關(guān)于液壓缸緩沖裝置設(shè)計的研究

戴寬強

（廣西機電技師學(xué)院，廣西 柳州 545005）

在科技發(fā)展迅猛的當(dāng)今社會，工程器械已經(jīng)成了重要的工具，而液壓缸則是其中重要的執(zhí)行機構(gòu)。而緩沖裝置顧名思義是起到器械緩沖作用的裝置，工程器械在高速度運轉(zhuǎn)的工作過程中，在行程終點不可避免的會產(chǎn)生巨大的沖擊力，此時就需要緩沖裝置進行速度降解，以免造成器械的磨損和毀壞。

1 我國現(xiàn)今的液壓油缸的緩沖裝置

液壓油缸作為生產(chǎn)機械，是通過直線往復(fù)擺動運動將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。液壓缸基本上由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置組成。液壓油缸發(fā)展至今已有多種結(jié)構(gòu)形式，可以由運動方式、結(jié)構(gòu)形式、受壓力作用等分類，而按結(jié)構(gòu)形式的分類，可分為三大類，實現(xiàn)直線往復(fù)運動的有活塞缸和柱塞缸，而實現(xiàn)擺動運動輸出角速度的則是擺動缸。

在我國，液壓缸中常見的幾種緩沖裝置，第一是圓柱形環(huán)隙式，當(dāng)緩沖柱塞進入缸蓋內(nèi)孔時，缸蓋和活塞間形成緩沖腔，排油腔的液壓油只能從環(huán)形間隙中擠出，利用增大阻力來減緩活塞運動的速度，這種裝置因為阻力的瞬間增大可以在緩沖最開始時達(dá)到效果，但是后期的緩沖效果并不明顯。第二是可變節(jié)流槽式，這種裝置的緩沖柱塞是三角槽式結(jié)構(gòu)。這種緩沖裝置將緩沖柱塞放入液壓油缸中，利用緩沖柱塞三角槽的結(jié)構(gòu)，使油液推動柱塞移動以達(dá)到緩沖的效果，這種緩沖方式較為均衡，沖擊性小，制動時的位置精度高。第三是可調(diào)節(jié)流孔式。這種裝置是利用節(jié)流閥的節(jié)流作用，而可調(diào)節(jié)是指通過改變節(jié)流閥的大小或者形狀來調(diào)節(jié)通過節(jié)流閥的油液面積，以此達(dá)到節(jié)流量不同，節(jié)流速度改變的效果。

2 液壓油缸緩沖裝置原理

常見的液壓油缸緩沖裝置是通過節(jié)流裝置減緩油液速度，以達(dá)到緩沖的目的。一般分為固定式和可調(diào)節(jié)式。固定的節(jié)流緩沖方式由于液壓油缸在工作過程中帶有負(fù)載，而油缸內(nèi)的壓力再加上負(fù)載的壓力會在液壓油缸的工作過程中產(chǎn)生巨大的沖擊力，而固定的節(jié)流緩沖裝置在此時要承受這種沖擊力并且實現(xiàn)節(jié)流緩沖的功能，這會對緩沖裝置造成極大的損傷，久而久之緩沖裝置就會損壞，這樣不僅不利于生產(chǎn)的安全性同時也提高了生產(chǎn)成本。所以固定節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)只適用于低速、輕載的簡單油缸。所以在高速、重載的情況下，一般選用可調(diào)節(jié)流方式的緩沖裝置。當(dāng)緩沖柱塞進入油缸緩沖腔時，隨著油液的推動作用，柱塞的凸臺進入凹腔，且它們之間的間隙很小，而油腔內(nèi)的油液只能由節(jié)流口流出，此時通道閉合，液阻變大，在回油腔中形成背壓，從而實現(xiàn)液壓油缸的活塞緩沖功能。而之所以說是可調(diào)節(jié)流方式，是因為通過調(diào)節(jié)節(jié)流口的口徑大小就可以調(diào)節(jié)流速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)緩沖速度的目的。

3 新型高速液壓缸內(nèi)緩沖裝置的設(shè)計

3.1 緩沖裝置結(jié)構(gòu)

通過前文中對于液壓油缸緩沖裝置的了解，以此為依據(jù)設(shè)計高速液壓油缸的緩沖裝置，高速液壓油缸的活塞速度可達(dá)到5m/s，在如此的速度之下，必須使用緩沖裝置進行緩沖，這要求緩沖裝置可以使高速液壓油缸內(nèi)活塞在運動到油缸終端時速度降為零，以此來達(dá)到避免活塞與油缸尾部撞擊的目的，避免器械的損毀和對工作人員安全的威脅。而如上文中所提到的傳統(tǒng)液壓油缸緩沖裝置是不足以應(yīng)對高速液壓油缸的緩沖要求。

