謝道亮，莊曙東，胡濤，肖龍飛

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

0 引言

液壓缸在使用過(guò)程中，由于推動(dòng)負(fù)載比較大且運(yùn)動(dòng)元件速度比較快，當(dāng)液壓油缸中活塞運(yùn)動(dòng)到行程極限時(shí)，會(huì)與端蓋發(fā)生強(qiáng)烈的機(jī)械碰撞。這樣的機(jī)械碰撞不僅會(huì)影響工作效率以及工作質(zhì)量，還可能會(huì)損壞液壓元件并嚴(yán)重影響液壓元件的使用壽命。因此，利用緩沖裝置來(lái)降低液壓油缸中由機(jī)械碰撞產(chǎn)生的沖擊是十分重要的。目前應(yīng)用于液壓油缸上的緩沖裝置主要有機(jī)械緩沖和液壓緩沖兩種。其中機(jī)械緩沖是利用彈簧能承受較大的沖擊力實(shí)現(xiàn)緩沖，但由于緩沖彈簧易發(fā)生震蕩和回彈，一般不單獨(dú)使用。液壓緩沖是利用油液不可壓縮以及流動(dòng)性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓油缸的緩沖，其中外置式液壓緩沖主要是在液壓油缸回路上控制流量，但這種緩沖有可能會(huì)對(duì)液壓回路調(diào)整失誤或斷路而產(chǎn)生影響。內(nèi)置式液壓緩沖是通過(guò)改變油液的回流通道面積，讓緩沖腔的壓力在可調(diào)控范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)緩沖的目的[1-2]，是用非完全沖擊來(lái)減少活塞與缸蓋間的機(jī)械碰撞，進(jìn)而弱化機(jī)械沖擊[3]。內(nèi)置式液壓緩沖有固定式節(jié)流緩沖、可變式節(jié)流緩沖和卸壓式緩沖等。

隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，液壓傳動(dòng)朝著高壓力、大功率、低能耗、高效率的方向發(fā)展，在大負(fù)載、大功率的情況之下，液壓油缸中活塞的往返運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)到幾十米每秒[4]，機(jī)械沖擊與碰撞更加明顯。為保證整個(gè)液壓系統(tǒng)正常工作，提高液壓系統(tǒng)的安全性和可靠性，設(shè)計(jì)更為合理的緩沖裝置來(lái)避免或減少液壓油缸內(nèi)部各種軟、硬沖擊非常必要。丁凡等對(duì)短笛型緩沖裝置做了研究，建立數(shù)學(xué)模型并分析此種緩沖裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)緩沖速度以及壓力有何影響[5]。黃崇溪研究了高速氣缸的動(dòng)態(tài)特性以及緩沖性能，提出提升高速氣缸緩沖性能的方法，設(shè)計(jì)了背壓控制式的新型緩沖結(jié)構(gòu)[6]。張日紅等提出一種由壓力釋放緩沖組件和可調(diào)余隙組件組成的緩沖結(jié)構(gòu)[7]。SCHWARTZ C等針對(duì)行程可調(diào)式液壓油缸的緩沖裝置進(jìn)行了建模分析，建立了專門(mén)針對(duì)行程可調(diào)式液壓油缸的緩沖裝置[8]。

固定式節(jié)流緩沖裝置緩沖效果好，應(yīng)用最廣泛，其在緩沖的初始階段活塞受到?jīng)_擊大、速度下降快、有較大壓力突變的缺點(diǎn)，本文進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研制出一種新型的浮動(dòng)型內(nèi)置式緩沖裝置。

1 浮動(dòng)型內(nèi)置式緩沖裝置的設(shè)計(jì)

目前常見(jiàn)的圓柱形固定型內(nèi)置式節(jié)流緩沖套模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，新型的浮動(dòng)型內(nèi)置式節(jié)流緩沖套模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1—端蓋腔；2—有桿腔；3—固定式緩沖套；4—活塞；5—活塞桿；6—定位螺母。

