活塞式混凝土泵液壓缸緩沖裝置性能分析及仿真計(jì)算

王吳光

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫 214153）

活塞式混凝土泵液壓缸緩沖裝置性能分析及仿真計(jì)算

王吳光

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫 214153）

活塞式混凝土泵被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑施工中，文章介紹了液壓缸緩沖裝置的工作原理，通過數(shù)學(xué)計(jì)算得到了增加緩沖裝置后系統(tǒng)壓力降低的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)該數(shù)學(xué)模型，在軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比仿真數(shù)據(jù)得出緩沖裝置能夠有效降低泵送液壓系統(tǒng)在換向工作過程中產(chǎn)生的壓力沖擊。

活塞式混凝土泵；緩沖裝置；性能分析;仿真計(jì)算

混凝土泵以其泵送量高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、工作效率高、輸送距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑施工中。其中活塞式混凝土泵因泵送高度高、壓力大、距離遠(yuǎn)，故占據(jù)混凝土泵的絕大多數(shù)。但這種泵工作時(shí)，活塞在到達(dá)止點(diǎn)時(shí)會(huì)存在瞬時(shí)的壓力峰值，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致整個(gè)泵送機(jī)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲，影響液壓系統(tǒng)某些元件的使用壽命和系統(tǒng)密封性能。為了解決這一問題，筆者嘗試在液壓缸活塞上裝配緩沖裝置，并通過仿真和理論計(jì)算對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。

一、液壓缸緩沖裝置工作原理

帶緩沖裝置的液壓缸如圖1所示，在活塞右側(cè)端面加裝了復(fù)位彈簧3和彈簧座4，并且在活塞桿5靠近活塞的端部開了A、B兩個(gè)節(jié)流孔。其中彈簧座4可以在活塞桿上軸向滑動(dòng)，并且彈簧座4與液壓缸內(nèi)壁之間有非常小的徑向間隙。

系統(tǒng)的壓力沖擊主要是因?yàn)榛钊砸欢ǖ乃俣扰c缸體發(fā)生剛性碰撞后，活塞在很短的時(shí)間內(nèi)反向運(yùn)行，使得液壓系統(tǒng)油壓瞬間增大，從而產(chǎn)生液壓沖擊。到達(dá)止點(diǎn)前，活塞的瞬時(shí)速度越高，活塞與缸壁碰撞反向運(yùn)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力沖擊就越強(qiáng)。若想降低壓力沖擊，則應(yīng)該降低活塞在換向前的運(yùn)行速度。為了保證泵送量不大幅度降低，故而降低活塞接近止點(diǎn)時(shí)的速度。

圖1 帶緩沖裝置的液壓缸

為了防止活塞到達(dá)右止點(diǎn)時(shí)與缸體發(fā)生剛性碰撞，當(dāng)活塞接近右止點(diǎn)時(shí)彈簧座4先與缸體6相接觸，活塞在左腔高壓作用下繼續(xù)右移，迫使封閉在活塞2與彈簧座4之間的液壓油從節(jié)流孔A、節(jié)流孔B以及彈簧座4與缸體6之間的徑向間隙經(jīng)活塞桿內(nèi)部油道流到緩沖座的右側(cè)，同時(shí)彈簧座沿活塞桿軸向移動(dòng)。由于節(jié)流孔A、節(jié)流孔B尺寸很小以及徑向間隙很小，油液在流過時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻尼力，將活塞的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成液壓油的內(nèi)能，迫使活塞運(yùn)動(dòng)減速，使其在與缸體發(fā)生碰撞時(shí)速度明顯下降，以此來降低液壓系統(tǒng)的壓力沖擊。

當(dāng)活塞桿上的節(jié)流孔B被彈簧座4封閉后，活塞2與彈簧座4之間的液壓油只能從節(jié)流孔A和彈簧座4與缸體6之間的徑向間隙經(jīng)活塞桿內(nèi)部油道流到緩沖座的右側(cè)，同時(shí)彈簧座沿活塞桿繼續(xù)移動(dòng)，使得由彈簧座、活塞、缸體以及活塞桿形成的空間容積進(jìn)一步減小。由于通流面積減小，所以活塞右移時(shí)受到更大的阻尼力，活塞將產(chǎn)生更大的負(fù)值加速度，即減速更快。

當(dāng)活塞桿上的節(jié)流孔A被彈簧座封閉后，活塞與彈簧座之間的液壓油只能從彈簧座與缸體之間的徑向間隙經(jīng)活塞桿內(nèi)部油道流到緩沖座的右側(cè)。由于通流面積進(jìn)一步減小，節(jié)流效果達(dá)到最大，活塞達(dá)到最大減速。

當(dāng)彈簧座與活塞的右端面接觸后，活塞與彈簧座就形成了一個(gè)相互接觸的整體，并與缸體接觸，緩沖過程終結(jié)。但由于此前緩沖裝置的作用，使得活塞的運(yùn)動(dòng)速度已經(jīng)得到一定程度的降低，所以此時(shí)活塞與缸體發(fā)生碰撞后所產(chǎn)生的壓力沖擊會(huì)有所降低。

二、液壓缸緩沖裝置性能分析

為了分析緩沖裝置的性能，將活塞頭部進(jìn)行放大，并在圖中標(biāo)識(shí)出計(jì)算過程中要使用的標(biāo)號(hào)，如圖2所示。

圖2 緩沖裝置結(jié)構(gòu)

