一種內(nèi)置雙向混合型緩沖油缸

韓 曉 武麗明 甄延波 馬雷鵬 秦 俊 駱新營

一種內(nèi)置雙向混合型緩沖油缸

韓 曉 武麗明 甄延波 馬雷鵬 秦 俊 駱新營

（山西航天清華裝備有限責任公司，長治 046012）

以某型號車輛為研究對象，依據(jù)緩沖理論，分析現(xiàn)有緩沖裝置利弊，研制了一種升降油缸伸收行程末端有效的混合緩沖裝置，通過計算論證，1:1仿真平臺試驗，驗證了此緩沖裝置達到預期效果，得到了成功應用。

混合緩沖裝置；緩沖壓力；沖擊；仿真試驗

1 引言

圖1 車輛示意圖

某車輛裝備（包括許多工程機械）上的一種升降油缸（如圖1），用于舉升旋轉(zhuǎn)裝置（如起豎筒、天線、料斗等）到設計角度，當旋轉(zhuǎn)裝置重心超過回轉(zhuǎn)支耳，在自重分力與慣性力作用下，不斷加速下降，由于速度較快或持量較大，在行程末端會引起機械碰撞，產(chǎn)生很大的振動沖擊和噪聲，數(shù)倍增加的拉力甚至會導致活塞桿拉斷或缸蓋損壞[1，2]；油缸反向回拉旋轉(zhuǎn)裝置到一定角度后，同樣會加速回縮，機械撞擊與沖擊壓力會引發(fā)活塞桿失衡、缸底損壞。因此，升降油缸需要在伸出與收回兩端行程結(jié)束前設置理想的緩沖裝置，以保證系統(tǒng)運行平穩(wěn)，減少整個設備額外損害，延長機械壽命。

目前油缸伸出端緩沖的有缸內(nèi)、缸外加裝緩沖裝置兩種方法；兩端需要緩沖時，只有液壓系統(tǒng)中增加緩沖閥回路一種。為順應工業(yè)技術(shù)高、精、尖現(xiàn)代化要求，油缸也向著多功能復合型發(fā)展，集成型內(nèi)置雙向緩沖油缸為優(yōu)選。

2 理論分析

內(nèi)置緩沖裝置結(jié)構(gòu)復雜，如果設計不合理，緩沖節(jié)流口過小，排油通道被突然阻斷，油流面積變化大，油腔有類似封閉的現(xiàn)象，活塞減速快，在緩沖起點或終點出現(xiàn)加速度突變，產(chǎn)生很大的沖擊，出現(xiàn)軟沖擊，軟沖擊同樣會造成油缸的機械沖擊。同時緩沖間隙過小形成死腔，活塞運動被卡，油缸行程出現(xiàn)不能完全移動到位的現(xiàn)象，會造成回油壓力過高，油缸過載嚴重，對油缸造成危害；緩沖節(jié)流口過大，緩沖結(jié)束時由于油缸機械能不能完全被吸收，一部分殘留的能量作用于油缸端部，仍然會有剩余的速度和作用力存在。

變節(jié)流式緩沖裝置節(jié)流面積隨著緩沖行程由開始到結(jié)束而由大變小，緩沖壓力由小變大，緩沖軟沖擊小，緩沖效果相對好些[2]，為內(nèi)置式緩沖裝置首選結(jié)構(gòu)。

變節(jié)流緩沖主要有階梯形、圓錐形、拋物線形、溝槽形與多孔形。理論分析與AMEsim、Matlab、Simulink軟件仿真，得出除拋物線形與等減速和恒定的緩沖壓力非常近似外，其余各緩沖形式的緩沖效果都有著不同的缺陷與不足。拋物線形制造困難，對加工操作與設備的要求較高，極大地限制了該結(jié)構(gòu)的實際應用[3，4]。需要一種在緩沖開始和結(jié)束時都不產(chǎn)生沖擊，制造容易的新型雙向內(nèi)置式緩沖裝置。

3 結(jié)構(gòu)設計與工作原理

本作者打破傳統(tǒng)思路，設計了一種兩端有效可靠緩沖的組合型內(nèi)置集成化油缸。

3.1 結(jié)構(gòu)介紹

本設計不改變油缸外型結(jié)構(gòu)、安裝形式、液壓系統(tǒng)供油與控制方式，通過改進內(nèi)部構(gòu)造，使油缸滿足緩沖使用需要（緩沖裝置結(jié)構(gòu)如圖2）。

圖2 緩沖裝置結(jié)構(gòu)圖

油缸缸底加裝帶閥的油路通道體，通道體外型總體為前端帶錐度的柱體，柱體上加工帶角度的節(jié)流槽，通道體另一端與缸底密封連接?；钊O置油流通道，配合通道體，完成油缸收回到行程結(jié)束前緩沖（如圖2a）；活塞桿末端設置節(jié)流臺階，臺階開始段為錐度的錐體，臺階軸向設置帶角度的節(jié)流槽，活塞桿與活塞密封連接，阻斷兩腔油流（如圖2b）；缸蓋加裝閥，與活塞桿完成伸出緩沖。

