CN110439880A - 超高速超高同步气液驱动***及气液驱动方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种超高速超高同步气液驱动***及气液驱动方法，超高速超高同步气液驱动***包括至少一条同伸缩气液混合缸、至少一个质量块、高压气源、充气阀和控制器；同伸缩气液混合缸用于驱动质量块运动，同伸缩气液混合缸的数量与质量块的数量相同；高压气源通过第一气路与同伸缩气液混合缸连接，充气阀设置在第一气路上；控制器与充气阀连接，以控制充气阀动作。本申请采用易于设计和加工的零部件进行搭建，能够实现60m/s的驱动速度，能够为国内的***模拟工作提供强有力的支持。

Description

超高速超高同步气液驱动***及气液驱动方法

技术领域

本申请属于气压驱动和液压驱动技术领域，具体涉及一种超高速超高同步气液驱动***及气液驱动方法。

背景技术

随着科技的发展，以气动***和液压***为代表的流体传动技术已经日臻成熟。液压***的主要优点是控制精度高、能量密度比大、响应速度快；气动***的主要优点是清洁无污染、弹性模量小，力输出柔性好、不易对驱动对象造成损坏。因此，气液驱动***被广泛应用于物体需要被超高速驱动的各种场景中，例如，应用于汽车碰撞试验中和模拟***试验中。

***所产生的极端荷载会对建筑物造成毁灭性的后果，如果***荷载对支撑结构的破坏能够导致整个建筑物的连续倒塌，将造成更严重的生命、财产损失。因此从实验测试、分析策略和威胁评估工具等方面，开展建筑物支撑部件在***荷载作用下的破坏模式及损伤预测的研究工作是非常必要的。工程师将这些策略应用到新结构和现有结构上，还需要数字工具和指导方针来辅助设计。现场实弹试验是证明***事件中结构部件的有效性或不足的最可靠的方法。然而这些类型的试验是昂贵的、耗时的。同时由于******所需的控制条件苛刻、环境污染严重，且***瞬时产生的火球不利于数据的采集、判读，并且由于仪器的恶劣环境和指定负载的可变性，常常不能生成高质量的数据，因此，现场试验获得研究数据的方法存在一定的局限性。

如何利用现有技术手段模拟******所产生的极端荷载成为重要的研究课题。针对这一问题，国外开展了使用超高速超高同步驱动***驱动负载撞击被测物，以模拟***效应的工作。其中，美国圣地亚哥大学建立了世界首台超高速超高同步驱动***。该***包括四个相同结构的高速驱动器。如图1所示，每个高速驱动器均包括集成液压阀、两个蓄能器、位移传感器和油缸。该***工作时，液压阀快速打开，蓄能器在短时间内向加速腔注入大量液压油，从而在短时间内将负载加速到很大速度。减速腔内驻留氮气，活塞杆向左运动时，压缩减速腔，氮气增压，为运动提供缓冲。该***中四个高速驱动器可以同时使用，每个高速驱动器驱动一个质量块2，四个质量块2同时撞击被测物体。最大速度可达到40m/s，四个高速驱动器推动质量块2经过相同的位移，撞击被测物的时间差不超过±1ms。然而，受液压阀件、蓄能器和油缸性能的制约，上述现有的超高速超高同步驱动***无法将驱动速度提高到40m/s以上。另外，油缸为单级油缸，缸筒11和活塞的相对速度过高后，密封件无法承受，这也在一定程度上制约了驱动速度的进一步提高。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种超高速超高同步气液驱动***及气液驱动方法。

根据本申请实施例的第一方面，本申请提供了一种超高速超高同步气液驱动***，其包括至少一条同伸缩气液混合缸、至少一个质量块、高压气源、充气阀和控制器；

所述同伸缩气液混合缸用于通过驱动质量块运动来推动被测物，所述同伸缩气液混合缸的数量与所述质量块的数量相同；

所述高压气源通过第一气路与所述同伸缩气液混合缸连接，所述充气阀设置在所述第一气路上；

所述控制器与所述充气阀连接，以控制所述充气阀动作。

上述超高速超高同步气液驱动***中，还包括放气气瓶和放气阀，所述放气气瓶通过第二气路与所述同伸缩气液混合缸连接，所述放气阀设置在所述第二气路上；所述放气阀与控制器连接，所述控制器控制所述放气阀动作。

