步進式新型緩沖液壓油缸結構及其性能研究

許傳斌 胡世全 王少忠 陶慶華

摘要：為了充分滿足重載、突變載荷以及高頻的作業(yè)需求，本文針對性設計了步進式新型緩沖液壓油缸，其具備節(jié)流功能與緩沖腔密封結構，屬于新型端面貼合式的高性能緩沖油缸。緩沖期間可以平穩(wěn)運行，且壓力峰值較小，性能明顯更為優(yōu)越。

關鍵詞：步進式；緩沖液壓；油缸結構；性能

前言

長期在高頻、重載以及突變載荷情況下，挖掘機與混凝土泵車為了滿足標準作業(yè)性能要求，必須使用高性能緩沖油缸。外控式緩沖油缸結構更為復雜且安裝空間較大，動態(tài)響應頻率較低，沒有得到廣泛采用。設備運行期間往往采用體積小、結構簡單且內設緩沖裝置的高性能緩沖油缸。油缸可以利用配合間隙密封與節(jié)流緩沖腔內的液壓油，順利完成緩沖。但這種油缸結構對緩沖孔與緩沖柱塞的要求較高，配合間隙較小，因此需要更高的加工精度。在緩沖期間，受配合間隙、長度以及節(jié)流槽通流面積等因素的影響，無法有效優(yōu)化其緩沖性能。同時，受重載因素的影響，反復插入柱塞也極易導致磨損失效問題。在此基礎上，本文分析了分離節(jié)流與密封功能的緩沖結構，研制了新型的端面貼合式緩沖油缸。

1.緩沖結構與工作原理

1.1緩沖結構

端面貼合式緩沖裝置具備大緩沖套2與小緩沖套6，活塞桿緩沖部位與各緩沖套之間采用了間隙配合結構，且可以實現相對滑動。技術人員將多條軸向均勻分布于可相對滑動的活塞桿上，并將緩沖套回位彈簧3與5設置于活塞與緩沖套之間，在小彈簧5作用下，小緩沖套6緊卡7左端面，在大彈簧3作用下，大緩沖套2靠緊活塞桿大緩沖部位的軸肩端面。具體見下圖1。

1.2緩沖原理

運行時，活塞桿1向右移動，端蓋8肩部端面與小緩沖套6端面貼合時，活塞右邊會形成高壓緩沖腔10，之后緩沖結構開始運行。活塞桿1繼續(xù)向右移動，緩沖腔內的油液會受到擠壓，壓力升高，在緩沖腔壓力作用下，小緩沖套6緊密貼合在端蓋8的上緩沖節(jié)流槽中。之后活塞桿1繼續(xù)右移，小彈簧5繼續(xù)唄壓縮，且隨著緩沖行程的增大，緩沖節(jié)流槽截面逐漸減小。受緩沖腔高壓油阻力的影響，活塞桿1速度減慢，使得緩沖作用趨于均勻。當活塞桿1接近終點時，速度逐漸減為零，緩沖腔內壓力減小至零，緩沖過程結束，油缸開始制動。

油缸開始反啟動時，活塞開始向左移動，端蓋8油孔開始流入油液，在壓縮彈簧的作用下，小緩沖套6向左移動小段距離，打開端蓋8與小緩沖套6的貼合端面，此時活塞桿1快速啟動。在小彈簧5作用下，小緩沖套6也開始復位啟動。相較柱塞插入式的緩沖裝置，此緩沖方式可以實現緩沖腔的密封與節(jié)流，提升了設備的緩沖性能與可靠性，降低了加工精度。

2.液壓油缸結構參數對緩沖的影響

2.1緩沖效果

在最短時間與緩沖行程內，油缸內緩沖裝置確?；钊３趾侠碡摷铀俣?，將初速度減小至適當值，這便是油缸緩沖效果。期間合理的負加速度保持在一定范圍內，反映了緩沖腔壓力的數值。圓柱形緩沖柱塞與排油孔之間的環(huán)形縫隙保持不變，柱塞接近緩沖孔口時，油液因緩沖會產生較大的減速度與緩沖壓力，緩沖壓力會達到幾倍的系統壓力。在設計期間，技術人員應做好節(jié)流柱塞與節(jié)流孔配合間隙參數的設定工作。當節(jié)流孔與節(jié)流柱塞的配合間隙較大時，緩沖裝置緩沖效果減小，因此緩沖裝置應具備較高的裝配精度與加工精度，且更多適用于低速小負載情況下。