由圖1、圖2可知，浮動(dòng)式緩沖套實(shí)質(zhì)上是在圓柱形固定型內(nèi)置式節(jié)流緩沖套的結(jié)構(gòu)上作了4處改進(jìn)，即：緩沖套長(zhǎng)度小于活塞與限位螺母間距，使得緩沖套在緩沖過(guò)程中僅受液壓力；緩沖套左側(cè)設(shè)計(jì)如圖2所示的三角斜環(huán)，使緩沖套與活塞能順利分離；緩沖套采用圓錐形-拋物線形-圓柱形3臺(tái)階過(guò)渡式如圖3所示，使其與活塞桿存在不同的間隙，實(shí)現(xiàn)3臺(tái)階不同的環(huán)隙式緩沖；緩沖套設(shè)計(jì)阻尼小孔，實(shí)現(xiàn)固定節(jié)流孔緩沖。4處改進(jìn)使活塞不論運(yùn)動(dòng)到左端還是右端的行程極限時(shí)，由于液壓系統(tǒng)的封閉性，緩沖套進(jìn)入端蓋凹腔，油液只能通過(guò)緩沖套上的環(huán)形面以及阻尼小孔流出，這使得油液流出時(shí)阻力變大，緩沖腔油液壓力升高，活塞運(yùn)動(dòng)受阻力變大，起到緩沖作用。

1—圓錐形環(huán)隙式；2—拋物線形環(huán)隙式；3—圓柱形環(huán)隙式。

根據(jù)活塞運(yùn)動(dòng)的壓力損失分析，這一緩沖過(guò)程分為3階段：第1階段是活塞進(jìn)入緩沖過(guò)程的起始階段時(shí)，隨著活塞的直線運(yùn)動(dòng)，緩沖套逐漸靠近端蓋凹腔，由于液壓系統(tǒng)封閉，液壓油只能從缸蓋的內(nèi)壁和緩沖套之間的圓錐環(huán)面與緩沖套上的薄壁節(jié)流孔流出。第2階段是活塞已經(jīng)進(jìn)入端蓋的凹腔，緩沖套上的環(huán)形面起到主要緩沖作用，此時(shí)緩沖套的薄壁節(jié)流孔同時(shí)也起到一定的緩沖作用。第3階段活塞完全進(jìn)入凹腔，伴隨著活塞位移不斷變大，緩沖套的各個(gè)環(huán)面與薄壁節(jié)流孔同時(shí)起到緩沖作用，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的緩沖位移時(shí)，緩沖結(jié)束。

2 浮動(dòng)型內(nèi)置式緩沖裝置的數(shù)模分析

在活塞3階段運(yùn)動(dòng)中，由于緩沖套3個(gè)臺(tái)階的設(shè)計(jì)與浮動(dòng)型的設(shè)計(jì)，使其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中流量變化與固定型緩沖裝置的流量變化是不一樣的，這種改變將改善液壓油缸內(nèi)部的碰撞與各種沖擊。

圓錐形環(huán)隙式節(jié)流緩沖臺(tái)階階段的流量為原本單一的圓錐形環(huán)隙式緩沖的流量加上固定節(jié)流孔的流量，所以此階段的流量方程為：

(1)

式中：d1為緩沖套有效直徑；h1為緩沖套剛進(jìn)入端蓋時(shí)與端蓋內(nèi)壁間隙；h2為當(dāng)活塞位移為x時(shí)，緩沖套與內(nèi)壁間隙；υ為液壓油的運(yùn)動(dòng)黏度；ρ為液壓油的密度；P1為有桿腔即緩沖腔壓力；Cd為流量系數(shù)；A0為節(jié)流小孔面積。

拋物線形環(huán)隙式節(jié)流緩沖臺(tái)階階段的流量為原本單一的拋物線形環(huán)隙式緩沖的流量加上固定節(jié)流孔的流量，所以此階段的流量方程為：

(2)