上述超高速超高同步气液驱动***中，所述同伸缩气液混合缸包括缸筒、第一级缸体和第二级缸体；所述第一级缸体竖直设置在所述缸筒中，且所述第一级缸体的顶端位于所述缸筒的外侧；所述第二级缸体竖直设置在所述第一级缸体中，且所述第二级缸体的顶端位于所述第一级缸体的外侧；

所述第一级缸体包括缸底和缸壁，所述缸底与缸筒的下部构成的空间为第一级正腔；所述缸底和缸壁与所述缸筒的上部构成的空间为第一级反腔；所述第一级反腔中预先注有液压油；

所述第一级缸体与所述缸筒密封接触，所述第二级缸体与所述第一级缸体密封接触；

所述第二级缸体采用纵截面为倒T形的结构，其底端与所述缸底和缸壁的下部构成的空间为第二级正腔；其底端与所述缸壁的上部构成的空间为第二级反腔；所述第二级反腔中预先充入气体；

位于所述缸壁上，靠近所述缸底的位置设置有过油孔。

进一步地，所述缸筒的上部侧壁上还设置有调节孔；液压油源通过油路与所述调节孔连接，所述油路上设置有液压调节阀。

进一步地，位于所述缸筒顶端，所述缸筒与缸壁的接触部位设置有第一密封件，所述缸底与缸筒的内壁接触部位设置有第二密封件。

进一步地，位于所述第一级缸体的顶端，在所述第一级缸体与第二级缸体的上部接触部位设置有第三密封件；所述第二级缸体的底端与缸壁的接触部位设置有第四密封件。

进一步地，在所述第一级缸体的顶部设置有充放气口，通过所述充放气口向所述第二级反腔中预先充入气体。

上述超高速超高同步气液驱动***中，还包括缓停装置，所述缓停装置包括滑车、导轨、缓冲油缸和单向运动机构；所述质量块与滑车连接，所述滑车滑动设置在所述导轨上，所述导轨外侧设置有所述缓冲油缸，所述滑车与缓冲油缸的连接处设置有单向运动机构。

上述超高速超高同步气液驱动***中，还包括位置传感器和速度传感器，所述位置传感器和速度传感器均设置在所述同伸缩气液混合缸的内部，分别用于检测所述同伸缩气液混合缸的位置和速度。

根据本申请实施例的第二方面，本申请还提供了一种超高速超高同步气液驱动方法，其包括以下步骤：

构建并运行超高速超高同步气液驱动***的仿真模型，得到满足需求的仿真结果；

根据与仿真结果对应的仿真模型中各部件模型的参数，设置超高速超高同步气液驱动***中各部件的参数；

根据仿真结果，向第一级反腔中注入预设量的液压油，为第二级反腔预设相应压力，设定充气阀和放气阀的动作时序，并设置第二级缸体的顶端的质量块与被测物之间的距离；

控制器控制充气阀打开，高压气源通过充气阀向第一级正腔内充气，第一级缸体和第二级缸体同步向远离缸筒底部的方向伸出，第二级缸体通过质量块推动被测物体。

上述超高速超高同步气液驱动方法中，还包括以下步骤：

达到预设时间后，控制器控制放气阀打开，第一级正腔放气泄压，第一级缸体和第二级缸体向着靠近缸筒底部的方向运动，直至停止。

根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本申请超高速超高同步气液驱动***中通过设置充气阀和高压气源，利用高压气作为驱动介质，能够显著提高驱动速度。本申请超高速超高同步气液驱动***采用易于设计和加工的零部件进行搭建，能够实现60m/s的驱动速度，能够为国内的***模拟工作提供强有力的支持。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本申请所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本申请的说明书的一部分，其示出了本申请的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。

