可調(diào)式液壓缸緩沖裝置設(shè)計(jì)及其緩沖過程研究①

丁響林， 闞玉錦， 蘇 進(jìn)

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

0 引 言

隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，高壓、高速、高效、低噪、高可靠性等要求逐漸成為液壓系統(tǒng)的必備要求[1]。而液壓缸作為液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，其緩沖性能是實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)高速、高壓效果的關(guān)鍵[2]。

常見的液壓緩沖裝置從結(jié)構(gòu)上而言主要有節(jié)流孔式和環(huán)形間隙式兩種，與機(jī)械緩沖裝置相比，避免了緩沖彈簧回彈和震蕩的情況發(fā)生[3]。但常規(guī)的液壓緩沖裝置在進(jìn)入緩沖過程時(shí)，緩沖腔內(nèi)的壓力快速升高，極易產(chǎn)生脈沖壓力，導(dǎo)致液壓缸內(nèi)的密封件及液壓系統(tǒng)內(nèi)其他元件的損壞[4]。改變節(jié)流孔的的大小和排列方式，或者改變環(huán)形間隙的結(jié)構(gòu)形狀，可以有效的改善脈沖沖擊現(xiàn)象[5]，但這種改進(jìn)又導(dǎo)致液壓缸的設(shè)計(jì)難度和制造難度加大，制造成本增加，且適用范圍較小，無法大規(guī)模應(yīng)用。結(jié)合氣體易壓縮的特性和液壓油無法壓縮的特性，使用壓縮空氣或其他氣體作為液壓缸的緩沖裝置可以有效的改善液壓缸的緩沖效果[6]，而且設(shè)計(jì)、制造簡單，制造成本低，緩沖范圍可以大范圍調(diào)節(jié)，能夠適用于大部分的液壓缸使用工況。另外，壓縮氣體膨脹時(shí)可以對液壓缸反向做功，從而提高液壓缸換向的啟動(dòng)速度，節(jié)約液壓缸的使用成本[7]。

1 液壓緩沖裝置原理分析

氣體具備可壓縮性，且氣體被壓縮后氣體的溫度降低而內(nèi)能增加，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)能向氣體內(nèi)能的轉(zhuǎn)換。壓縮氣體在很多行業(yè)都有應(yīng)用，如空氣彈簧、氣缸等[8]。文中利用空氣彈簧的減振緩沖原理，與氣缸相結(jié)合，將其應(yīng)用于液壓缸內(nèi)部，連接氣缸活塞與液壓缸活塞，以壓縮空氣為阻力實(shí)現(xiàn)液壓缸換向時(shí)的緩沖功能，其工作原理如圖1所示：

圖1 氣缸緩沖工作原理

因氣缸僅用于實(shí)現(xiàn)液壓缸的緩沖功能，行程與液壓缸不同，故氣缸活塞與液壓缸活塞無法直接進(jìn)行固定連接。同時(shí)，為避免液壓缸活塞與連接桿產(chǎn)生剛性碰撞，連接桿替換為液壓油，利用液壓油的不可壓縮特性傳遞活塞運(yùn)動(dòng)。液壓缸在運(yùn)行過程中，液壓油始終與液壓缸活塞及氣缸活塞接觸，且隨液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)，可以極大程度避免脈沖沖擊，其原理如圖2所示：

氣缸的無桿腔內(nèi)充滿了壓縮氣體，并根據(jù)緩沖性能要求設(shè)定其初始壓力。液壓缸有桿腔進(jìn)油、無桿腔出油時(shí)，液壓缸無桿腔壓力為零，氣缸內(nèi)氣體膨脹，體積最大，氣缸活塞與限位塊接觸；液壓缸進(jìn)入緩沖階段時(shí)，液壓缸無桿腔進(jìn)油口、出油口均關(guān)閉，液壓缸活塞在慣性作用力下壓縮氣體，氣缸活塞隨液壓缸活塞向左移動(dòng)，氣體壓強(qiáng)增加，實(shí)現(xiàn)緩沖效果。

在液壓缸進(jìn)入緩沖階段后，隨著液壓缸活塞開始減速至停止?fàn)顟B(tài)，氣缸活塞也隨之逐漸向左運(yùn)動(dòng)壓縮氣體，氣缸內(nèi)氣體的壓力越大，對液壓缸活塞的減速效果越好，該過程與彈簧壓縮相似。但與常規(guī)的彈簧緩沖裝置不同的是，使用壓縮氣體緩沖不僅可以調(diào)整緩沖效果，而且緩沖范圍大，緩沖過程穩(wěn)定且可控，同時(shí)也避免了彈簧緩沖裝置的回彈及振蕩現(xiàn)象。

2 液壓緩沖裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)該緩沖裝置的工作原理和緩沖流程，將液壓缸的端蓋替換為氣缸，其結(jié)構(gòu)簡圖如下：

圖2 氣體壓縮緩沖原理

圖3 液壓緩沖裝置結(jié)構(gòu)簡圖

氣缸缸體與液壓缸缸體之間設(shè)計(jì)有限位塊，用于限制氣缸活塞和液壓缸活塞的位置，避免兩者直接發(fā)生剛性碰撞，限位塊內(nèi)置金屬骨架，以聚氨酯等具備靜密封效果且有一定彈性的材質(zhì)包裹。氣缸缸體上設(shè)計(jì)有進(jìn)、出氣口，與控制閥及壓力表相連，用于控制氣缸內(nèi)的氣體壓力。液壓缸無桿腔的安裝孔一個(gè)用于安裝接近開關(guān)，一個(gè)用于連接電磁閥。

