油缸緩沖裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)緩沖性能影響分析

曠 權(quán)，張振海，朱石堅(jiān)

(海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

船舶舵裝置、通海閥件、蓋板等部件均采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，具有可靠性高、驅(qū)動(dòng)力矩大的優(yōu)點(diǎn)，但活塞等運(yùn)動(dòng)件在行程末端仍具有較高的速度，致使運(yùn)動(dòng)部件以較大的速度撞擊止擋部件，產(chǎn)生較大的沖擊振動(dòng)和噪聲，影響機(jī)械設(shè)備的安全性和可靠性，甚至影響到船舶的輻射噪聲。針對(duì)該問(wèn)題，周志才等[1]對(duì)蓋板啟閉裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了多參量聯(lián)合優(yōu)化分析，優(yōu)化結(jié)果表明撞擊速度可以減小46.5%～50.84%。賴(lài)浩凱[2]利用無(wú)沖擊電磁換向閥對(duì)蓋板啟閉裝置中原液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造，降低啟閉裝置在開(kāi)啟時(shí)的沖擊加速度和沖擊力。但上述研究對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)改動(dòng)較大，導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，且無(wú)法完全消除沖擊振動(dòng)和噪聲。

在液壓油缸內(nèi)增加緩沖裝置不僅可以降低活塞等運(yùn)動(dòng)件在行程末端的速度，而且對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)改動(dòng)較小。緩沖裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)影響其緩沖性能，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)緩沖性能的影響程度不一，因此需要合理選取油缸緩沖裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)[3–5]。

本文提出在液壓油缸內(nèi)設(shè)計(jì)緩沖裝置，建立含負(fù)載條件下緩沖裝置的數(shù)學(xué)模型，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)緩沖性能的影響，為后續(xù)船舶液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)液壓油缸的緩沖裝置設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 緩沖裝置數(shù)學(xué)模型

已有研究表明，圓柱形緩沖裝置在緩沖過(guò)程中容易引發(fā)較大的液壓沖擊，造成機(jī)器振動(dòng)、噪聲和磨損；圓錐形緩沖裝置引發(fā)的液壓沖擊相對(duì)較小，但存在緩沖壓力建立遲緩、相同緩沖長(zhǎng)度下造成緩沖不足的問(wèn)題[6]。本文提出在液壓油缸內(nèi)設(shè)計(jì)圓柱形變節(jié)流面積緩沖裝置以降低緩沖過(guò)程中的液壓沖擊，同時(shí)達(dá)到較好的緩沖效果。緩沖裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示，其主要參數(shù)包括緩沖套與緩沖腔的單邊間隙δ，緩沖套大端直徑 D1，緩沖套長(zhǎng)度L，圓錐段長(zhǎng)度l，錐角α。

圖 1 緩沖裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 1 Structure diagram of buffering device

取 P1為進(jìn)油壓力， A1為進(jìn)油壓力作用面積，； P2為緩沖腔壓力； A2為緩沖腔壓力作用面積，。式中： D為液壓缸內(nèi)徑；d 為活塞桿直徑； D1為緩沖套大端直徑。假定油液為不可壓縮流體，流動(dòng)狀態(tài)為紊流，密封件摩擦阻力相對(duì)于慣性力可以忽略不計(jì)。以活塞為分析對(duì)象，進(jìn)行受力分析如下：

式中： m 為折算到活塞上的一切運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量； a 為活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度； F為折算到活塞上的一切外部載荷。

由流體連續(xù)性方程可得緩沖腔排出的液體流量為：

式中： vx為活塞在任意位置的速度，取緩沖開(kāi)始時(shí)活塞速度為 v0。根據(jù)孔口流量公式[7]：

式中： Cq為流量系數(shù)，設(shè)其在緩沖過(guò)程中保持恒定；A 為任意位置節(jié)流口過(guò)流面積； ρ為液壓油密度；|Δp|為節(jié)流口前后壓差，整個(gè)過(guò)程中出口壓力近似為零，故此時(shí) | Δp|=p2。聯(lián)立式（2）、式（3）得：

緩沖套進(jìn)入緩沖孔之后，過(guò)流面積變化如下：

式中： L2=l-Lx(L2≥0) ， l 為 緩 沖 套 圓錐 段 長(zhǎng) 度，Lx為緩沖套進(jìn)入緩沖腔的距離； α為緩沖套錐角；A3為 緩沖泄壓孔面積，為緩沖泄壓孔直徑。