图1为现有技术中美国圣地亚哥大学建立的超高速超高同步驱动***的原理图。

图2为本申请具体实施方式提供的一种超高速超高同步气液驱动***的结构示意图。

图3为本申请具体实施方式提供的一种超高速超高同步气液驱动***中缓冲装置的结构示意图。

图4为图3提供的一种缓冲装置中的单向驱动机构的结构示意图。

图5为本申请具体实施方式提供的一种超高速超高同步气液驱动***的仿真模型的结构示意图。

图6为图5提供的一种超高速超高同步气液驱动***的仿真模型中单个同伸缩气液混合缸的仿真模型的结构示意图。

图7为本申请具体实施方式提供的一种超高速超高同步气液驱动***的驱动速度仿真结果图；其中，横坐标表示时间，单位为s；纵坐标表示速度，单位为m/s。

图8为本申请具体实施方式提供的一种超高速超高同步气液驱动***中质量块的位移仿真结果图；其中，横坐标表示时间，单位为s；纵坐标表示位移，单位为m。

图9为本申请具体实施方式提供的一种超高速超高同步气液驱动***中一条同伸缩气液混合缸的一端管路长度拉偏时的驱动速度仿真结果图；其中，横坐标表示时间，单位为s；纵坐标表示速度，单位为m/s；表示一条同伸缩气液混合缸的一端管路长度拉偏时的驱动速度仿真曲线， 和表示其余三条同伸缩气液混合缸的管路长度未被拉偏时的驱动速度仿真曲线。

图10为本申请具体实施方式提供的一种超高速超高同步气液驱动***中一条同伸缩气液混合缸的一端管路长度拉偏时的质量块的位移仿真结果图；其中，横坐标表示时间，单位为s；纵坐标表示位移，单位为m；表示一条同伸缩气液混合缸的一端管路长度拉偏时的驱动速度仿真曲线，和表示其余三条同伸缩气液混合缸的管路长度未被拉偏时的驱动速度仿真曲线。

图11为本申请具体实施方式提供的一种超高速超高同步气液驱动***中摩擦力和管路长度共同拉偏时的驱动速度仿真结果图；其中，横坐标表示时间，单位为s；纵坐标表示速度，单位为m/s；表示一条同伸缩气液混合缸的一端管路长度拉偏时的驱动速度仿真曲线，和表示其余三条同伸缩气液混合缸的管路长度未被拉偏时的驱动速度仿真曲线。

图12为本申请具体实施方式提供的一种超高速超高同步气液驱动***中摩擦力和管路长度共同拉偏时的质量块的位移仿真结果图；其中，横坐标表示时间，单位为s；纵坐标表示位移，单位为m；表示一条同伸缩气液混合缸的一端管路长度拉偏时的驱动速度仿真曲线，和表示其余三条同伸缩气液混合缸的管路长度未被拉偏时的驱动速度仿真曲线。

图13为本申请具体实施方式提供的一种超高速超高同步气液驱动***中摩擦力再拉偏时的驱动速度仿真结果图；其中，横坐标表示时间，单位为s；纵坐标表示速度，单位为m/s；表示一条同伸缩气液混合缸的一端管路长度拉偏时的驱动速度仿真曲线，和表示其余三条同伸缩气液混合缸的管路长度未被拉偏时的驱动速度仿真曲线。

图14为本申请具体实施方式提供的一种超高速超高同步气液驱动***中摩擦力再拉偏时的质量块的位移仿真结果图；其中，横坐标表示时间，单位为s；纵坐标表示位移，单位为m；表示一条同伸缩气液混合缸的一端管路长度拉偏时的驱动速度仿真曲线，和表示其余三条同伸缩气液混合缸的管路长度未被拉偏时的驱动速度仿真曲线。

图15为本申请具体实施方式提供的一种超高速超高同步气液驱动***中某一同伸缩气液混合缸整体移动时的位移仿真结果图；其中，横坐标表示时间，单位为s；纵坐标表示位移，单位为m；表示一条同伸缩气液混合缸的一端管路长度拉偏时的驱动速度仿真曲线，和表示其余三条同伸缩气液混合缸的管路长度未被拉偏时的驱动速度仿真曲线

