液壓油缸緩沖裝置設(shè)計(jì)的探討

楊永福　魯　超（卡特彼勒（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450103）

液壓油缸緩沖裝置設(shè)計(jì)的探討

楊永福魯超
（卡特彼勒（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450103）

液壓油缸作為液壓支架中非常重要的組成部分，通過液壓沒缸活塞運(yùn)動速度來提高生產(chǎn)效率，但隨著液壓油缸活塞運(yùn)動速度的加快，會對缸底產(chǎn)生較大的撞擊力，從而對液壓支架的正常性能帶來較大的影響，所以需要設(shè)計(jì)一個合理的緩沖裝置，從而減小活塞運(yùn)動過程中所對缸底帶來的撞擊力，盡可能的降低對液壓支架正常的使用性能的影響。文中從液壓油缸緩沖結(jié)構(gòu)的簡述入手，分析了常用的緩沖結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步對緩沖裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體的闡述。

液壓油缸；緩沖結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 緩沖結(jié)構(gòu)簡述

在當(dāng)前液壓支架液壓油缸中，最為常用的緩沖裝置是通過緩沖柱塞及節(jié)流閥來確保固定節(jié)流的實(shí)現(xiàn)。主要以緩沖閥、節(jié)流口、單向進(jìn)油口、端蓋、單向閥、緩沖腔、緩沖柱塞、活塞等八個部分為主。在液壓油缸工作過程中，緩沖活塞進(jìn)入到緩沖腔中，這時緩沖腔內(nèi)的油液針流入到節(jié)流口內(nèi)，然后排入，從而在腔內(nèi)形成一定的緩沖壓力，有效的確保了活塞運(yùn)動速度的降低，確保了緩沖目的的實(shí)現(xiàn)。

2 常用的緩沖結(jié)構(gòu)

2.1 采用固定節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)

設(shè)定在理想狀態(tài)下，不對油液的不可壓縮性和粘性阻尼進(jìn)行考慮，來對固定節(jié)流方式的緩沖裝置進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液壓油缸在加壓力和負(fù)載共同作用下時，活動速度較高，而當(dāng)浸入到緩沖裝置時，緩沖會產(chǎn)生較大的負(fù)的加速度，在緩沖腔中形成較大的壓力，所以對于固定節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)在低速及輕載的簡單油缸內(nèi)具有較好的適用性。當(dāng)對緩沖縫隙寬度進(jìn)行增大時，可以降低腔內(nèi)的壓力峰值和緩沖負(fù)加速度，從而增大緩沖形式，有利于緩沖時間的延長。所以為了能夠有效的確保固定節(jié)流方式緩沖結(jié)構(gòu)的不足之處，在對緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)劑地，可以將節(jié)流面積設(shè)計(jì)為較大值，這樣在緩沖進(jìn)行過程中，緩沖結(jié)構(gòu)的節(jié)流面積會逐漸減少，從而使腔內(nèi)的壓力平緩進(jìn)行過渡，保持腔內(nèi)的壓力的平穩(wěn)性。這樣固定節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)活塞在運(yùn)動時則會平穩(wěn)的進(jìn)行減速。這就需要在設(shè)計(jì)時要漸變節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到節(jié)流面積隨緩沖的進(jìn)行而改變。

2.2 采用漸變節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)

漸變節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)主要有四種形式，即梯形節(jié)流、拋物線形節(jié)流、錐形節(jié)流和笛形節(jié)流，通過利用汽漸變節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)可以有效的降低加速度，減小緩沖沖擊力，對于提高緩沖的效果具有非常重要的作用。

當(dāng)采用階梯形節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)時，由于這種結(jié)構(gòu)制動時間比較短，當(dāng)柱塞進(jìn)入到緩沖孔后，其活塞的速度則會快速降低，而且在緩沖過程中，柱塞和緩沖孔的縫隙則會變小，從而緩沖速度和壓力也會減小。但這種結(jié)構(gòu)往往在緩沖開始時具有較大的壓力，導(dǎo)致活塞受到較大的沖擊，所以階梯形節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)在一些速度較低而且需要承受較大沖擊的簡單工況上具有較好的適用性。

拋物線節(jié)流結(jié)構(gòu)由于其可以在工況要求較高的條件下進(jìn)行適用，在結(jié)構(gòu)加工上具有復(fù)雜性，所以在設(shè)計(jì)時需要重視參數(shù)的設(shè)置，從而確保能夠得到較為平穩(wěn)的緩沖壓力。

