新型浮动型内置式缓冲装置的研究

谢道亮，庄曙东，胡涛，肖龙飞

(河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)

0 引言

液压缸在使用过程中，由于推动负载比较大且运动元件速度比较快，当液压油缸中活塞运动到行程极限时，会与端盖发生强烈的机械碰撞。这样的机械碰撞不仅会影响工作效率以及工作质量，还可能会损坏液压元件并严重影响液压元件的使用寿命。因此，利用缓冲装置来降低液压油缸中由机械碰撞产生的冲击是十分重要的。目前应用于液压油缸上的缓冲装置主要有机械缓冲和液压缓冲两种。其中机械缓冲是利用弹簧能承受较大的冲击力实现缓冲，但由于缓冲弹簧易发生震荡和回弹，一般不单独使用。液压缓冲是利用油液不可压缩以及流动性质来实现液压油缸的缓冲，其中外置式液压缓冲主要是在液压油缸回路上控制流量，但这种缓冲有可能会对液压回路调整失误或断路而产生影响。内置式液压缓冲是通过改变油液的回流通道面积，让缓冲腔的压力在可调控范围内，实现缓冲的目的[1-2]，是用非完全冲击来减少活塞与缸盖间的机械碰撞，进而弱化机械冲击[3]。内置式液压缓冲有固定式节流缓冲、可变式节流缓冲和卸压式缓冲等。

随着机械工业的发展，液压传动朝着高压力、大功率、低能耗、高效率的方向发展，在大负载、大功率的情况之下，液压油缸中活塞的往返运动速度可达到几十米每秒[4]，机械冲击与碰撞更加明显。为保证整个液压系统正常工作，提高液压系统的安全性和可靠性，设计更为合理的缓冲装置来避免或减少液压油缸内部各种软、硬冲击非常必要。丁凡等对短笛型缓冲装置做了研究，建立数学模型并分析此种缓冲装置的结构参数对缓冲速度以及压力有何影响[5]。黄崇溪研究了高速气缸的动态特性以及缓冲性能，提出提升高速气缸缓冲性能的方法，设计了背压控制式的新型缓冲结构[6]。张日红等提出一种由压力释放缓冲组件和可调余隙组件组成的缓冲结构[7]。SCHWARTZ C等针对行程可调式液压油缸的缓冲装置进行了建模分析，建立了专门针对行程可调式液压油缸的缓冲装置[8]。

固定式节流缓冲装置缓冲效果好，应用最广泛，其在缓冲的初始阶段活塞受到冲击大、速度下降快、有较大压力突变的缺点，本文进行了创新设计，研制出一种新型的浮动型内置式缓冲装置。

1 浮动型内置式缓冲装置的设计

目前常见的圆柱形固定型内置式节流缓冲套模型结构简图如图1所示，新型的浮动型内置式节流缓冲套模型结构简图如图2所示。

1—端盖腔；2—有杆腔；3—固定式缓冲套；4—活塞；5—活塞杆；6—定位螺母。

由图1、图2可知，浮动式缓冲套实质上是在圆柱形固定型内置式节流缓冲套的结构上作了4处改进，即：缓冲套长度小于活塞与限位螺母间距，使得缓冲套在缓冲过程中仅受液压力；缓冲套左侧设计如图2所示的三角斜环，使缓冲套与活塞能顺利分离；缓冲套采用圆锥形-抛物线形-圆柱形3台阶过渡式如图3所示，使其与活塞杆存在不同的间隙，实现3台阶不同的环隙式缓冲；缓冲套设计阻尼小孔，实现固定节流孔缓冲。4处改进使活塞不论运动到左端还是右端的行程极限时，由于液压系统的封闭性，缓冲套进入端盖凹腔，油液只能通过缓冲套上的环形面以及阻尼小孔流出，这使得油液流出时阻力变大，缓冲腔油液压力升高，活塞运动受阻力变大，起到缓冲作用。