將緩沖過(guò)程分為2 個(gè)階段，分析如下：

1）從緩沖腔壓力開(kāi)始形成到進(jìn)油壓力 p1達(dá)到溢流閥開(kāi)啟壓力 p1max為止，這個(gè)過(guò)程活塞做勻速運(yùn)動(dòng)，vx=v0。設(shè)進(jìn)油壓力 p1剛好達(dá)到溢流閥開(kāi)啟壓力p1max時(shí) ，緩沖腔壓力為 p22， 則與式（4）、式（5）聯(lián)立可以求出此時(shí)對(duì)應(yīng)的 Lx，取為L(zhǎng)x0。根據(jù)式（4）得第1 階段緩沖腔壓力變化方程如下：

2）從進(jìn)油壓力 p1達(dá) 到溢流閥開(kāi)啟壓力 p1max開(kāi)始，到緩沖結(jié)束，這個(gè)過(guò)程活塞做變減速運(yùn)動(dòng)，加速度 a不為定值。假設(shè)速度函數(shù)連續(xù)、可導(dǎo)、可局部線性化，計(jì)算時(shí)把這一段距離分成若干段非常小的 ΔLx，則每個(gè)小段內(nèi)，活塞可近似視為作勻減速運(yùn)動(dòng)，其對(duì)應(yīng)的加速度為 ax。 設(shè)任意小段起始位置的速度為vx-1（x ≥1 ），任意小段結(jié)束位置的速度為vx，則

將式（7）與式（4）聯(lián)立求得第2 階段的緩沖腔壓力變化方程如下：

聯(lián)立式（1）、式（7）求得：

將上述2 個(gè)階段合并為一個(gè)整體后，可得到不同Lx對(duì)應(yīng)的 p2和 vx，從而可繪制出緩沖過(guò)程中緩沖腔壓力及活塞速度隨活塞位移的變化曲線。

2 參數(shù)對(duì)緩沖性能影響分析

采用AMESim 軟件搭建如圖2 所示的仿真模型，模擬液壓油缸運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程。

圖 2 AMESim 仿真模型Fig. 2 Simulation model of AMESim

仿真參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

分別討論緩沖套與緩沖腔的單邊間隙δ、緩沖套大端直徑 D1、圓錐段長(zhǎng)度l、錐角α 對(duì)緩沖效果的影響，并選定其中一組結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行緩沖性能分析。

表 1 仿真參數(shù)Tab. 1 Simulation parameters

2.1 單邊間隙

在仿真模型中，單邊間隙δ 分別設(shè)為0.12 mm，0.14 mm，0.16 mm，0.18 mm，0.2 mm，其他參數(shù)保持不變，分析其對(duì)緩沖效果的影響。

從圖3 可以看出，不同單邊間隙下，緩沖腔壓力整體變化趨勢(shì)一致，不同曲線的差別較小。隨著活塞位移增加，緩沖腔壓力逐步上升，在347 mm 附近達(dá)到峰值（此時(shí)緩沖套圓柱段即將進(jìn)入緩沖腔），隨后迅速恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)壓力值。單邊間隙越小，緩沖腔壓力增加越早且峰值壓力越大，但均沒(méi)有出現(xiàn)較大的液壓沖擊。不同單邊間隙下，活塞速度整體變化趨勢(shì)一致；先勻速后變減速，這與理論分析是一致的?；钊俣仍?47 mm 附近開(kāi)始下降，這與緩沖腔壓力增大的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。單邊間隙越小，活塞越早開(kāi)始減速，且速度下降越快，活塞最終的速度也越小。

圖 3 不同單邊間隙下活塞速度與緩沖腔壓力隨活塞位移變化曲線Fig. 3 Curves of buffering cavity pressure and piston velocity changes with piston displacement under different unilateral clearances

2.2 緩沖套大端直徑

在仿真模型中，單邊間隙δ 設(shè)為0.12 mm，緩沖套大端直徑 D1分別設(shè)為80 mm，85 mm，90 mm，95 mm，100 mm，其他參數(shù)保持不變，分析緩沖套大端直徑對(duì)緩沖效果的影響。

由圖4 可知，緩沖套大端直徑對(duì)緩沖性能的影響與單邊間隙對(duì)緩沖性能的影響相似，不同緩沖套大端直徑所對(duì)應(yīng)的活塞速度、緩沖腔壓力變化曲線差別較小。

2.3 圓錐段長(zhǎng)度

在仿真模型中，單邊間隙δ 設(shè)為0.12 mm，緩沖套大端直徑設(shè)為80 mm，圓錐段長(zhǎng)度l 分別設(shè)為9 mm、12 mm、15 mm、18 mm、21 mm，其它參數(shù)保持不變，分析圓錐段長(zhǎng)度對(duì)緩沖效果的影響。