图16为本申请具体实施方式提供的一种超高速超高同步气液驱动***中预充压调整时的驱动速度仿真结果图；其中，横坐标表示时间，单位为s；纵坐标表示速度，单位为m/s；表示一条同伸缩气液混合缸的一端管路长度拉偏时的驱动速度仿真曲线，和表示其余三条同伸缩气液混合缸的管路长度未被拉偏时的驱动速度仿真曲线

图17为本申请具体实施方式提供的一种超高速超高同步气液驱动***中预充压调整时的位移仿真结果图；其中，横坐标表示时间，单位为s；纵坐标表示位移，单位为m；表示一条同伸缩气液混合缸的一端管路长度拉偏时的驱动速度仿真曲线，和表示其余三条同伸缩气液混合缸的管路长度未被拉偏时的驱动速度仿真曲线。

附图标记说明：

1、同伸缩气液混合缸；

11、缸筒；111、调节孔；

12、第一级缸体；121、缸底；122、缸壁；123、第一级正腔；124、第一级反腔；125、充放气口；126、过油孔；

13、第二级缸体；131、第二级正腔；132、第二级反腔；

2、质量块；

3、高压气源；31、第一气路；

4、充气阀；

5、放气气瓶；51、第二气路；

6、放气阀；

7、液压油源；71、油路；

8、液压调节阀；

9、缓停装置；91、滑车；92、导轨；93、缓冲油缸；94、单向运动机构；941、销；942、弹簧；943、手柄；944、限动台阶。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。

本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

图2是本申请实施例提供的一种超高速超高同步气液驱动***的结构示意图。如图2所示，超高速超高同步气液驱动***包括至少一条同伸缩气液混合缸1、至少一个质量块2、高压气源3、充气阀4、放气气瓶5、放气阀6和控制器(图中未示出)。

同伸缩气液混合缸1用于驱动质量块2运动。同伸缩气液混合缸1的数量与质量块2的数量相同。

高压气源3通过第一气路31与同伸缩气液混合缸1连接，充气阀4设置在第一气路31上。

放气气瓶5通过第二气路51与同伸缩气液混合缸1连接，放气阀6设置在第二气路51上。

控制器与充气阀4和放气阀6连接，以控制充气阀4和放气阀6动作。

在***模拟工况中，可以根据被测物的体积选择使用一条同伸缩气液混合缸1或者多条同伸缩气液混合缸1。在汽车碰撞工况中，可以选择使用一条同伸缩气液混合缸1即能满足需求。

具体地，同伸缩气液混合缸1包括缸筒11、第一级缸体12和第二级缸体13。第一级缸体12竖直设置在缸筒11中，且第一级缸体12的顶端位于缸筒11的外侧。第二级缸体13竖直设置在第一级缸体12中，且第二级缸体13的顶端位于第一级缸体12的外侧。

第一级缸体12包括缸底121和缸壁122，缸底121与缸筒11的下部构成的空间为第一级正腔123；缸底121和缸壁122与缸筒11的上部构成的空间为第一级反腔124。第一级反腔124中预先注有液压油。