式中：lmax為緩沖長(zhǎng)度；v0為緩沖初速度。

圓柱形環(huán)隙式節(jié)流緩沖臺(tái)階階段的流量為原本單一的圓柱形環(huán)隙式緩沖的流量加上固定節(jié)流孔的流量，所以此階段的流量方程為：

(3)

式中：Kc=256.6/γv，其中γ為油液重度；v為緩沖速度；Kc一般取值為0.031 3；δ為環(huán)形間隙；μ為液壓油的動(dòng)力黏度。

3 浮動(dòng)型內(nèi)置式緩沖裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在緩沖過(guò)程中，當(dāng)下一臺(tái)階的流量大于等于上一臺(tái)階的流量時(shí)，緩沖進(jìn)程就開(kāi)始轉(zhuǎn)到下一臺(tái)階。若以某公司中間罐車的油缸為例，液壓油缸缸徑ds=360 mm，活塞桿徑dt=320 mm，緩沖孔內(nèi)徑即緩沖套直徑d1=330 mm，慣性質(zhì)量m=1 320 kg，系統(tǒng)壓力Ps=30 MPa。定義緩沖套參數(shù)：圓錐角度為θ=24°,最大緩沖行程lmax=5 mm，環(huán)形間隙δ=1.15 mm。利用MATLAB軟件編程得到緩沖速度v與緩沖行程x的曲線圖(圖4)，緩沖加速度a與緩沖行程x曲線圖(圖5)。

圖4 緩沖速度與緩沖行程的曲線圖

圖5 緩沖加速度與緩沖行程的曲線圖

從圖4和圖5可知：緩沖裝置在緩沖時(shí)，第1臺(tái)階緩沖階段壓力突變較小，具有較好的導(dǎo)向性，從初始速度v0=0.03 m/s開(kāi)始緩慢平穩(wěn)地下降，緩沖初期平穩(wěn)進(jìn)行；第2臺(tái)階緩沖階段由于拋物線形緩沖存在，使得活塞在緩沖中期平穩(wěn)地進(jìn)行減速運(yùn)動(dòng)，緩沖腔加速度緩慢上升，過(guò)渡期較為平穩(wěn)緩慢，不存在軟沖擊；第3臺(tái)階緩沖階段速度緩慢下降，最后基本降為0，緩沖腔加速度迅速下降。2個(gè)圖形表明：浮動(dòng)型內(nèi)置式緩沖裝置運(yùn)動(dòng)的特性曲線非常符合理想狀態(tài)下的緩沖裝置運(yùn)動(dòng)特性曲線。

從整個(gè)緩沖裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程看，第1臺(tái)階緩沖階段充分利用了圓錐形緩沖初期的壓力、加速度突變小、導(dǎo)向性能不錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)，使得緩沖初期平穩(wěn)進(jìn)行。第2臺(tái)階緩沖階段利用了緩沖中期最為理想的緩沖形式即拋物線形緩沖，以幾乎等減速的方式進(jìn)行緩沖。第3臺(tái)階緩沖階段速度較低，緩沖腔壓力也相對(duì)來(lái)說(shuō)較小，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到行程極限時(shí)，不存在硬沖擊與軟沖擊，緩沖效果良好。這表明浮動(dòng)型內(nèi)置式緩沖裝置能實(shí)現(xiàn)非常良好的緩沖效果。

4 浮動(dòng)型內(nèi)置式緩沖裝置動(dòng)力學(xué)分析

緩沖過(guò)程分為3個(gè)流動(dòng)狀態(tài)，分別為局部損失階段、銳邊節(jié)流階段和縫隙節(jié)流階段，所以選取緩沖裝置緩沖套的4個(gè)位置，即緩沖套剛進(jìn)入緩沖階段的位置、局部損失位置、銳邊節(jié)流階段位置和縫隙節(jié)流階段位置，利用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)仿真，獲得各位置的壓力云圖，實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)型內(nèi)置式緩沖裝置動(dòng)力學(xué)分析。

