基于AMESim的油缸緩沖裝置的研究

楊波，高燕雯

(長安大學工程機械學院，陜西西安710064)

液壓驅動的活塞式消防泵，是一種通過油缸推動水缸活塞桿運動，使水缸中的水產生壓力，再經由水缸出水閥排出的供水設備。當采用高壓大流量供水時，由于負載 (由水產生)和油缸質量大，往復速度高，因此，當活塞運動到油缸端點時，產生很大的沖擊與噪聲，嚴重時甚至損壞活塞。為避免此現象的發生，需在油缸末端設置緩沖裝置。文章采用截面為矩形的恒截面和變截面組合的節流槽對活塞進行緩沖，從而達到減速緩沖的效果。

1 油缸組合緩沖裝置緩沖原理與建模

1.1 緩沖原理

油缸緩沖結構如圖1所示，在油缸緩沖桿處設置了n個節流槽 (n為偶數)，每個節流槽都是由截面為矩形的恒截面矩形槽和變截面矩形槽組合而成，如圖1(b)所示。當油缸末端進入緩沖腔時，緩沖桿上的滑塊首先與油缸末端壁面接觸，由于活塞與活塞桿的慣性，活塞繼續前進，壓縮彈簧，油液經由滑塊與緩沖桿組成的矩形節流槽過流斷面流入油缸回油口。隨著彈簧的壓縮，緩沖腔體積逐漸減小，矩形節流槽過流斷面的面積逐漸減小，緩沖壓力增大，緩沖加速度增大，活塞速度減小，直到活塞桿速度降為零時結束。

圖1 油缸緩沖結構

1.2 數學模型

設緩沖桿直徑為d緩，緩沖腔壓力為p緩;油缸活塞直徑為D油，活塞桿直徑為d，進油壓力為p油i，不考慮摩擦力。在緩沖過程中，水缸中的水已經基本排出，因此，由水產生的負載與緩沖壓力相比，可以忽略不計。則:

設恒截面的面積為A1，行程為l1，變截面的面積為A2，行程為l2，緩沖過程中進油腔繼續供油。

(1)恒截面緩沖減速過程

當緩沖套與油缸末端壁面接觸，緩沖過程即開始，首先是恒截面緩沖，有:

式中:m為運動部分的質量，kg;a1為恒截面緩沖過程中的加速度，m/s2;v為緩沖過程中活塞的運動速度，m/s;Q緩為緩沖過程中從節流口流出的流量，m3/s;K為節流系數;A0為節流槽過流斷面的面積，

m3。

對于如圖1(b)所示的矩形節流槽，設恒截面矩形的寬、高分別為b、h0，矩形節流槽的個數為n，則節流面積為:A0=nbh0。由式 (1)得:

故:

當x=0時，v=v0，x的取值范圍為0≤x≤l1，積分式 (3)，得:

當x=l1時，

將式 (4)代入式 (2)中，得到:

當x=0時，加速度最大，此時:

將式 (6)代入式 (1)，得到恒截面緩沖時最大緩沖壓力為:

(2)變截面緩沖減速過程

在變截面緩沖減速的過程中，矩形截面的高度隨行程在不斷產生變化，設矩形寬度為b，高度為h，則，即:，故截面面積:則有:

式中:a2為變截面緩沖過程中的加速度，單位為m/s2。

由式 (9)得:設變截面節流槽產生等減速效果，則由v21=

－2a2l2，得:

對應行程為x的緩沖速度為v2=(－2a2)(l1+l2－x)，故:

由式 (13)可知，緩沖壓力為一個常數，變截面緩沖過程為勻減速運動。

將式 (11)代入式 (9)的第一個式子中得:

2 仿真模型設計

由法國Imagine公司最早推出的AMESim，作為一款優秀的仿真軟件，目前已經成為流體、機械、熱分析等復雜系統領域建模和仿真優先選擇的平臺。在AMESim的HCD庫中選擇合適的元件，并結合液壓與信號庫中的元件，建立緩沖油缸運動全過程的仿真模型如圖2所示。在油缸的整個工作過程中，進油腔持續供油。

圖2 AMESim仿真模型

在仿真模型中合理設置參數如表1所示。

表1 仿真模型參數

按照文獻 ［6］設置節流槽的流量系數。文獻 ［7］詳細地闡述了各種節流槽面積的計算方法，此處不再贅述。按照文獻 ［7］所述的方法計算節流槽的過流面積隨緩沖行程的變化，如圖3所示。

圖3 節流槽面積

3 仿真結果

3.1 節流槽寬度b對緩沖效果的影響

在AMESim仿真模型中，分別設置節流槽寬度b為2、4、6、8 mm，其他參數保持不變，然后開始仿真。仿真結束后，分別繪制活塞緩沖速度、緩沖壓力隨活塞位移的變化曲線，如圖4(a)、(b)所示。

由圖4(a)知，節流槽寬度越小，活塞的末速度越低，對缸桶壁造成的沖擊越小，但是過小的節流槽寬度導致活塞速度變化過快，磨損加劇。由圖4(b)知，節流槽寬度越小，緩沖壓力峰值越大;節流槽寬度增大，緩沖壓力峰值雖然減小，但是建立緩沖壓力時間加長。綜合考慮，選擇節流槽寬度為4 mm，此時，活塞末速度較低，且變化緩慢，同時能較快的建立起緩沖壓力，且壓力峰值較低。

圖4 節流槽寬度b對緩沖效果的影響

3.2 節流槽深度h0對緩沖效果的影響

在AMESim仿真模型中，分別設置節流槽深度h0為1、3、5、7 mm，寬度b為4 mm，其他參數保持不變，然后開始仿真。仿真結束后，分別繪制活塞緩沖速度、緩沖壓力隨活塞位移的變化曲線，如圖5(a)、(b)所示。

圖5 節流槽深度h0對緩沖效果的影響

由圖5(a)、(b)知，節流槽深度h0對緩沖效果的影響與節流槽寬度b對緩沖效果的影響基本相似。綜合考慮，選擇節流槽深度h0為3 mm。

3.3 節流槽個數n對緩沖效果的影響

在AMESim仿真模型中，分別設置節流槽個數n為2、4、6、8個，寬度b為4 mm，深度h0為3 mm，其他參數保持不變，然后開始仿真。仿真結束后，分別繪制活塞緩沖速度、緩沖壓力隨活塞位移的變化曲線，如圖6(a)、(b)所示。

圖6 節流槽個數n對緩沖效果的影響

由圖6(a)、(b)可知，節流槽個數n對緩沖效果的影響與節流槽寬度b對緩沖效果的影響基本相似。綜合考慮，選擇節流槽個數n為4個。

4 結論

綜合以上仿真分析可知，節流槽寬度b、深度h0與節流槽個數n對油缸緩沖效果的影響相似，即，節流槽寬度b、深度h0與個數n越小，活塞緩沖的末速度越小，但是活塞速度變化劇烈，導致磨損加劇，同時，緩沖壓力峰值急劇增大;增大節流槽寬度b、深度h0與個數n，緩沖壓力峰值減小，但是建立緩沖壓力時間加長，同時，活塞末速度加大，造成活塞與缸筒壁的沖擊加大。因此，在設計油缸緩沖結構時，需要綜合考慮節流槽寬度b、深度h0與節流槽個數n對緩沖效果的影響，選擇最佳的參數組合，使緩沖效果最好。

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