间 系统 内 能 的 增 量 。 由 传 热 学 相 关 理 论 可 知 ， 当外 界 空 气 横 向 绕 流 缸 体 运 动 时 ， 如 图 1 所 示 ， 往往 会 出现 边 界层 脱 离 现 象 ， 使 缸 体 表 面 换 热 能 力 大 幅 升 高 。 另 外 虽 然 活 塞 杆 还 附 加 有 纵 向 的往 复 运 动 ， 但 与 空 气 流 横 掠 杆 壁 相 比 ， 其 散 热 效 果 可 忽 略 不计 1 。 所 以缸筒 和活塞 杆 与 外 界 环 境 之 间 均 可 按 空 气 绕 流 强 迫 对 流 换 热 计 算 ， 根据 希 尔伯特 Hi l p e r t 等人 提供 的特 征 关 联式 1 给 出缸 筒 和 活 塞 杆 外 表 面 换 热 系 数 h 。 A C D 一 一 c k ” 2 式 中 A k 为 空气 的导热 系数 ； Dw 为 缸筒 或活塞杆外 径 ； 仇 为 空气 运动 粘 度 ； P 为 空 气 密度 ； c 为 空气 的 比热 容 ； 参 数C和 n按 表 1 选 取 。 表1 强迫对流参数选取 胁 k 0 ． 44 4～4 0 4 04 0 o 0 4 0 0 0～41 o 4 41 0 ～41 0 I G 0 ． 9 8 9 0 ． 9 1 1 0 ． 6 8 3 0 ． 1 9 3 0 ． 0 2 6 6 I ， l 0 ． 3 3 0 O ． 3 8 5 0 ． 4 6 6 0 ． 6 1 8 0 ． 8 0 5 表 中空气 流雷诺 数 R e D ／t I k 。 另外 ， 油 液 和氮 气 与 筒壁 之 间属 于 管 内强迫 对 流 换 热 ， 由于缸筒 和活塞 杆长 度有 限 ， 油液 与氮 气始终 处 于 人 口段 换 热 状 态 。 通 过 凯 斯 推 荐 的 努 赛 尔 数 特 征 关 联式 即可分 别得 出层 紊流 时筒壁 内表面 的强迫 对 流换 热系数 ， 联 立 固体热 传 导方程 和 牛顿冷却 公式 】 ， 推 导 出 油 液 散 发 到 外 界 环 境 的综 合 热 量 表 达 式 2 8／ 3 Q 广 。_ 二 丁一 3 一Ah Jt ’ 一 式 中 A 为 缸 筒 外 表 面 积 ； A 为 缸 筒 内 表 面 积 ； 为油 液 的强 迫对 流换热 系数 ； A为筒壁 的导热 系数 。 氮气散 发到外 界环 境 的综 合热 量表 达式 一 Q g ]二 三 亟 4 A 。h lA 。 2 1 T A 式 中 A 为 活 塞 杆 外 表 面 积 ； A 为 活 塞 杆 内 表 面 积 ； h 为氮气 的强迫 对流换 热 系数 。 另外 ， 油和气 之 间 的热 量传 递 主 要 是 通过 浮 动活 塞 进 行 的 ， 可 按 热 传 导 的 方 式 进 行 推 导 Qr A A 5 式 中 Q f 为油 、 气 之 间所 传递 的热 量 ； A 为浮动 活塞截 面 积 。 按 缝 隙节 流 方式 进 行推 导 ， 则 单 位 时 间 阻尼 力所 做 的 功 为 ； m 6 山一 1 T 研 f 、 单 位时 间油液 内能变 化率 为 d ／ dt r n y c p y d ／ d￡ 7 式 中 为 缝 隙 的宽度 ； Br 为缝 隙 的湿周 ； z 为 缝 隙 的 长度 ； 胁。 为 油 液 的初 始 动 力粘 度 ； A 【 为油 液 的粘 温指 数 ； t 为油 液 的摄 氏温度 ； t y o 为 油 液 的初 始 摄 氏温 度 ； 活塞 有 效 工 作 面 积 A s 1 T DkD2 ／ 4； r r t r为 油液 质 量 ； c ， 为油 液定 压 比热容 。 应 用范 德瓦 尔实 际气体状 态 方程 给 出单位 时 间氮 气 的热 力学 能变化量 d ／ d t mq c q ． d ／ d t m； 口 d ／ d t 8 式 中 r n q 为氮气 质量 ； c 为氮气 的定容 比热容 ； 口为 范 德 瓦尔 常数 ； 为氮气体 积 。 单 位时 间外界对 氮气 所做 的功 为 d ／ d t g w f V 9 式 中 P为气 体绝 对压力 ； Ag w f 为活 塞杆 外横截 面积 。 联立 式 1 ～ 9 即组 成 了油气 弹簧 强迫 对流 情况 下 的 热 力 学 数 学 模 型 。 2 ． 2热 力 学 模 型 仿 真 分 析 通 过 数 学 软件 Ma t l a b编 程 对 油 气 弹 簧 的 热力 学 模 型进行迭代 运算 。 相 关参 数设定 如下 Dh 0 ． 