搖臂懸掛油缸端部阻尼孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

侯友山， 宋慧新， 段國(guó)柱

(中國(guó)北方車輛研究所 北京 100072)

某搖臂懸掛油缸端部設(shè)有用于降低端部峰值壓力和降低活塞運(yùn)動(dòng)速度的端部緩沖結(jié)構(gòu)，但在實(shí)際工作過(guò)程中仍發(fā)生高速運(yùn)動(dòng)活塞與端蓋剛性撞擊現(xiàn)象，油缸內(nèi)部伴有異響、噪聲等問(wèn)題，這是由于缸筒端蓋預(yù)設(shè)的阻尼孔尺寸偏大沒(méi)有起到預(yù)期的節(jié)流緩沖作用，無(wú)法正常抵消活塞運(yùn)動(dòng)的慣性力和液壓力的作用，所以活塞運(yùn)動(dòng)到末端時(shí)與端蓋發(fā)生剛性撞擊，造成端蓋部件損壞，并產(chǎn)生沖擊振動(dòng)和噪聲.因此有必要對(duì)某搖臂懸掛油缸端部阻尼孔直徑大小進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到緩沖目的[1-3].

1 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立

某搖臂懸掛外形如圖1所示，圖中油缸端部阻尼孔大小的設(shè)計(jì)基本原則是要求油缸端部油液峰值壓力及在有效行程內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)度最低.

圖1 某搖臂懸掛外形圖

某搖臂懸掛油缸端部阻尼孔緩沖結(jié)構(gòu)如圖2所示.當(dāng)活塞高速運(yùn)動(dòng)至行程末端時(shí)，活塞圓柱端進(jìn)入端蓋圓柱形凹腔，封閉腔的油液從油缸端蓋上的細(xì)長(zhǎng)阻尼孔流出.這時(shí)，排油阻力增大，封閉腔壓力升高，活塞行駛速度降低起到緩沖的作用.某懸掛油缸端部緩沖時(shí)要求盡量控制封閉腔液壓油的峰值壓力及降低活塞運(yùn)動(dòng)速度，以防止活塞與端蓋剛性撞擊及損壞密封.

圖2 油缸端部阻尼孔緩沖結(jié)構(gòu)示意圖

為了分析圓柱柱塞進(jìn)入端蓋凹腔后阻尼孔緩沖過(guò)程動(dòng)態(tài)特性，下面推導(dǎo)建立了油缸端部阻尼孔流量方程及活塞負(fù)載力平衡方程.推導(dǎo)方程時(shí)假設(shè)液壓油不可壓縮且不考慮粘性阻尼.

油缸端部緩沖腔流量q為

q=A·v.

(1)

式中：A為緩沖腔活塞有效面積，m2；v為活塞緩沖速度，m2/s.

緩沖腔阻尼孔流量q′為

(2)

式中：d為阻尼孔直徑，m;μ為油液動(dòng)力粘度，Pa·s；l為阻尼孔長(zhǎng)度，m；pl為緩沖腔壓力p1與排油腔壓力p2的壓力差，本模型中p2=0，pl=p1.

油缸活塞負(fù)載力平衡方程為

pl·A=m·a

(3)

式中：m為活塞及等效負(fù)載重量，kg；a為活塞運(yùn)動(dòng)減速度，m2/s.

活塞運(yùn)動(dòng)減速度a為

(4)

式中：v0為活塞緩沖初始速度，m/s;v為活塞緩沖速度，m/s;x為活塞位移，m.

聯(lián)立式(1)～式(4)可得緩沖腔壓力pl與活塞運(yùn)動(dòng)速度x的數(shù)學(xué)方程式：

(5)

2 實(shí)例分析

某搖臂懸掛油缸相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示.將表1數(shù)據(jù)代入到數(shù)學(xué)方程式(5)中并采用MATLAB進(jìn)行計(jì)算分析.

