一種柱塞式氣力緩沖器結(jié)構(gòu)與性能研究

徐輝，露思宇，王希妍，王志軍，孟春

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

一種柱塞式氣力緩沖器結(jié)構(gòu)與性能研究

徐輝，露思宇，王希妍，王志軍，孟春*

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

提出一種用于起重機(jī)的新型柱塞式氣力緩沖器。在對緩沖器結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行緩沖器緩沖性能實(shí)驗(yàn)。該氣力緩沖器相對于目前市場上普遍使用的氣力緩沖器顯著的結(jié)構(gòu)差異是：用柱塞上的換氣組件和柱塞推桿上排氣孔道代替了排氣及換氣閥門。該緩沖器結(jié)構(gòu)簡單、制造安裝精度要求低、制造成本低。通過對緩沖器緩沖性能試驗(yàn)表明：柱塞式氣力緩沖器的緩沖效率和衰減系數(shù)分別為46.88%和100.00%，顯著高于彈簧、橡膠、彈簧-橡膠緩沖器，緩沖效率低于液壓緩沖器，而衰減系數(shù)高于液壓緩沖器。

起重機(jī)；柱塞式緩沖器；緩沖容量；緩沖效率；衰減系數(shù)

0 引言

橋式起重機(jī)大、小車由于其工作特點(diǎn)，經(jīng)常發(fā)生高強(qiáng)度、高頻率的碰撞，對起重機(jī)的安全產(chǎn)生影響[1-5]。緩沖器在橋式起重機(jī)中起著至關(guān)重要的安全保障作用，其作用是用來吸收起重機(jī)大車或小車運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)與軌端擋板相撞時(shí)[6]或兩臺起重機(jī)碰撞時(shí)的能量，達(dá)到減緩沖擊、安全停車的目的[7-8]。目前廣泛使用的緩沖器有彈簧緩沖器、摩擦緩沖器、液壓緩沖器、橡膠緩沖器、聚氨酯緩沖器和氣力緩沖器[9-11]。

彈簧緩沖器結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，但其顯著缺點(diǎn)是具有很強(qiáng)的“反彈力”，對起重機(jī)的結(jié)構(gòu)影響比較大，只適用于運(yùn)行速度較低的起重機(jī)；摩擦緩沖器能夠使大多數(shù)摩擦轉(zhuǎn)化為熱能的動(dòng)能，不會(huì)產(chǎn)生劇烈反彈，但有時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生楔住現(xiàn)象，需要使環(huán)形彈簧內(nèi)外環(huán)間維持良好的潤滑狀態(tài)，維護(hù)工作量較大；液壓緩沖器能將全部或大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能，不會(huì)產(chǎn)生反彈現(xiàn)象，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，維護(hù)檢修較麻煩，不宜用于碰撞頻繁的場合。橡膠緩沖器能將30%～50%的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能，不會(huì)劇烈的反彈現(xiàn)象，但溫度適應(yīng)性差，一般用于-30～+40 ℃；聚氨酯緩沖期緩沖性能好，緩沖過程平穩(wěn)，但壽命較短，一般適用于-30～+60 ℃[12]。

氣力緩沖器是以空氣為緩沖介質(zhì)，通過對空氣的壓縮實(shí)現(xiàn)吸收能量、緩沖的作用。氣力緩沖器根據(jù)緩沖工作方式可分為有驅(qū)動(dòng)缸類和無驅(qū)動(dòng)缸類兩種類型[13]。由于無驅(qū)動(dòng)缸類緩沖器工作方式的緩沖是個(gè)難點(diǎn)，容易出現(xiàn)末端反彈，所以，有缸類緩沖器是氣力緩沖器的主流。本文介紹一種有缸類柱塞式氣壓緩沖器結(jié)構(gòu)，并通過實(shí)驗(yàn)研究其緩沖性能。

1 柱塞式氣力緩沖器結(jié)構(gòu)

柱塞式氣力緩沖器主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包括碰撞件柱塞推桿7和柱塞8，構(gòu)成氣室10及緩沖器機(jī)體的缸體5，缸體上有排氣孔4，起密封作用的柱塞密封圈9(2個(gè))和導(dǎo)桿密封圈12(2個(gè))，起導(dǎo)向及在其中設(shè)計(jì)排氣孔道3的導(dǎo)桿11，換氣組件2，對導(dǎo)桿11起限位作用的導(dǎo)桿限位平鍵13和導(dǎo)桿限位圓環(huán)14，使柱塞復(fù)位的復(fù)位彈簧1，將緩沖器安裝于起重機(jī)上的法蘭盤6。