位于缸筒11顶端，缸筒11与缸壁122的接触部位设置有第一密封件。缸底121与缸筒11的内壁接触部位设置有第二密封件。

第二级缸体13采用纵截面为倒T形的结构，其底端与缸底121和缸壁122的下部构成的空间为第二级正腔131；其底端与缸壁122的上部构成的空间为第二级反腔132。

在第一级缸体12的顶部设置有充放气口125，通过该充放气口125可以向第二级反腔132中预先充入气体。同伸缩气液混合缸1工作时，封闭该充放气口125。

位于缸壁122上，靠近缸底121的位置设置有过油孔126。过油孔126的设置便于第一级反腔124中的液压油受挤压后进入第二级正腔131中。

位于第一级缸体12的顶端，在第一级缸体12与第二级缸体13的上部接触部位设置有第三密封件。第二级缸体13的底端与缸壁122的接触部位设置有第四密封件。

缸筒11的上部侧壁上还设置有调节孔111。液压油源7通过油路71与调节孔111连接，油路71上设置有液压调节阀8。

本申请超高速超高同步气液驱动***工作在空载运动工况时，其工作过程为：

控制器控制充气阀4打开，高压气源3通过充气阀4向第一级正腔123内充气，第一级正腔123快速充压，第一级缸体12和第二级缸体13同步快速伸出。

达到预设时间后，控制器控制放气阀6打开，第一级正腔123放气泄压，放出的气体通过放气气瓶5进行收集。

第一级缸体12和第二级缸体13在惯性作用下继续外伸，随着第二级反腔132的容积的变小，第二级反腔132的压力越来越大，而第一级正腔123的压力越来越小。

当第一级缸体12和第二级缸体13逐渐减速至停止后，第一级缸体12和第二级缸体13开始反向运动，即向着靠近缸筒11底部的方向运动。

本申请超高速超高同步气液驱动***推动负载时，其工作过程为：

向第一级反腔124中注入预设量的液压油，为第二级反腔132预设相应压力，设定充气阀4和放气阀6的动作时序，并设置第二级缸体13的顶端的质量块2与被测物之间的距离。

控制器控制充气阀4打开，高压气源3通过充气阀4向第一级正腔123内充气，第一级缸体12和第二级缸体13同步快速伸出。

第一级缸体12在向远离缸筒11底部的方向运动时，第一级反腔124中的液压油被压缩，并通过过油孔126被挤压到第二级正腔131中，以驱动第二级缸体13运动。

达到预设时间后，控制器控制放气阀6打开，第一级正腔123放气泄压。

第二级反腔132中的气体受到压缩，第二级反腔132的压力越来越大。

第一级正腔123泄压后，第一级正腔123的压力降低。第二级反腔132的压力与第一级正腔123的压力相等之后，第一级缸体12和第二级缸体13开始减速，直到远离缸筒11底部方向的速度降低至0后，第一级缸体12和第二级缸体13开始向着靠近缸筒11底部的方向运动。

为了避免高速回收的第一级缸体12和第二级缸体13撞击缸筒11或者第一级缸体12与第二级缸体13之间互相撞击导致损坏，为高速回收的第二级缸体13和质量块2设置缓停装置9。

根据实际的空间、速度和同伸缩气液混合缸1的数量，缓停装置9可以采用多种形式。在本实施例中，如图3所示，缓停装置9包括滑车91、导轨92、缓冲油缸93和单向运动机构94。其中，质量块2与滑车91连接，滑车91滑动设置在导轨92上，导轨92外侧设置有缓冲油缸93，滑车91与缓冲油缸93的连接处设置有单向运动机构94。

其中，如图4所示，单向运动机构94包括壳体(图中未示出)、销941、弹簧942和手柄943。滑车91与壳体固定连接。当第二级缸体13向外伸出时，壳体带动销941向远离缸筒11底端的方向运动；当越过限动台阶944，销941在弹簧942的作用下伸出，此时，滑车91仍然可以向远离缸筒11底端的方向运动。当滑车91向着靠近缸筒11底部的方向运动时，运动到限动台阶944处时，伸出的销941推动缓冲油缸93的活塞杆回缩，在缓冲油缸93的正腔的油压的作用下，质量块2逐渐停止。

在上述实施例中，本申请超高速超高同步气液驱动***中还包括位置传感器和速度传感器，其中，位置传感器和速度传感器均设置在同伸缩气液混合缸1的内部，分别用于检测同伸缩气液混合缸1的位置和速度。

当超高速超高同步气液驱动***中包括两个以上同伸缩气液混合缸1，两个以上同伸缩气液混合缸1同时运动时，如果各位置传感器检测到的各同伸缩气液混合缸1的位置出现较大不一致时，可以打开液压调节阀8，液压油源7通过液压调节阀8向第一级反腔124注入液压油或者从第一级反腔124中放出液压油，以调节第二级缸体13的相对速度或初始位置，从而达到调节第二级缸体13的绝对速度，保证各同伸缩气液混合缸1同步的目的。

另外，还可以通过调节第二级反腔132的预设压力来保证各同伸缩气液混合缸1的同步。

第二级缸体13的顶端可以通过多种方式与不同的负载连接按照负载要求实现驱动。既可以实现多个负载的同步驱动，也可以实现单个负载的高速驱动。同伸缩气液混合缸1中第二级缸体13的顶端推动的负载既可以一直与第二级缸体13连接，也可以到达一定速度后与第二级缸体13分开。对应不同的工况，设置不同的连接方式，负载也可以选用不同的支撑方式。