1—圆锥形环隙式；2—抛物线形环隙式；3—圆柱形环隙式。

根据活塞运动的压力损失分析，这一缓冲过程分为3阶段：第1阶段是活塞进入缓冲过程的起始阶段时，随着活塞的直线运动，缓冲套逐渐靠近端盖凹腔，由于液压系统封闭，液压油只能从缸盖的内壁和缓冲套之间的圆锥环面与缓冲套上的薄壁节流孔流出。第2阶段是活塞已经进入端盖的凹腔，缓冲套上的环形面起到主要缓冲作用，此时缓冲套的薄壁节流孔同时也起到一定的缓冲作用。第3阶段活塞完全进入凹腔，伴随着活塞位移不断变大，缓冲套的各个环面与薄壁节流孔同时起到缓冲作用，当到达一定的缓冲位移时，缓冲结束。

2 浮动型内置式缓冲装置的数模分析

在活塞3阶段运动中，由于缓冲套3个台阶的设计与浮动型的设计，使其运动过程中流量变化与固定型缓冲装置的流量变化是不一样的，这种改变将改善液压油缸内部的碰撞与各种冲击。

圆锥形环隙式节流缓冲台阶阶段的流量为原本单一的圆锥形环隙式缓冲的流量加上固定节流孔的流量，所以此阶段的流量方程为：

(1)

式中：d1为缓冲套有效直径；h1为缓冲套刚进入端盖时与端盖内壁间隙；h2为当活塞位移为x时，缓冲套与内壁间隙；υ为液压油的运动黏度；ρ为液压油的密度；P1为有杆腔即缓冲腔压力；Cd为流量系数；A0为节流小孔面积。

抛物线形环隙式节流缓冲台阶阶段的流量为原本单一的抛物线形环隙式缓冲的流量加上固定节流孔的流量，所以此阶段的流量方程为：

(2)

式中：lmax为缓冲长度；v0为缓冲初速度。

圆柱形环隙式节流缓冲台阶阶段的流量为原本单一的圆柱形环隙式缓冲的流量加上固定节流孔的流量，所以此阶段的流量方程为：

(3)

式中：Kc=256.6/γv，其中γ为油液重度；v为缓冲速度；Kc一般取值为0.031 3；δ为环形间隙；μ为液压油的动力黏度。

3 浮动型内置式缓冲装置运动学分析

在缓冲过程中，当下一台阶的流量大于等于上一台阶的流量时，缓冲进程就开始转到下一台阶。若以某公司中间罐车的油缸为例，液压油缸缸径ds=360 mm，活塞杆径dt=320 mm，缓冲孔内径即缓冲套直径d1=330 mm，惯性质量m=1 320 kg，系统压力Ps=30 MPa。定义缓冲套参数：圆锥角度为θ=24°,最大缓冲行程lmax=5 mm，环形间隙δ=1.15 mm。利用MATLAB软件编程得到缓冲速度v与缓冲行程x的曲线图(图4)，缓冲加速度a与缓冲行程x曲线图(图5)。

图4 缓冲速度与缓冲行程的曲线图

图5 缓冲加速度与缓冲行程的曲线图

从图4和图5可知：缓冲装置在缓冲时，第1台阶缓冲阶段压力突变较小，具有较好的导向性，从初始速度v0=0.03 m/s开始缓慢平稳地下降，缓冲初期平稳进行；第2台阶缓冲阶段由于抛物线形缓冲存在，使得活塞在缓冲中期平稳地进行减速运动，缓冲腔加速度缓慢上升，过渡期较为平稳缓慢，不存在软冲击；第3台阶缓冲阶段速度缓慢下降，最后基本降为0，缓冲腔加速度迅速下降。2个图形表明：浮动型内置式缓冲装置运动的特性曲线非常符合理想状态下的缓冲装置运动特性曲线。