液壓油缸圓錐緩沖節(jié)流裝置上有非常廣泛的應(yīng)用，其內(nèi)部的柱塞和緩沖孔之間的間隙隨著緩沖形成的進(jìn)行而漸變的，具有非常好的壓力峰值，特別是當(dāng)柱塞浸入到緩沖孔內(nèi)部時，則會產(chǎn)生較大的壓力峰值，然后壓力峰值會快速降低。

在一些振動要求小及活塞速度要求較高的工況中適用于笛形緩沖結(jié)構(gòu)，由于在笛形緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)有阻尼孔，而且當(dāng)緩沖行程增加時，緩沖孔也會隨之減少，流通面積變小，這種結(jié)構(gòu)無論是減速度還是緩沖壓力都較為理解，但在結(jié)構(gòu)加工過程中對精度具有較高的要求。

3 緩沖裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 緩沖裝置進(jìn)行模型化設(shè)計(jì)

液壓油缸緩沖裝置可以采用節(jié)流式緩沖裝置模型，是一種可調(diào)節(jié)的緩沖裝置。這種緩沖裝置的設(shè)計(jì)原理為：緩沖塞在外力的作用下，進(jìn)入緩沖腔內(nèi)，使得腔內(nèi)的油液流入節(jié)流口，然后流出。其中，緩沖裝置中的活塞端通常是由緩沖柱塞構(gòu)成的，上面設(shè)有緩沖內(nèi)孔，當(dāng)柱塞進(jìn)入到內(nèi)孔后，缸蓋將會在節(jié)流閥的位置排出，給活塞的運(yùn)動帶來了一定的阻力，減慢了活塞的運(yùn)動速度。通過改變節(jié)流口的開度，可以控制活塞的緩沖程度，單向進(jìn)油口與單向閥相連，控制活塞的向右運(yùn)動，此外，還設(shè)有一個在高壓力的限制閥，保證緩沖腔內(nèi)的壓力不能超過額定壓力值。

3.2 控制距離及速度

在優(yōu)化設(shè)計(jì)液壓油缸緩沖裝置的控制距離及速度時，首先，假設(shè)所有的運(yùn)動部件都是質(zhì)點(diǎn)，形成一個研究的質(zhì)點(diǎn)系，將以下物理量設(shè)置為已知量：制動前活塞的運(yùn)動速度、進(jìn)油腔有效面積、活塞直徑、所受到的壓力、緩沖柱塞直徑和緩沖腔有效接受面積，制動前活塞會受到重力、摩擦力和負(fù)載力。一般情況下，緩沖裝置中運(yùn)動部件受到較大的作用力，為了簡化問題，可以將重力、摩擦力和負(fù)載力設(shè)為總的負(fù)載力。在分析緩沖柱塞在某個位置的距離與速度時，可以利用動能微分方程計(jì)算出總的負(fù)載力的大小。

3.3 最小緩沖容量設(shè)計(jì)

在液壓油缸設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)其緩沖裝置的緩沖形成越大時，則其所能達(dá)到的緩沖效果則會越好。在實(shí)際設(shè)計(jì)時，則會將柱塞的緩沖形成設(shè)為一個固定值，這樣在對緩沖腔的面積增大時，則會有效的提升緩沖效果。這就需要在設(shè)計(jì)過程中，需要對液壓油缸緩沖裝置的緩沖腔面積和柱塞的直徑進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而確保達(dá)到最佳的緩沖效果。液壓油缸緩沖容量的設(shè)計(jì)需要考慮的因素較多，需要通過對工況質(zhì)量的具體情況進(jìn)行計(jì)算后，來對柱塞的長度和緩沖腔的面積進(jìn)行確定，并進(jìn)一步確保達(dá)到最佳的緩沖效果。

結(jié)語

液壓支架中液壓油缸緩沖裝置的應(yīng)用，不僅可以有效的降低沖擊過程中給油缸帶來的不良影響，而且能夠延長油缸的使用壽命。目前較為常用的液壓油缸緩沖結(jié)構(gòu)分別為固定節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)和漸變節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)，無論在哪種緩沖裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，都需要對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，采用模型化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到有效的控制距離和速度，確保緩沖容量的合理性，從而達(dá)到最佳的緩沖效果，這對油缸工作性能及液壓支架作用的有效發(fā)揮都具有極為重要的意義。

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