上述实施例中，控制器采用市售高性能控制器，其具有阀件驱动、信号采集和驻留控制程序等功能。控制器通过电缆与充气阀4、放气阀6、压力传感器、位置传感器等连接，负责向充气阀4和放气阀6发出打开或关闭的信号，并负责采集***中压力、位置、速度等信号，以用于***状态检测和数据分析。

图1中所示的现有技术中的超高速超高同步气液驱动***的驱动介质为液压油，液压油流过液压阀时会产生巨大的液动力，这会限制液压阀的开启速度。液压阀的开启速度受限就会导致液压油无法在尽量短的时间内进入加速腔，也就使得油缸无法在有限的形成内达到所需的驱动速度。当前能够满足流量要求的液压阀，最快开启速度也要20ms以上，要想使负载的速度达到60m/s，液压阀的开启速度需要达到10ms，利用现有技术是很难实现的。

本申请超高速超高同步气液驱动***通过设置充气阀4和高压气源3，驱动介质为高压气，同时充气阀4的开启过程中不存在类似液动力的力，驱动气阀阀芯运动可以认为是在驱动惯性负载，气阀的开启速度很容易做到10ms全部开启。

图1中所示的现有技术中的超高速超高同步气液驱动***中的油缸为单级缸，如果负载的速度达到60m/s，则密封件承受的摩擦速度就是60m/s，而现有的密封件能够承受的最大速度为15m/s，密封件的承受能力也限制了现有超高速超高同步气液驱动***的驱动速度的进一步提高。

图1中所示的现有技术中的超高速超高同步气液驱动***的动力源是蓄能器中的高压气体。当气阀打开时，高压气体推动活塞运动，活塞挤压液压油快速流向缸的加速腔。蓄能器气腔充气较慢，时间长，也就是说，在蓄能器真正工作前的时间较长，因此要求密封非常好，否则气腔的气体容易经过密封渗到液腔。但是，当高压气驱动活塞快速运动时，要求活塞运动灵活，密封件造成的阻力要尽量小。密封件既要密封好，又要运动灵活，这是相互矛盾的要求，难以实现。同时活塞运动速度也远超15m/s，也难以找到合适的动密封件。

而在本申请超高速超高同步气液驱动***中，动力源为高压气瓶，其为钢制结构件，不存在动密封，很容易实现。

综上所述，采用本申请超高速超高同步气液驱动***能够显著提高驱动速度。

基于以上超高速超高同步气液驱动***，本申请还提供了一种超高速超高同步气液驱动方法，其包括以下步骤：

构建并运行超高速超高同步气液驱动***的仿真模型，得到满足需求的仿真结果。

根据与仿真结果对应的仿真模型中各部件模型的参数，设置超高速超高同步气液驱动***中各部件的参数。

根据仿真结果，向第一级反腔124中注入预设量的液压油，为第二级反腔132预设相应压力，设定充气阀4和放气阀6的动作时序，并设置第二级缸体13的顶端的质量块2与被测物之间的距离。

控制器控制充气阀4打开，高压气源3通过充气阀4向第一级正腔123内充气，第一级缸体12和第二级缸体13同步向远离缸筒11底部的方向伸出，第二级缸体13通过质量块2推动被测物体。

达到预设时间后，控制器控制放气阀6打开，第一级正腔123放气泄压，第一级缸体12和第二级缸体13向着靠近缸筒11底部的方向运动，直至停止。当然，根据不同的速度要求，通过设置高压气源的压力和容积，也可以保持放气阀6始终不打开。

下面通过具体的实施例对本申请超高速超高同步气液驱动方法进行详细说明。

如图5和图6所示，构建超高速超高同步气液驱动***的仿真模型，其中，该超高速超高同步气液驱动***包括四条同伸缩气液混合缸1。四条同伸缩气液混合缸1共用同一个充气阀4、高压气源3、放气阀6和放气气瓶5。