剛進(jìn)入緩沖階段的位置：當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到這一位置時(shí)，緩沖腔內(nèi)壓力約為28 MPa，由于緩沖套與端蓋距離還較遠(yuǎn)，端蓋腔的壓力約為0.3 MPa，此時(shí)浮動(dòng)式緩沖套還沒(méi)有浮動(dòng)起來(lái)，緩沖套上部仍然在活塞桿上。該位置壓力云圖如圖6所示。

圖6 剛進(jìn)入緩沖階段位置的壓力分布云圖

局部損失位置：活塞在左側(cè)高壓作用下不斷向端蓋方向運(yùn)動(dòng)，緩沖套與端蓋的距離不斷減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)局部損失位置后，液壓油受到一定的阻礙作用，但是由于斷面收縮引起的局部損失而產(chǎn)生的阻礙作用比較小，緩沖腔壓力升至29 MPa。此時(shí)的緩沖套上部與活塞桿依然沒(méi)有分離，緩沖套左側(cè)也沒(méi)有與活塞分離，該位置壓力云圖如圖7所示。

圖7 局部損失位置的壓力分布云圖

銳邊節(jié)流位置：隨著液壓油高壓下的推動(dòng)，緩沖套不斷向右移動(dòng)。在剛進(jìn)入端蓋空腔時(shí)，緩沖套與端蓋內(nèi)壁的縫隙形成了銳邊節(jié)流階段，此時(shí)緩沖套上下受到不同的壓力而上下浮動(dòng)，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，浮動(dòng)到活塞桿中心對(duì)稱的位置，此時(shí)緩沖套上下受到的壓力相同。該位置壓力云圖如圖8所示。

圖8 銳邊節(jié)流位置的壓力分布云圖

縫隙節(jié)流階段位置：緩沖套逐漸在緩沖腔油液壓力的推動(dòng)下，緩慢離開(kāi)活塞，將會(huì)與限位螺母相貼合，流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)榭p隙節(jié)流緩沖，緩沖套穩(wěn)定浮動(dòng)在端蓋腔中心位置。該位置壓力云圖如圖9所示。

圖9 縫隙節(jié)流位置的壓力分布云圖

從上述分析知，緩沖套在剛進(jìn)入緩沖階段與局部損失階段，緩沖套上部與活塞桿并沒(méi)有脫離，沒(méi)有達(dá)到“浮動(dòng)”狀態(tài)，當(dāng)緩沖套在進(jìn)行銳邊節(jié)流緩沖時(shí)，緩沖套浮動(dòng)至活塞桿中心對(duì)稱處，當(dāng)緩沖套不斷右移，進(jìn)入到縫隙節(jié)流階段時(shí)，緩沖套與活塞分離。從圖6-圖9中可知，緩沖腔壓力一直穩(wěn)定在30 MPa左右，沒(méi)有高壓力出現(xiàn)，緩沖性能良好，可以利用此種裝置來(lái)降低加工難度。

5 結(jié)語(yǔ)

基于常見(jiàn)的固定式節(jié)流緩沖裝置的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種浮動(dòng)型內(nèi)置式緩沖裝置。通過(guò)對(duì)該種裝置緩沖套3個(gè)臺(tái)階流量的數(shù)學(xué)建模，并用MATLAB軟件分析了在整個(gè)緩沖行程上浮動(dòng)型內(nèi)置式緩沖裝置的緩沖速度v與緩沖加速度a的曲線，兩種運(yùn)動(dòng)曲線非常符合理想狀態(tài)下緩沖裝置運(yùn)動(dòng)的特性曲線。在緩沖套剛進(jìn)入緩沖階段的位置、局部損失位置、銳邊節(jié)流階段位置和縫隙節(jié)流階段位置4個(gè)位置上，利用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)仿真獲得各位置的壓力云圖也表明，浮動(dòng)型內(nèi)置式緩沖裝置緩沖性能良好。