圖1 緩沖器整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of the buffer 1-復(fù)位彈簧；2-換氣組件；3-排氣孔道；4-排氣孔；5-缸體；6-法蘭盤；7-柱塞推桿；8-柱塞；9-柱塞密封圈；10-氣室；11-導(dǎo)桿；12-導(dǎo)桿密封圈；13-導(dǎo)桿限位平鍵；14-導(dǎo)桿限位圓環(huán)

該緩沖器主要結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)為：緩沖行程0.06 m；緩沖容量604.00 Nm；最大緩沖力21 333.33 N。

柱塞式氣力緩沖器的工作原理是：沖擊載荷作用于柱塞推桿時(shí)，使柱塞推桿及柱塞右移，壓縮密閉氣室內(nèi)空氣，將沖擊能轉(zhuǎn)換成空氣壓力能；隨著活塞的壓縮，氣室體積越來越小，空氣壓力越來越大，當(dāng)柱塞壓縮結(jié)束時(shí)，氣室內(nèi)壓力最大，此時(shí)排氣孔道與排氣孔接通并開始排氣，氣室內(nèi)空氣壓力快速降低；排氣結(jié)束后，復(fù)位彈簧使柱塞推桿、柱塞、柱塞導(dǎo)桿恢復(fù)至沖擊前的初始位置，在這個(gè)過程中，外界空氣通過換氣組件進(jìn)入氣室。

該氣力緩沖器相對于目前市場上普遍使用的氣力緩沖器，其顯著的結(jié)構(gòu)差異是：用柱塞上的換氣組件和柱塞推桿上排氣孔道代替了排氣及換氣閥門(如圖2所示)。換氣組件由橡膠環(huán)和金屬環(huán)疊加在一起，套裝在安裝螺釘上，當(dāng)緩沖器處于緩沖行程時(shí)，受氣體壓力作用，橡膠環(huán)和金屬環(huán)貼緊換氣孔，從而密閉了氣室；緩沖器回復(fù)過程中，橡膠環(huán)和金屬環(huán)與換氣孔分離，外界空氣通過換氣孔進(jìn)入氣室。柱塞推桿上的排氣孔道在緩沖行程接近終了時(shí)與氣缸體上的排氣孔接通，排出氣室內(nèi)的高壓氣體。此代替的優(yōu)點(diǎn)是零部件的加工精度及安裝精度顯著降低，降低了緩沖器的制造成本。

該緩沖器設(shè)計(jì)緩沖容量為640 J，緩沖行程為60 mm，最大緩沖力為21.33 kN。

圖2 換氣組件與排氣孔道Fig.2 Ventilation components and exhaust ports1-換氣組件；2-排氣孔道

2 柱塞式氣力緩沖器緩沖性能

2.1 緩沖性能測試方法

利用珠海三思計(jì)量儀器有限公司生產(chǎn)的高性能智能電子萬能試驗(yàn)機(jī)對緩沖器進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn)，分別通過力傳感器和位移傳感器測出試驗(yàn)力的大小和柱塞的位移，并得到載荷與位移關(guān)系曲線圖。共進(jìn)行3次試驗(yàn)，取3次試驗(yàn)平均值繪制緩沖曲線，如圖3所示。通過分析緩沖曲線，采用“方格法”計(jì)算緩沖元件的性能評價(jià)指標(biāo)：緩沖容量、緩沖效率和衰減系數(shù)[14]，計(jì)算方法見公式(1)～(3)。

E=S1-S2。

(1)

式中：E為緩沖容量；S1為壓縮曲線與位移軸所圍面積；S2為回復(fù)曲線與位移軸所圍面積。

(2)

式中：ηE為緩沖效率，%；S3為最大緩沖力與緩沖行程構(gòu)成的長方形面積，N·m。

(3)

式中：φE-衰減系數(shù)。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 緩沖曲線

通過緩沖曲線圖3可以看出，壓縮曲線可分為3個(gè)階段：緩沖階段、排氣階段與回復(fù)階段。緩沖階段曲線并未呈現(xiàn)出理想狀態(tài)下氣體壓力-容積的變化形態(tài)。這是由于緩沖器零部件眾多，存在微量漏氣和運(yùn)行阻力變化等因素，導(dǎo)致在氣體壓縮階段，即緩沖階段曲線1呈現(xiàn)曲折上升形態(tài)，壓縮終了時(shí)最大載荷為21 330N，此時(shí)，排氣通路接通，氣室內(nèi)高壓氣體迅速排出，氣室內(nèi)壓力迅速下降，排氣階段曲線2呈直線下降形態(tài)。