在该仿真模型中，高压气源3设置为30L，25MPa。同伸缩气液混合缸1中第二级反腔132的预充压力为10MPa。

充气阀4在零时刻开始启动，10ms内全部打开。放气阀6在15ms时刻启，在10ms内全部打开。

运行上述构建的超高速超高同步气液驱动***的仿真模型，得到如图7所示的驱动速度仿真结果图以及如图8所示的质量块2位移仿真结果图。如图7所示，四条同伸缩气液混合缸1的驱动速度曲线完全重合，在0.023s时，四条同伸缩气液混合缸的驱动速度可达60m/s。如图8所示，四条同伸缩气液混合缸1连接的质量块2的位移曲线也完全重合，在0.037s时，四条同伸缩气液混合缸的位置均在1.370m处，可见各质量块2的同步性非常好，且在设计行程1.6m内开始反向运动。

将一条同伸缩气液混合缸1的一段管路的长度由1m增大为3m，其余同伸缩气液混合缸1的一段管路的长度保持1m不变，仿真结果如图9和10所示，可见管路长度的改变对超高速超高同步气液驱动***的仿真结果的影响不大。同伸缩气液混合缸1中第一级缸体12和第二级缸体13反向运动后，速度和位置偏差开始变得稍微大一些。但是，第一级缸体12和第二级缸体13反向运动时，已完成对被测物体的推动，因此并无影响。

将一段管路的长度增加的同伸缩气液混合缸1的第一级缸体12的动摩擦力系数由50N/(m/s)增大为500N/(m/s)。如图11和图12所示，速度和位移均出现了明显的不一致，速度最大值约为58m/s，速度差的最大值约为2.4m/s。位移达到最大值时，位移差约为28mm。从图11和图12中可以看出，速度达到最大值的时刻为0.023s，位移达到最大值的时刻为0.037s。四条同伸缩气液混合缸1在0.023s时刻的位移差明显小于28mm，此时速度约为58m/s，这个速度弥补28mm的唯一差，只需要0.48ms，所以在这种拉偏工况下，多条同伸缩气液混合缸1的同步性仍然非常好。

在图11和图12的仿真基础上，将一段管路的长度增加的同伸缩气液混合缸1的第二级缸体13的动摩擦力系数也由50N/(m/s)增大为500N/(m/s)。如图13和图14所示，速度和位移曲线都出现了很明现的差别。速度最大值相差约6m/s。位移最大值相差约为80ms。当速度达到最大值时，位移差为约50mm，比较慢的同伸缩气液混合缸1的速度为53m/s，该同伸缩气液混合缸1弥补这50mm的位移差所用时间为0.94ms，接近1ms。

在图13和图14的仿真基础上，使一段管路的长度增加的同伸缩气液混合缸1整体前移53mm，由图15可见，能够保证四条同伸缩气液混合缸1在0.023s时同时到达同一位置，即0.771m～0.775m。

在图15仿真设置的基础上，将一段管路的长度增加的同伸缩气液混合缸1的第二级反腔132的预充压由10MPa降为8MPa，其余三条同伸缩气液混合缸1的第二级反腔132的预充压仍然保持10MPa。如图16和图17所示，在速度达到最大值时，四条同伸缩气液混合缸1的位移相差甚小，在10mm以内。

可见，无论是整体移动同伸缩气液混合缸1，还是调节第二级反腔132的预冲压，都可以有效的调节四条同伸缩气液混合缸1的速度最大时的位置差。

本申请超高速超高同步气液驱动***采用易于设计和加工的零部件进行搭建，能够实现60m/s的驱动速度，超越了目前国际上的最高水平，能够为国内的***模拟工作提供强有力的支持。

以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本申请保护的范围。

Claims (11)