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略諸如油液的可壓縮性、彈簧座移動(dòng)時(shí)所受到的摩擦力、油液溫度升高后粘度降低等次要因素的影響，在分析計(jì)算緩沖裝置性能之前，同樣需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型如圖3所示。

圖3 緩沖裝置計(jì)算模型

活塞桿和彈簧座的相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，活塞上所受到阻尼力并不相等，因此在不同時(shí)刻活塞的減速度也不相等。以彈簧座與缸體相接處為基準(zhǔn)，設(shè)活塞的位移為S。

從彈簧座的右端面與缸體接觸開始到彈簧座的左端面與活塞接觸，彈簧座相對(duì)于活塞運(yùn)動(dòng)的軸向距離為L(zhǎng)1+L2+L3，這期間活塞的運(yùn)動(dòng)速度從S0降至S3。

其中，L1、L2、L3是彈簧座相對(duì)于活塞運(yùn)動(dòng)的3段軸向距離；

dA—節(jié)流孔A直徑；

μ—油液動(dòng)力粘度；

La—節(jié)流孔A的長(zhǎng)度；

dh—液壓缸內(nèi)直徑；

Δ—彈簧座與液壓缸的單邊間隙；

L—彈簧座唇邊的長(zhǎng)度。

式（2）中，m—活塞桿總成的質(zhì)量。

設(shè)活塞向左運(yùn)動(dòng)距離為S后靜止，此時(shí)液壓勢(shì)能的增量為：

其中，K—油柱及配管系統(tǒng)的綜合剛度；

A—液壓缸活塞面積；

pe—換向前瞬間平衡狀態(tài)時(shí)液壓缸內(nèi)的壓力。由式（3）可以算得壓力增量為：A-pe

可知與無緩沖裝置相比，系統(tǒng)壓力降低量為：

聯(lián)立式（1）和（4）可知，裝配緩沖裝置后液壓系統(tǒng)的壓力降低為：

三、帶緩沖裝置泵送系統(tǒng)建模仿真

通過上述理論分析得到增加液壓緩沖裝置后系統(tǒng)壓力降低的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)該數(shù)學(xué)模型，在軟件中建立模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

仿真數(shù)據(jù)（見表1）對(duì)比結(jié)果表明，當(dāng)泵送系統(tǒng)無緩沖裝置時(shí)，低負(fù)載、高泵送量模式下活塞到達(dá)止點(diǎn)時(shí)的壓力峰值為32MPa，60s內(nèi)活塞運(yùn)行了9.66次；在高負(fù)載、低泵送量模式下活塞到達(dá)止點(diǎn)時(shí)的壓力峰值為29.1MPa，60s內(nèi)活塞運(yùn)行了6.27次；當(dāng)系統(tǒng)中有緩沖裝置時(shí)，低負(fù)載、高泵送量模式下活塞到達(dá)止點(diǎn)時(shí)的壓力峰值為27.2MPa，60s內(nèi)活塞運(yùn)行了9.86次；在高負(fù)載、低泵送量模式下活塞到達(dá)止點(diǎn)時(shí)的壓力峰值為26.6MPa，60s內(nèi)活塞運(yùn)行了6.32次。帶有緩沖裝置的泵送系統(tǒng)在低負(fù)載、高泵送量模式下工作時(shí)，活塞到達(dá)止點(diǎn)的壓力峰值比無緩沖裝置時(shí)的壓力峰值降低了15%（若將溢流閥的壓力升高，可能壓力峰值降低得會(huì)更多）；帶有緩沖裝置的泵送系統(tǒng)在高負(fù)載、低泵送量模式下工作時(shí)，活塞到達(dá)止點(diǎn)的壓力峰值要比沒有緩沖裝置時(shí)壓力峰值降低8.6%。說明當(dāng)泵送系統(tǒng)配置緩沖裝置時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊壓力比沒有緩沖裝置時(shí)的壓力要小，緩沖裝置能夠有效降低泵送液壓系統(tǒng)在換向工作過程中產(chǎn)生的壓力沖擊。

表1 有無緩沖裝置泵送系統(tǒng)仿真結(jié)果對(duì)比

四、結(jié)語

本文通過理論計(jì)算和仿真分析，證明混凝土泵液壓缸加裝緩沖裝置可有效降低泵送系統(tǒng)的壓力沖擊，降低噪聲，延長(zhǎng)液壓系統(tǒng)某些元件使用壽命和系統(tǒng)密封性。

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（編輯：林鋼）

Piston Concrete Pump Hydraulic Cylinder Buffer:Performance Analysis and Simulation Calculation

WANG Wu-guang
（School of Mechanical and Electrical Technology,Wuxi Institute of Commerce,Wuxi 214153，China）

Piston concrete pumps are widely used in modern construction projects.This paper first introduces the working principle of the hydraulic cylinder buffer device,and then by mathematical calculation gets a mathematical model with system pressure reduced after increasing hydraulic buffer devices.According to this mathematical model,it does simulation calculation with software,and,by comparing the simulation data,it comes to the conclusion that the buffer device can effectively reduce the pressure impact caused by the pumping hydraulic system working in different directions.

piston concrete pump;buffer;performance analysis;simulating calculation

TU 64

A

1671-4806（2017）03-0090-03

2017-04-06

王吳光（1981—），男，江蘇無錫人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)。