大型升降舞台上高速大功率液压油缸缓冲结构的设计及仿真分析

魏星 杨洋 杨宗良 翟锡葵

[摘要]从理论上分析大型升降舞台上液压油缸缓冲装置减速的作用机理和功能特性，提出缓冲装置相关的设计思路，得出缓冲效果与活塞结构及运动参数之间的关系，并通过仿真分析三种缓冲装置的缓冲效果。

[关键词]液压油缸;缓沖装置;仿真;优化

文章编号：10.3969/i.issn.1674-8239.2019.04.008

1概述

高速大功率液压系统中，液压缸液压油缸活塞的运动速度很快，会在行程终端时产生强烈的冲击、噪声甚至机械碰撞，所以，在结束运动前必须进行适当的制动和缓冲，以保证系统平稳可靠工作，提高其工作性能和使用寿命。一般来说，当油缸活塞的运行速度达到0.2m/s时，须为油缸设计缓冲装置。

缓冲装置的工作原理是：当活塞到达行程终端前一定距离内，封闭缸体内的油液，被封闭的油液产生适当的缓冲压力作用在活塞上，多余油液通过节流缝隙或节流孔排出，使活塞的惯性力与油液压力相抵消，以达到活塞减速制动的目的。缓冲装置的形式主要有节流缓冲和卸压缓冲两种，而大型升降舞台的液压油缸由于其速度高、惯性大，一般采用节流缓冲的形式。

图1为液压缸液压油缸节流型缓冲的简化模型。其原理为：在缓冲活塞未进入缸底内孔Lo之前，液压缸液压油缸的回油直接回油箱;缓冲活塞进入缸底内孔Lo之后，回油时必须经过缓冲节流器f才能回到油箱，由于节流器f的阻尼作用，液压缸液压油缸内的压力升高，导致活塞的运动速度降低，对活塞的运动起缓冲作用，以免发生碰撞。

2液压缸液压油缸缓冲装置的设计计算

缓冲装置的设计对油缸至关重要，否则，容易造成油缸在缓冲行程内速度不可控、活塞到位反弹及窜动的现象，难以达到理想的效果。因此，不但需要选择合理的缓冲方式，还需要进行精确的参数匹配。缓冲装置设计的本质为：根据已知的活塞运动速度vo、活塞与负载的质量m以及缓冲行程Lo确定能够产生等减速效果的节流槽过流面积。设节流槽的过流面积为Af，缓冲腔的压力为pi，则：

从式（5）可以看到，节流面积Af与位移x为函数关系，这是一个典型的抛物线方程，即要实现等减速缓冲，缓冲活塞须是一个抛物线的椎体。等减速缓冲的速度变化和能力吸收都是均匀的，缓冲过程平稳，是理想的缓冲方式，但抛物线的加工困难，因此，实际工程中常用圆柱形环形间隙节流缓冲（图2）、圆锥形环形间隙节流缓冲（图3）和三角槽节流缓冲（图4）来近似代替。

3液压缸液压油缸缓冲装置的仿真分析

针对上述三种缓冲结构，分别建立数学模型进行仿真分析。设缓冲区最左端为位移原点，活塞从右至左运动，通过计算机仿真，对三种缓冲方式进行分析，其结果分别如图5、图6、和图7所示。从仿真分析的结果可看出：

（1）圆柱形环形间隙节流缓冲：由于间隙是恒定不变的，属于固定节流缓冲，即类似于使用节流阀的缓冲回路。由于初始时过流面积突变，缓冲压力很大，缓冲压力可能达到系统压力的几倍，活塞出现很大的负加速度，会引起很大的惯性冲击和压力冲击，缓冲效果不明显。因此，这种缓冲结构一般适用于简单、轻载和低速的油缸。

（2）圆锥形环形间隙节流缓冲：间隙是可变的，类似于用行程阀的缓冲装置，由于间隙是由大逐渐变小的，缓冲压力峰值要比圆柱形小得多。活塞运动至缓冲区时速度逐渐降低后再急速降低，缓冲时间较短。

（3）三角槽节流缓冲：沟槽截面积逐渐增加，缓冲较为均匀，冲击力小，制动位置精度高。活塞运动至缓冲区时速度逐渐降低，缓冲时间长，基本可实现等减速缓冲，缓冲效果好。

4结论

由仿真分析结果可知，将三角槽的缓冲方式代替抛物线式缓冲，并精确匹配参数，可以使活塞与缸盖间的缓冲力逐渐增大，基本可实现等减速的缓冲效果，使活塞平稳运行，并减少与缸盖撞击的风险，满足设计及使用要求。