1 4 5 m， Dh 0 ．1 2 5 IT I ， 0． 08 I T I ， 0． 0 9 5 m， 厶 0． 3 7 m， 厶 0 ． 3 m， A2 3 W／ m 。K ， 九 0 ． 0 2 3 W／ m K ， 厶 0 ． 03 m ，T 30 0 K ， ,O k1 ．2 3 kg ／m ， 0． 0 5 k g， 口4 56 ． 3 7 IT I -Pa ／k g ，Z11 0一 ’m ，蠡 0 ．11 0一 ’ m， B f 0 ． 2 5 m， A 【 0 ． 0 2， 8 ． 9 k g ／ m s ， 系 统 的初 始温度 与外界 环境 温 度相 等 ； 为便 于分 析 ， 设 油 气 弹簧每工 作一 个循 环 ， 就 与 外界 交换 一次 能量 ， 循 环 机械制造4 6 卷 第5 2 3 期 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 嬲 竺 鬻励 等 因 素 对 系 统 温 升 如 下结论 。 ～”～ 刀 甘 彰 啊 规 ，律 ， 得 出 液温升趋 于 明显 。 与 缸 大 墨 享 油 液 与 缸 筒 外 壁 温 差 相 对 减 ， ， 删 傲 媪 升 趋 于 明 显 ， 油 液 篓 一 Li pi n s ki ,W． Tr a n s i e n t R a d i a t i v e He a t T r a s i o n o f Co a l Pa r t i c l e s ， T ra 4umn d e r g oin e n ea t T ra nss fe r W ith inn a ‰ Su s p e 训 n- 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 用于空间交叉轴 系传动的磁性齿轮研制 口张静 口陈慧宝 口徐解民 口孙涛 上 海大学 机电工程与 自动化学院上海2 0 0 0 7 2 ★ 摘要主要介 绍了空间交叉轴 系传动 的非接 触式磁性齿轮 的工作原理、 设计特点、 制造及 实验装置。 磁性齿轮是由 两个空间交叉布置的永磁体组成 ， 它是 由钕铁硼 永磁材料粘结压制而成 ， 经多极径向充磁得到的磁 极呈4 5 。 螺旋排 列于磁 环外表面。 由磁性齿轮构成的传动装置具有非接触、 低能耗、 无噪声、 无污染等特点， 有很好的应用前景。 关键词 磁性齿轮空间交叉轴斜 向永磁体传动 中图分类号 T H 1 3 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 0 8 0 3 0 0 3 2 0 3 1 概述 随着 工业 的迅 猛发 展 ， 许 多工 业 产 品 的质 量对 其 工 作环境有 着更 为苛刻 的要 求 ， 例如液 晶屏 、 等 离子显 示器 等半 导体设 备 的 自动化 生产输 送线 上 即使是 微量 的颗 粒 、 灰 尘都将 严重 影 响产品 的质量 ， 其 对生产 环境 的清洁 度要 求相 当高 ， 这 已成 为制 约 该产 业发 展 的瓶 颈 。 而普通 的传送 机构 一般会 采用 带 、 链 或各种机 械齿 轮 来提 供 驱动力 ， 而这 种 传统 的工作 方式 无论 是 啮合 传动 还是摩 擦传 动 ， 都 是接 触式机 械传动 ， 在工作 过程 中不 可避免地 会产 生微 粒与灰 尘 。 本 文所论 述 的非接 触式磁 性齿 轮就 能较好地 解决 上 述 问 题 ， 其 传 动 方 式 是 在 不 发 生 任 何 直 接 接 触 的 条 件下 实现运动 和动 力 的传递 ， 因 而相 对于齿 轮 、 带 等传 统 的机 械传动 ， 磁性 齿轮传 动具 有独特 的优点 1 洁 净 化 。 不 存 在 摩 擦 力 ， 不 会 出 现 磨 损 的 颗 粒 ， 相对于带 、 链 、 齿轮等 传动 ， 传送 非常干 净 。 ★国家自然科学基金资助项目 编号 5 0 7 0 5 0 5 3 上海市教委基金资助项 目 编号 0 7 z z 0 4 教育部高等学校重点学科建设资助项目 编号 Y 0 1 0 2 上海市重点学科建设资助项目 编号 B B 6 7 收稿 日期 2 0 0 ／ 年 l 1 月 2 低 能耗 。 由于非接 触式传 动 中没 有摩 擦力做 功 ， 极大地 提高 了传动效 率 ， 可 以在 生产 中实现 节 能。 3 低 噪声 。 磁 性 齿 轮是 通 过磁 性 的吸 引与 排斥 来 做功 ， 在 非接 触空 间 内实 现动力 传递 ， 噪声 很小 。 