表1 某懸掛緩沖結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)

圖3是某搖臂懸掛油缸端部緩沖腔阻尼孔取值2 mm時(shí)所得出的位移-壓力-速度波動(dòng)曲線.從圖3中可看出，所選油缸端部緩沖腔阻尼孔尺寸為2 mm，當(dāng)活塞以0.8 m/s速度行至端部并開始減速制動(dòng)時(shí)，端部封閉緩沖腔最大壓力約2.1 MPa.活塞行程20 mm(圓柱塞有效深度尺寸)后緩沖腔壓力降至約1.8 MPa.活塞在緩沖區(qū)內(nèi)的速度由初速度0.8 m/s降至0.6 m/s，速度降低并不明顯，0.6 m/s的速度仍將導(dǎo)致活塞快速與缸筒端蓋發(fā)生剛性撞擊.圖3表明，某搖臂懸掛油缸端部緩沖阻尼節(jié)流口尺寸設(shè)計(jì)取值為2 mm不合適，該2 mm阻尼孔沒(méi)有起到預(yù)期的緩沖作用，需要進(jìn)一步減小阻尼孔尺寸.

圖3 阻尼孔2 mm對(duì)應(yīng)的位移-壓力-速度曲線

圖4是某搖臂懸掛油缸端部緩沖腔阻尼孔取值不同時(shí)所得出的位移-壓力波動(dòng)曲線.從中可以得知，阻尼孔分別取值2 mm、1.5 mm、1.2 mm、1 mm、0.8 mm、0.5 mm時(shí)，緩沖腔峰值壓力分別達(dá)到約2 MPa、8 MPa、16 Mpa、34 MPa、75 MPa、90 MPa.搖臂懸掛油缸端部密封靜壓力不宜高于40 MPa，所以依據(jù)圖4，建議阻尼孔尺寸可在1～2 mm間選取.

圖4 緩沖腔位移-壓力-速度曲線

圖5是某搖臂懸掛油缸端部緩沖腔阻尼孔取值不同時(shí)所得出的位移-速度波動(dòng)曲線.從中可以得知，在20 mm緩沖位移內(nèi)，阻尼孔分別取值2 mm、1.5 mm、1.2 mm、1 mm、0.8 mm、0.5 mm時(shí)，活塞速度分別減至約0、0.05 m/s、0.08 m/s、0.17 m/s、0.35 m/s、0.6 m/s.所以，建議阻尼孔尺寸可在0.5～1.2 mm間選取.

由圖4、圖5可知，某搖臂懸掛油缸端部緩沖腔阻尼孔尺寸建議取值1.2 mm，對(duì)應(yīng)的緩沖腔峰值壓力為16 MPa左右，而活塞速度能迅速降至0.17 m/s左右，峰值壓力控制在密封耐壓范圍內(nèi)且振動(dòng)與噪聲控制效果最好.

圖5 緩沖腔位移-壓力曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

為了降低搖臂懸掛工作過(guò)程中油缸端部緩沖腔峰值壓力及活塞與端蓋碰撞產(chǎn)生的噪聲，以油缸端部的峰值壓力及活塞運(yùn)動(dòng)速度為優(yōu)化目標(biāo),建立了搖臂懸掛油缸端部阻尼孔緩沖結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，基于MATLAB建立了仿真模型并對(duì)高速緩沖過(guò)程動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析.通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，確定了油缸端部阻尼孔最優(yōu)直徑尺寸為1.2 mm時(shí)，油缸端部峰值壓力降至16 MPa，活塞速度降至0.17 m/s，實(shí)現(xiàn)了峰值壓力及活塞運(yùn)動(dòng)速度的最低控制.

[1] 陳冰冰,壽松喬.液壓缸緩沖結(jié)構(gòu)的分析與計(jì)算[J].機(jī)電工程,1999,(5):239-241.

[2] 武曉鳳,趙秋霞，姚平善.液壓缸復(fù)合緩沖結(jié)構(gòu)及緩沖過(guò)程的分析[J].液壓與氣動(dòng),2013,(3):23-26.

[3] 張 雷.一種液壓缸緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2012,(5):40-42.