圖3 試驗(yàn)緩沖曲線Fig.3 The curve of buffer test1-緩沖階段；2-排氣階段；3-回復(fù)階段

氣力緩沖器相對于其他類型緩沖器的顯著特點(diǎn)有兩個(gè)，一是緩沖階段終了時(shí)，氣室內(nèi)高壓氣體迅速排出，沒有出現(xiàn)閥門(或溢流閥)型排氣在此時(shí)出現(xiàn)的高壓反彈情況；二是回復(fù)階段曲線載荷為0，在緩沖曲線中表現(xiàn)在回復(fù)階段曲線與位移軸線重合，本實(shí)驗(yàn)中，雖然存在復(fù)位彈簧，但由于復(fù)位彈簧剛性系數(shù)很小，在緩沖曲線中仍表現(xiàn)出回復(fù)階段曲線與位移軸線重合，如圖3所示。

2.2.2 緩沖特性

根據(jù)圖2，采用方格法計(jì)算緩沖特性指標(biāo)，結(jié)果為：緩沖容量600 J；緩沖效率46.88%；衰減系數(shù)100%。由于制造、安裝精度問題，緩沖容量只達(dá)到設(shè)計(jì)的93.75%，但其偏差未超過10%，是可以接受的。導(dǎo)致緩沖容量為達(dá)到設(shè)計(jì)能力的原因可能是：①緩沖器密封件磨合時(shí)間短；②試驗(yàn)中，萬能電子試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行速度低，沖擊速度慢；③實(shí)驗(yàn)中緩沖器豎直放置，導(dǎo)致了進(jìn)氣孔處平墊片密封不嚴(yán)密。

相對于以彈簧、橡膠、彈簧-橡膠、液壓各類型緩沖器，該柱塞式氣力緩沖器的緩沖效率和衰減系數(shù)顯著高于彈簧、橡膠、彈簧-橡膠等緩沖器[14-15]；緩沖效率低于液壓緩沖器[16-18]，而衰減系數(shù)高于液壓緩沖器(見表1)。液壓緩沖器雖然緩沖效率很高，但制造安裝要求精度高，而本文的柱塞式氣壓緩沖器安裝精度要求低，且兼有衰減系數(shù)高于液壓緩沖器的優(yōu)點(diǎn)。鑒于本文柱塞式氣壓緩沖器的緩沖特性，可省去復(fù)雜的緩沖器電子控制系統(tǒng)[19-20]。

表1 緩沖性能比較

3 結(jié)論

本文提出了一種用于起重機(jī)的新型柱塞式氣壓緩沖器，通過對緩沖器結(jié)構(gòu)和性能的分析得出如下結(jié)論：

(1)柱塞式氣壓緩沖器結(jié)構(gòu)簡單，制造安裝精度要求低，制造成本低。

(2)柱塞式氣壓緩沖器的緩沖效率和衰減系數(shù)分別為46.9%和100%，顯著高于彈簧、橡膠、彈簧-橡膠緩沖器；緩沖效率低于液壓緩沖器，而衰減系數(shù)高于液壓緩沖器。綜合制造安裝精度要求，柱塞式氣壓緩沖器優(yōu)于其他各類型緩沖器。

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Study on Structure and Performance ofA Plunger Pneumatic Buffer

Xu Hui，Huang Fanyu，Lu Siyu，Wang Xiyan，Wang Zhijun，Meng Chun*

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

This paper presented a new type of plunger pneumatic buffer for the crane.The buffer performance test was carried out on the base of the analysis of the buffer structure.Compared to the commonly used pneumatic buffers in current market，the significant structural difference is that the ventilation component on plunger and exhaust ports on plunger push rod are replaced by exhaust and ventilation valve respectively.The plunger pneumatic buffer has the advantages of simple structure，low accuracy requirements for manufacture and installation as well as low manufacturing cost.The results of buffer performance test showed that the efficiency and attenuation coefficient of the buffer was 46.88% and 100.00% respectively，which were better than buffers with spring，rubber and spring-rubber.The efficiency of the proposed buffer is lower than hydraulic buffer，but the attenuation coefficient is relatively higher.

Crane；plunger type buffer；buffer capacity；buffer efficiency；attenuation coefficient

2016-07-26

徐輝，碩士研究生。研究方向：森林工程。

*通信作者：孟春，博士，副教授。研究方向：森林工程。

徐輝，露思宇，王希妍，等.一種柱塞式氣力緩沖器結(jié)構(gòu)與性能研究[J].森林工程，2017，33(4)：55-57.

TH 137.5

A

1001-005X(2017)04-0055-03

E-mail：504973901@qq.com