首先，傳統(tǒng)緩沖裝置只是單程緩沖，其次，緩沖裝置就位于油缸尾端，當(dāng)油液速度較大時，產(chǎn)生的沖擊力度不能在這較短的行程中達(dá)到速度降為零，而且傳統(tǒng)緩沖裝置利用的是油缸內(nèi)部所產(chǎn)生的壓力，當(dāng)速度增大時，壓力會呈幾何倍數(shù)劇增，就要求油缸內(nèi)壁要增厚以此來抵擋劇增的內(nèi)部壓力，這也就是導(dǎo)致了液壓油缸的質(zhì)量增大。所以在高速液壓油缸中使用傳統(tǒng)的緩沖裝置不僅達(dá)不到應(yīng)有的效果，反而增加了人力物力的損耗，并不可取。

而根據(jù)高速液壓油缸特點設(shè)計的緩沖裝置，其中活塞桿有四個臺階軸用來放置和固定活塞和擋塊，螺母顧名思義是起到將活塞與活塞桿固定在一起的作用。而擋塊設(shè)計為圓錐形，圓錐形使得流過油液在橫截面的面積是不斷改變的，同時油液的體積也是不斷改變的，這都有益于高速油液的減速運動。

在高速液壓油缸工作時，活塞進入緩沖腔被油液推動到形成末端時，擋塊被末端的限位裝置卡住，但時在油液的推動和慣性作用下，活塞仍會向前運動，此時，活塞與擋塊之間出現(xiàn)圓錐形的縫隙達(dá)到了限流的作用，緩沖腔內(nèi)產(chǎn)生壓力，但同時復(fù)位彈簧也起到了緩沖的作用使得壓力不會劇增，保護了油缸的安全性，而且此裝置還可以根據(jù)不同的油缸特性更換不同的擋板以適應(yīng)環(huán)境。

3.2 新型緩沖裝置設(shè)計可行性

在通過對改進的緩沖裝置的仿真后，其結(jié)果如圖1所示，加入緩沖裝置和未加入緩沖裝置的緩沖效果對比。而實驗主要通過速度與位移的比值來表現(xiàn)緩沖效果。

在速度與位移的曲線圖中（如圖2）可以看出，未加緩沖裝置的液壓油缸中將油液速度降為零的過程中，實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)斜率幾乎為90度的直線段，由此可知，沒有緩沖裝置的液壓油缸，油液以高速沖至油缸尾部與尾部器件發(fā)生劇烈碰撞導(dǎo)致油液驟停，在極段的時間內(nèi)速度降為零。在圖中可以看出雖然降速效果明顯，但是實際對液壓油缸尾部器械產(chǎn)生極大的損害，這種方法并不可取。而加入緩沖裝置的液壓油缸中將油液速度降為零的過程中，實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)斜率較為舒緩的曲線段，這是緩沖裝置在起作用，雖然花費的時間較長，但是油液的速度以更安全的方式降為零。由實驗可以看出，緩沖裝置的設(shè)計是成功的。改進后的緩沖裝置的速度降解作用是非常有效的。

伴隨著速度降解所帶來的緩沖腔內(nèi)壓力增大的問題，解決辦法是在仿真過程中采用了不同形狀的擋塊模型，以此來推斷哪種形狀的擋塊更有利于緩解速度帶來的壓力劇增，而由圖2可以看出使用擋塊a時緩沖腔內(nèi)壓力較小平均低于3MPa，但是緩沖行程增長，而使用擋塊b時緩沖腔內(nèi)壓力較大，特別是處于緩沖階段的前期，緩沖腔內(nèi)壓力平均為10MPa，相對的緩沖行程減短，而擋塊a和b的區(qū)別在于擋塊a的頂部圓環(huán)直徑為39mm，底部圓環(huán)直徑為39．5mm，而擋塊b的頂端和尾端的圓環(huán)直徑均略大于擋塊a，以此推斷擋塊的內(nèi)外環(huán)直徑要偏小，使得間隙范圍擴大，從而減小內(nèi)部的壓強，而相對的當(dāng)間隙擴大時，緩沖作用就會減弱，所以，最終需要尋求一個平衡值來滿足兩方要求。

圖1 加入緩沖裝置與未加入緩沖裝置的速度/位移曲線

圖2 不同擋板的緩沖裝置的緩沖壓力

4 結(jié)語

文章主要通過研究了液壓油缸緩沖裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，以此引發(fā)思考并設(shè)計出高速液壓油缸的新型緩沖裝置，對于此緩沖裝置在工作原理上與傳統(tǒng)裝置并無太大差別。此次改進是在緩沖裝置的結(jié)構(gòu)上進一步優(yōu)化，主要通過改變擋板的形狀來增大增強緩沖的效果，同時增加復(fù)位彈簧來使得緩沖過程中壓力不會劇增。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)改進的緩沖裝置基本能夠滿足高速液壓油缸的要求，此次改進設(shè)計是完全成功的。

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