从整个缓冲装置运动过程看，第1台阶缓冲阶段充分利用了圆锥形缓冲初期的压力、加速度突变小、导向性能不错的优点，使得缓冲初期平稳进行。第2台阶缓冲阶段利用了缓冲中期最为理想的缓冲形式即抛物线形缓冲，以几乎等减速的方式进行缓冲。第3台阶缓冲阶段速度较低，缓冲腔压力也相对来说较小，当活塞运动到行程极限时，不存在硬冲击与软冲击，缓冲效果良好。这表明浮动型内置式缓冲装置能实现非常良好的缓冲效果。

4 浮动型内置式缓冲装置动力学分析

缓冲过程分为3个流动状态，分别为局部损失阶段、锐边节流阶段和缝隙节流阶段，所以选取缓冲装置缓冲套的4个位置，即缓冲套刚进入缓冲阶段的位置、局部损失位置、锐边节流阶段位置和缝隙节流阶段位置，利用Fluent软件进行流场仿真，获得各位置的压力云图，实现浮动型内置式缓冲装置动力学分析。

刚进入缓冲阶段的位置：当活塞运动到这一位置时，缓冲腔内压力约为28 MPa，由于缓冲套与端盖距离还较远，端盖腔的压力约为0.3 MPa，此时浮动式缓冲套还没有浮动起来，缓冲套上部仍然在活塞杆上。该位置压力云图如图6所示。

图6 刚进入缓冲阶段位置的压力分布云图

局部损失位置：活塞在左侧高压作用下不断向端盖方向运动，缓冲套与端盖的距离不断减小，当到达局部损失位置后，液压油受到一定的阻碍作用，但是由于断面收缩引起的局部损失而产生的阻碍作用比较小，缓冲腔压力升至29 MPa。此时的缓冲套上部与活塞杆依然没有分离，缓冲套左侧也没有与活塞分离，该位置压力云图如图7所示。

图7 局部损失位置的压力分布云图

锐边节流位置：随着液压油高压下的推动，缓冲套不断向右移动。在刚进入端盖空腔时，缓冲套与端盖内壁的缝隙形成了锐边节流阶段，此时缓冲套上下受到不同的压力而上下浮动，直至达到稳定状态，浮动到活塞杆中心对称的位置，此时缓冲套上下受到的压力相同。该位置压力云图如图8所示。

图8 锐边节流位置的压力分布云图

缝隙节流阶段位置：缓冲套逐渐在缓冲腔油液压力的推动下，缓慢离开活塞，将会与限位螺母相贴合，流动状态变为缝隙节流缓冲，缓冲套稳定浮动在端盖腔中心位置。该位置压力云图如图9所示。

图9 缝隙节流位置的压力分布云图

从上述分析知，缓冲套在刚进入缓冲阶段与局部损失阶段，缓冲套上部与活塞杆并没有脱离，没有达到“浮动”状态，当缓冲套在进行锐边节流缓冲时，缓冲套浮动至活塞杆中心对称处，当缓冲套不断右移，进入到缝隙节流阶段时，缓冲套与活塞分离。从图6-图9中可知，缓冲腔压力一直稳定在30 MPa左右，没有高压力出现，缓冲性能良好，可以利用此种装置来降低加工难度。

5 结语

基于常见的固定式节流缓冲装置的缺点，设计了一种浮动型内置式缓冲装置。通过对该种装置缓冲套3个台阶流量的数学建模，并用MATLAB软件分析了在整个缓冲行程上浮动型内置式缓冲装置的缓冲速度v与缓冲加速度a的曲线，两种运动曲线非常符合理想状态下缓冲装置运动的特性曲线。在缓冲套刚进入缓冲阶段的位置、局部损失位置、锐边节流阶段位置和缝隙节流阶段位置4个位置上，利用Fluent软件进行流场仿真获得各位置的压力云图也表明，浮动型内置式缓冲装置缓冲性能良好。