3 緩沖過程分析

液壓缸活塞桿回縮時(shí)，液壓缸活塞經(jīng)過接近開關(guān)位置，觸發(fā)電信號(hào)，液壓缸有桿腔的進(jìn)油口電磁閥切換，使有桿腔與油箱聯(lián)通；同時(shí)，無桿腔電磁閥切換，逐漸關(guān)閉無桿腔出油口。因液壓油無法壓縮，液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)通過液壓油傳遞至氣缸活塞，在無桿腔出油口逐漸關(guān)閉的過程中氣缸活塞逐漸加速至與液壓缸活塞速度相同，并對氣體壓縮。氣體壓力的大小與液壓缸活塞的加速度及液壓缸活塞密封件與缸體之間的摩擦力有關(guān)，當(dāng)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度降低至零時(shí)，氣體壓力達(dá)到最大值，該壓力推動(dòng)液壓缸反向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)液壓缸無桿腔的電磁閥開啟，使無桿腔與進(jìn)油口聯(lián)通，推動(dòng)液壓缸活塞換向。此時(shí)，液壓缸有桿腔與油箱聯(lián)通，有桿腔壓力為零。液壓缸換向緩沖流程示意圖如圖4所示：

圖4 換向緩沖流程示意圖

液壓缸活塞桿回縮時(shí)，液壓缸無桿腔與油箱聯(lián)通，無桿腔壓力為零。此時(shí)氣缸進(jìn)、出氣口控制閥關(guān)閉，氣缸內(nèi)氣體存在一定壓力，以保持氣缸活塞與限位塊始終接觸。在液壓缸進(jìn)入緩沖過程時(shí)，與氣缸缸體連接的控制閥關(guān)閉，使氣缸缸體內(nèi)的氣體總量保持不變，則氣缸內(nèi)的壓力大小與氣缸活塞到缸體端面的距離成正比，即：

(1)

式中，P0為氣缸內(nèi)氣體的初始壓力，L0為氣缸活塞到缸體端面的最大距離。因液壓缸無桿腔與油路不聯(lián)通，且液壓油不可壓縮，則液壓缸活塞的位移與氣缸活塞的位移相同。液壓缸活塞的位移為：

(2)

式中，v0為液壓缸活塞進(jìn)入緩沖過程前的運(yùn)動(dòng)速度，t為緩沖時(shí)間，a為液壓缸活塞緩沖過程中的瞬時(shí)加速度。對于理想的液壓緩沖過程而言，緩沖過程中的速度曲線以拋物線最佳，即瞬時(shí)加速度由0線性增大(該加速度為負(fù)值)，由牛頓定律可得：

PS=(m1+m2+m3)a

(3)

式中，S為氣缸的有效橫截面積，m1、m2、m3分別為液壓缸活塞及活塞桿、液壓油、氣缸活塞的質(zhì)量，忽略液壓缸活塞和氣缸活塞的摩擦阻力，由此可得：

(4)

即：

(5)

將液壓缸和氣缸的相關(guān)參數(shù)代入公式(5)中，對加速度和時(shí)間求導(dǎo)，根據(jù)液壓缸的緩沖性能要求確定液壓缸的緩沖時(shí)間及加速度曲線，并以此確定氣缸的初始壓力P0和氣缸活塞的行程。

液壓缸的緩沖過程，即是氣缸活塞對氣缸內(nèi)氣體的壓縮做功的過程，將液壓缸的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為了氣體的內(nèi)能。但在實(shí)際的緩沖過程中，液壓缸無桿腔出油口并非瞬時(shí)關(guān)閉，而是將出油口的流通面積逐漸縮小至零，以避免脈沖沖擊的現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí)，氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度逐漸增大，當(dāng)其速度與液壓缸速度相同時(shí)，液壓缸無桿腔出油口完全關(guān)閉，兩者運(yùn)動(dòng)速度同步下降，其速度曲線如圖5所示。

圖5 活塞速度曲線

當(dāng)液壓缸活塞速度降為零時(shí)，緩沖過程結(jié)束，控制系統(tǒng)發(fā)出換向指令，液壓缸無桿腔進(jìn)油，無桿腔內(nèi)壓力逐漸增加，推動(dòng)活塞桿伸出。在此過程中，氣缸內(nèi)壓力比液壓缸無桿腔內(nèi)壓力大，氣體膨脹做功，通過液壓油推動(dòng)液壓缸活塞做功，加快液壓缸的啟動(dòng)速度，其速度曲線如圖6所示。

在緩沖階段，氣缸活塞對氣缸內(nèi)氣體的壓縮使氣體的溫度降低而壓強(qiáng)增大，液壓缸換向后氣體膨脹，氣體的溫度升高而壓強(qiáng)減小，但由于液壓缸的緩沖時(shí)間很短，氣體壓縮、膨脹的做功過程可看作絕熱做功。若忽略密封件 你和缸體之間的摩擦力做功，該緩沖裝置將緩沖前的動(dòng)能通過壓縮氣體轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能，液壓缸換向后氣體膨脹，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為液壓缸的動(dòng)能，能夠大幅度降低液壓缸換向過程中的能量損失，節(jié)約液壓缸的使用成本。

圖6 活塞換向啟動(dòng)速度曲線

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的液壓缸緩沖裝置通過利用氣體易壓縮和液壓油不可壓縮的特性，設(shè)計(jì)了一種新型的液壓缸緩沖裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單容易加工，生產(chǎn)成本低，而且緩沖效果好，適用范圍大，可應(yīng)用與大多數(shù)類型的液壓缸。通過對緩沖過程進(jìn)行分析，確認(rèn)了該緩沖裝置與傳統(tǒng)的機(jī)械緩沖或液壓緩沖對比的優(yōu)勢，為液壓缸緩沖性能的改進(jìn)提供了參考依據(jù)。