針對智能材料驅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、單向閥結構參數(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、單向閥結構參數(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)進行伺服流量調節(jié)的較優(yōu)方案是對柱塞的往復運動進行調幅控制。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，為智能材料驅動的往復泵提供單向的配流功能。

　　智能材料驅動的往復泵多采用電致伸縮或磁致伸縮等作為驅動材料，由這些材料組成的驅動機構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，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 等對于智能材料驅動的往復泵在不同頻率時的輸出流量仿真和試驗的結果進行討論，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，以及在流體介質為氣體的機械驅動與傳動回路中單向閥特性影響的研究。

　　在智能材料驅動的往復泵中，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。智能材料的結構及力學特性，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動的往復泵的試驗結果證明，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。

1、單向閥配流的往復泵系統(tǒng)數(shù)學模型

　　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行建模，建模的思路是以閥口為分界，將單向閥內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)及兩側壓力

結論

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

　　(2) 該類泵系統(tǒng)的流量特性的關鍵，在于柱塞運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，柱塞往復運動引起的柱塞腔壓力變化，是其閥芯彈簧系統(tǒng)的驅動來源，因此其響應特性與柱塞的運動情況密切相關，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動頻率間的線性度較差。當柱塞運動頻率超過單向閥閥芯自身諧振頻率后，由于閥芯響應的滯后，會引起配流邏輯關系的錯位，使泵系統(tǒng)出現(xiàn)零輸出流量甚至是負輸出流量，功能失效。

　　(4) 當柱塞運動頻率在一定范圍內時，其運動行程與輸出流量之間具有較好的線性度。因此，當將這種泵系統(tǒng)應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，確保它們在不同驅動力下的響應一致，以使它們配合工作時，泵系統(tǒng)流量特性達到最優(yōu)。

　　(6) 受結構和動態(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，隨柱塞運動頻率的增加而無限制增加，且柱塞運動頻率較高時，被動配流的容積效率與主動配流相比，存在較大差距。