3.2 工作原理

活塞桿伸出到緩沖臺階時，與缸蓋孔形成圓錐形環(huán)隙式與變截面槽形混合緩沖裝置，節(jié)流面積隨行程而變化，減速均勻，其緩沖效果與拋物線形相當。之后環(huán)形錐孔封閉，油液通過圓柱段上軸向斜槽節(jié)流，緩沖徹底。

活塞桿收回到緩沖臺階時，缸底油路通道體錐面和變截面槽一起與活塞內(nèi)孔形成混合式緩沖裝置。之后環(huán)形節(jié)流孔封閉，通過通道體圓柱上軸向斜槽節(jié)流。

4 設計計算

這種裝置的緩沖效果主要取決于結(jié)構(gòu)圓錐與斜槽角度及邊長，具體選擇應結(jié)合實際使用要求。用能量法進行設計計算，要得到理想的緩沖效果，緩沖液壓能h應將全部機械能與供油能的總和j吸收，則應：

（2）

式中：c為緩沖腔的平均壓力；A為緩沖腔有效面積；4為緩沖腔長度。

式中：0為進油口壓力；為活塞直徑；為活塞桿直徑；1為圓錐段長度；0為緩沖開始活塞的速度；1為緩沖過程中活塞的速度；為作用在活塞桿的總力；d為緩沖腔直徑。

式中：j為油缸所受的機械能總和；1為旋轉(zhuǎn)裝置慣性力產(chǎn)生的動能；2為反向摩擦力消耗的能量；3為旋轉(zhuǎn)裝置重力作用產(chǎn)生的能量；4為作用于活塞上的液壓動能。

式中：為旋轉(zhuǎn)裝置角速度；J為旋轉(zhuǎn)裝置繞回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；為摩擦力；為旋轉(zhuǎn)裝置重量；為油缸供油工作壓力；為油缸活塞作用面積。

式中：J為旋轉(zhuǎn)裝置繞其質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動慣量；為旋轉(zhuǎn)裝置質(zhì)量(=/)；l為旋轉(zhuǎn)裝置中心與回轉(zhuǎn)軸間距。

決定混合緩沖裝置緩沖效果的主要參數(shù)為：緩沖裝置錐的斜率、槽的斜率與槽的寬度。據(jù)油缸所處應用場合與技術(shù)條件的不同，對緩沖裝置結(jié)構(gòu)尺寸進行設計調(diào)整，可完成不同的緩沖要求。

5 結(jié)果分析與仿真驗證

車輛油缸結(jié)構(gòu)參數(shù)：缸徑=135mm，活塞桿徑=85mm，緩沖長度4=100mm，1=60mm，旋轉(zhuǎn)裝置質(zhì)量=3000kg，油缸額定壓力26MPa，油缸初始速度o=0.46m/s。

以伸出緩沖機構(gòu)為例：開始8mm為圓錐緩沖，8～60mm為圓錐與溝槽混合緩沖，60～100mm為溝槽緩沖。從計算連線圖（如圖3）得出，此緩沖裝置在行程開始和結(jié)束時的速度變化比較平緩，全部吸收了沖擊能量，有效消除了兩種沖擊。

圖3 緩沖速度變化圖

設計制造1:1仿真配重車，按上面緩沖參數(shù)設計緩沖油缸，模擬起豎動作，無雙向沖擊，緩沖效果良好。

6 結(jié)束語

本文設計的內(nèi)置雙向混合緩沖裝置，具有下面優(yōu)勢：

a. 內(nèi)置式雙向混合緩沖裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，解決了油缸快速重載環(huán)境下無兩端同時內(nèi)置的緩沖問題；

b. 通過計算與試驗得出，混合緩沖裝置成功避開了單一緩沖產(chǎn)生的機械硬撞擊與軟沖擊；

c. 調(diào)整緩沖裝置尺寸，可滿足不同載荷參數(shù)與運動速度設備的緩沖要求。

1 王巖，楊耀東，馮雅麗，等. 舉升缸緩沖裝置設計與仿真分析[J]. 機床與液壓，2011，39(20)：73～75

2 朱曉陽，肖鋒. 液壓缸常見緩沖裝置及修理[J]. 裝備維修技術(shù)，2009(2)：52～57

3 陳登民，李永奇，張孝元，等. 液壓缸內(nèi)部節(jié)流緩沖模型的研究[J]. 液壓氣動與密封，2013(9)：66～69

4 賈培起. 液壓缸緩沖裝置的緩沖特性及設計計算[J]. 工程機械，1980(12)：29～35

One Type of Compound Buffering Cylinder of Inbuilt Bipolar

Han Xiao Wu Liming Zhen Yanbo Ma Leipeng Qin Jun Luo Xinying

(Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd.,Changzhi 046012)

With the certain type of vehicle as the research object, the advantages and disadvantages of the current buffering device are analyzed in the light of the buffering theory. The endmost effective compound buffering device on the hoist cylinder extension stroke is manufactured. Through counting and proofing, 1:1 dummy platform of test validated the desired effect of the buffering device, and it is successful application.

compound buffering device；buffering pressure；concussion；emulational experiment

韓曉（1988），工程師，工程機械專業(yè)；研究方向：特種油缸技術(shù)。

2019-03-26