1.一种超高速超高同步气液驱动***，其特征在于，包括至少一条同伸缩气液混合缸、至少一个质量块、高压气源、充气阀和控制器；

所述同伸缩气液混合缸用于通过驱动质量块运动来推动被测物，所述同伸缩气液混合缸的数量与所述质量块的数量相同；

所述高压气源通过第一气路与所述同伸缩气液混合缸连接，所述充气阀设置在所述第一气路上；

所述控制器与所述充气阀连接，以控制所述充气阀动作。

2.根据权利要求1所述的超高速超高同步气液驱动***，其特征在于，还包括放气气瓶和放气阀，所述放气气瓶通过第二气路与所述同伸缩气液混合缸连接，所述放气阀设置在所述第二气路上；所述放气阀与控制器连接，所述控制器控制所述放气阀动作。

3.根据权利要求1或2所述的超高速超高同步气液驱动***，其特征在于，所述同伸缩气液混合缸包括缸筒、第一级缸体和第二级缸体；所述第一级缸体竖直设置在所述缸筒中，且所述第一级缸体的顶端位于所述缸筒的外侧；所述第二级缸体竖直设置在所述第一级缸体中，且所述第二级缸体的顶端位于所述第一级缸体的外侧；

所述第一级缸体包括缸底和缸壁，所述缸底与缸筒的下部构成的空间为第一级正腔；所述缸底和缸壁与所述缸筒的上部构成的空间为第一级反腔；所述第一级反腔中预先注有液压油；

所述第一级缸体与所述缸筒密封接触，所述第二级缸体与所述第一级缸体密封接触；

所述第二级缸体采用纵截面为倒T形的结构，其底端与所述缸底和缸壁的下部构成的空间为第二级正腔；其底端与所述缸壁的上部构成的空间为第二级反腔；所述第二级反腔中预先充入气体；

位于所述缸壁上，靠近所述缸底的位置设置有过油孔。

4.根据权利要求3所述的超高速超高同步气液驱动***，其特征在于，所述缸筒的上部侧壁上还设置有调节孔；液压油源通过油路与所述调节孔连接，所述油路上设置有液压调节阀。

5.根据权利要求3所述的超高速超高同步气液驱动***，其特征在于，位于所述缸筒顶端，所述缸筒与缸壁的接触部位设置有第一密封件，所述缸底与缸筒的内壁接触部位设置有第二密封件。

6.根据权利要求3所述的超高速超高同步气液驱动***，其特征在于，位于所述第一级缸体的顶端，在所述第一级缸体与第二级缸体的上部接触部位设置有第三密封件；所述第二级缸体的底端与缸壁的接触部位设置有第四密封件。

7.根据权利要求3所述的超高速超高同步气液驱动***，其特征在于，在所述第一级缸体的顶部设置有充放气口，通过所述充放气口向所述第二级反腔中预先充入气体。

8.根据权利要求1～7任一项所述的超高速超高同步气液驱动***，其特征在于，还包括缓停装置，所述缓停装置包括滑车、导轨、缓冲油缸和单向运动机构；所述质量块与滑车连接，所述滑车滑动设置在所述导轨上，所述导轨外侧设置有所述缓冲油缸，所述滑车与缓冲油缸的连接处设置有单向运动机构。

9.根据权利要求1～7任一项所述的超高速超高同步气液驱动***，其特征在于，还包括位置传感器和速度传感器，所述位置传感器和速度传感器均设置在所述同伸缩气液混合缸的内部，分别用于检测所述同伸缩气液混合缸的位置和速度。

10.一种超高速超高同步气液驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建并运行如权利要求1～9任一项所述的超高速超高同步气液驱动***的仿真模型，得到满足需求的仿真结果；

根据与仿真结果对应的仿真模型中各部件模型的参数，设置超高速超高同步气液驱动***中各部件的参数；

根据仿真结果，向第一级反腔中注入预设量的液压油，为第二级反腔预设相应压力，设定充气阀和放气阀的动作时序，并设置第二级缸体的顶端的质量块与被测物之间的距离；

控制器控制充气阀打开，高压气源通过充气阀向第一级正腔内充气，第一级缸体和第二级缸体同步向远离缸筒底部的方向伸出，第二级缸体通过质量块推动被测物体。

11.如权利要求10所述的超高速超高同步气液驱动方法，其特征在于，还包括以下步骤：

达到预设时间后，控制器控制放气阀打开，第一级正腔放气泄压，第一级缸体和第二级缸体向着靠近缸筒底部的方向运动，直至停止。