4 易 安装 。 非 接 触 式 的装 置 ， 由 于 其 安装 间隙 可 调 ， 不但 可 以降低两 轮 中心距 的要求 ， 而且可 以改 变传 动动力 参数 ， 使 其具 有更广 泛 的适 用性 。 5 免维 护 。 由于是非 接触 式传 动 ， 不 会 出现传统 机 械零件 的破裂 、 磨损 、 点蚀 等失效 问题 。 6 安 全 性 。 过载 时 不会 产 生 如传 统 齿 轮传 动 中的 轮齿折 断 问题 ， 造成设 备故 障 和人员 伤害 。 磁 性 齿 轮传 动 已成 为 国 内外 关 注 的热 点 】 【 2 】 ， 正 是 由于其 上 述优 点 ， 利 用磁 性 齿 轮来 实 现 非接 触式 传 动 已成 为对 生产环境 洁净 度有 特定 要求 的物 料输送 和 传 动 装 置 的一 种 新 形 式 。 2 磁性齿轮工作原理 非 接触式磁 性齿 轮是 由安装 于两垂 直交叉 轴上 的 两 磁 环组 成 ， 如 图 1 所示 ， 上 下 两个 磁 性齿 轮 的轴线 垂 直 交叉 且 两外 表 面 间 留有一 定 间 隙无 接 触 ， 扭矩 是 由 两 个永 磁 体 之 间的 电磁 现象 产 生 的 ， 此磁 性 齿轮 可 以 不 用通 过任何直 接 的接 触来 改变 传送方 向。 d e r a D i ff e r e n t l y L o c a t e d i n a C r o s s F l u i d Flo w [ C 】 ． P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a tio n a l He at TI la n s f e r Co n f e r e n c e． Na t i o n al Re s e a r c h Co u nc i l o f Ca n a d a， 1 98 6． 3 Kh a n ． W ． A， C u l h a m． J ． R， Y o v a n o n i c h ． M． M． Flu i d Flo wa n d H e a t T r a nf e r i n P o w e r l a w nu i d 8 a c r o s s C i r c u l a r C y l i n d e r s [ J 】 ． J o u r n a l o f H e a t T r a n s f e r ， 2 0 0 6 ， 1 2 8 9 8 7 08 7 8 ． 4 Mu e lhr A C ． Re v i e w of e r mal De s i g n Me t h o d s f o r Mu h i c o mp o ． n e n t C o n d e n s a ti o n [ J ] ． H e a t T r a n sf e r E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 9 ， 2 0 4 52 0． 2 0 0 8／ 3 5 Ev e r a e r t K． He a t T r a n s r F r o m a S i n g l e T u b e t o t h e Flo w i n g G a s s o l i d S u s p e n s i o n i n a C F B r i ser [ J 】 ． H e a t T r a n s f e r E n on e e i n g ， 2 0 0 6 ， 2 7 6 6 6 7 0 ， 6 严家骤， 王永青． 工程热力学【 M1 ． 北京 中国电力出版社， 2 00 4． 7 P e c h e n e g o v ， Yu ． Ya ． C o n c e r n i n g S t a b i l i z a ti o n o f He a t T r a n s f e r of a G a s s usp e n s i o n Flo w i n a T u b e [ J 】 ． H e a t T r a n s f e r R e s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 3 4 7 5 1 9 5 2 4 ． △ 编辑 日 月 机械制造4 6 卷第5 2 3 期 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m