臺階形緩沖柱塞進入緩沖孔時，隨著行程的增加，緩沖孔與緩沖柱塞之間的縫隙會越來越小，緩沖壓力也開始減小，活塞開始減速運動，制動時間減少。因此，相較圓柱形柱塞，臺階形緩沖柱塞具備更好的緩沖效果，可以在短時間內得到高速度的緩沖。

圓錐形緩沖柱塞的緩沖作用類似于節(jié)流閥緩沖作用，且環(huán)形間隙可以改變，且當緩沖柱塞圓柱瞬間進入緩沖孔時會出現較大的壓力。因此，技術人員設計期間應充分重視圓錐角與緩沖形成參數。

2.2結構參數對緩沖的影響

一是圓柱形緩沖柱塞與緩沖孔間隙越小，活塞進入縫隙節(jié)流的突變越大，緩沖時間越長，壓力峰值越大。但這種緩沖裝置會出現剛性沖擊，效果較差。二是臺階形緩沖柱塞運行期間，臺階間隙減小會增大緩沖腔壓力峰值，降低緩沖速度，反之亦然。為了確保緩沖腔壓力變化平穩(wěn)，設計人員應合理設計其間隙，減小緩沖末速度，降低剛性沖擊，適用于高速液壓缸活塞緩沖過程。三是減小圓錐形緩沖柱塞錐角，可以減小緩沖末速度，增大緩沖腔內壓力峰值，但這種柱塞結構卻并不合理，沒有得到有效應用。四是拋物線緩沖柱塞系數，隨著系數減小，緩沖末速度也會減小，緩沖腔內的壓力峰值隨之增大。且能量吸收與減速緩沖速度變化呈均勻程度，緩沖過程比較平穩(wěn)，屬于理想的緩沖方法。

3.優(yōu)化緩沖結構

油缸緩沖性能的設計關鍵在于節(jié)流槽，其可以節(jié)流緩沖腔液壓油。

3.1節(jié)流槽結構設計

在整個緩沖過程中，緩沖裝置應確保緩沖壓力的恒定性，期間活塞減速度為常數。且計算發(fā)現，為了確保節(jié)流槽實現勻減速緩沖運動，節(jié)流槽深度應由活塞開始向兩端逐漸加大，且深度變化為拋物線規(guī)律。但設計拋物線節(jié)流槽流程復雜，加工難度較大，因此文章中簡化處理其運行結構。

3.2緩沖性能分析

技術人員優(yōu)化了斜面式節(jié)流槽結構尺寸，提升了油缸的緩沖性能。優(yōu)化時技術人員分析了緩沖壓力與緩沖時間，建立了油缸仿真模型。優(yōu)化分析后，技術人員獲得了最優(yōu)緩沖性能下緩沖油缸節(jié)流槽的結構尺寸。

4.應用研究

4.1緩沖性能分析

優(yōu)化分析緩沖結構，本文研究了新型的步進式端面貼合緩沖油缸，并對緩沖性能進行了試驗分析。同等工況條件下，比較進口KYB油缸緩沖性能曲線與新型緩沖油缸緩沖性能曲線。

比較發(fā)現，兩個緩沖油缸具備大致相同的緩沖時間，且緩沖峰值壓力相對較低25%，整個緩沖過程中，油缸沒有出現抖動現象，緩沖效果良好。

4.2可靠性分析

在本緩沖裝置中，活塞桿與緩沖套之間保持滑動配合方式，選擇不同摩擦副配對材料、硬度差以及表面處理方式等因素進行正交試驗，發(fā)現“硬/硬”配對的摩擦副耐磨性更大，且可以在表面處理活塞桿與緩沖套后，提升了裝置的摩擦性能。同時，將平衡油槽浮動支撐技術應用至活塞桿，在緩沖套配合處設置環(huán)形平衡油槽，改善了摩擦副的潤滑情況。通過近百萬次的試驗發(fā)現，在模擬工況下，緩沖裝置并未出現磨損問題。

結束語

本文在研究緩沖液壓油缸結構時改變了節(jié)流與密封功能集于一體的緩沖設計方法，采用了分離緩沖腔節(jié)流與密封功能的設計方法，結合節(jié)流緩沖技術，研制了端面貼合式高性能緩沖油缸，在降低加工精度的基礎上提高了緩沖性能，具備更大的可靠性。

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