圖 4 不同緩沖套大端直徑下活塞速度與緩沖腔壓力隨活塞位移變化曲線Fig. 4 Curves of buffering cavity pressure and piston velocity changes with piston displacement under different diameters at large end of buffering cover

圖 5 不同圓錐段長(zhǎng)度下活塞速度與緩沖腔壓力隨活塞位移變化曲線Fig. 5 Curves of buffering cavity pressure and piston velocity changes with piston displacement under different cone lengths

由圖5 可知，不同圓錐段長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的緩沖腔壓力、活塞速度曲線的整體變化趨勢(shì)一致，但活塞速度下降的起始點(diǎn)和緩沖腔壓力上升的起始點(diǎn)的位置不同。即圓錐段長(zhǎng)度僅對(duì)緩沖套圓柱段進(jìn)入緩沖腔的時(shí)間有影響，對(duì)活塞速度、緩沖腔壓力的幅值沒(méi)有影響。

2.4 錐角

在仿真模型中，單邊間隙δ 設(shè)為0.12 mm，緩沖套大端直徑設(shè)為80 mm，圓錐段長(zhǎng)度l 設(shè)為9 mm，錐角分別設(shè)為15°，20°，25°，30°，35°，分析錐角對(duì)緩沖效果的影響。

錐角會(huì)影響緩沖套與緩沖腔之間的過(guò)流面積，致使不同錐角下的緩沖腔壓力、活塞速度隨活塞位移的變化關(guān)系存在差異。從圖6 可以看出，不同錐角下的緩沖腔壓力曲線整體趨勢(shì)一致，錐角越小，緩沖腔壓力增加越早，壓力變化越平緩。不同錐角下的活塞速度曲線差別不大。

圖 6 不同錐角下活塞速度與緩沖腔壓力隨活塞位移變化曲線Fig. 6 Curves of buffering cavity pressure and piston velocity changes with piston displacement under different cone angles

3 參數(shù)優(yōu)化與緩沖性能分析

通過(guò)以上分析，并綜合考慮現(xiàn)有液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸及零部件加工裝配、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等影響因素，對(duì)圓柱形變節(jié)流面積緩沖裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

表 2 緩沖裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 2 Structure parameters of buffering device

根據(jù)上述參數(shù)，進(jìn)行仿真，得到如圖7 所示的緩沖過(guò)程中緩沖腔壓力、活塞速度隨活塞位移的變化曲線。

圖 7 活塞速度與緩沖腔壓力隨活塞位移Fig. 7 Curves of buffering cavity pressure and piston velocity changes with piston displacement

可以看出，無(wú)緩沖時(shí)，活塞在到達(dá)行程終點(diǎn)前作勻速運(yùn)動(dòng)，在行程終點(diǎn)處速度驟降為0。增加緩沖裝置后，活塞初始為勻速運(yùn)動(dòng)，到344 mm 附近速度開(kāi)始作變減速運(yùn)動(dòng)，并持續(xù)到行程終點(diǎn)。緩沖腔壓力隨著活塞位移增加逐步上升，在344 mm 附近達(dá)到峰值（20.44 bar），隨后迅速恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)壓力值（20 bar）并持續(xù)到行程終點(diǎn)。有緩沖與無(wú)緩沖相比，活塞在到達(dá)行程終點(diǎn)前的速度（蓋板與止擋板的撞擊速度）下降約為98%，緩沖過(guò)程較為平緩，沒(méi)有出現(xiàn)較大的液壓沖擊。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)圓柱形變節(jié)流面積緩沖裝置，建立其數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行受力分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，將緩沖過(guò)程分為2 個(gè)階段，得到了含負(fù)載條件下緩沖腔壓力、活塞速度隨活塞位移的變化關(guān)系。對(duì)該緩沖裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)并計(jì)算緩沖裝置的緩沖性能，結(jié)果表明：

1）單邊間隙對(duì)緩沖腔壓力和活塞速度的影響最大，緩沖套大端直徑、錐角的影響次之，圓錐段長(zhǎng)度對(duì)緩沖性能的影響最小。

2）有緩沖與無(wú)緩沖相比，活塞在到達(dá)行程終點(diǎn)前的速度（蓋板與止擋板的撞擊速度）下降約為98%，緩沖過(guò)程較為平緩，沒(méi)有出現(xiàn)較大的液壓沖擊。