一種柱塞式氣力緩沖器結構與性能研究

徐輝，露思宇，王希妍，王志軍，孟春

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

一種柱塞式氣力緩沖器結構與性能研究

徐輝，露思宇，王希妍，王志軍，孟春*

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

提出一種用于起重機的新型柱塞式氣力緩沖器。在對緩沖器結構分析的基礎上，進行緩沖器緩沖性能實驗。該氣力緩沖器相對于目前市場上普遍使用的氣力緩沖器顯著的結構差異是：用柱塞上的換氣組件和柱塞推桿上排氣孔道代替了排氣及換氣閥門。該緩沖器結構簡單、制造安裝精度要求低、制造成本低。通過對緩沖器緩沖性能試驗表明：柱塞式氣力緩沖器的緩沖效率和衰減系數分別為46.88%和100.00%，顯著高于彈簧、橡膠、彈簧-橡膠緩沖器，緩沖效率低于液壓緩沖器，而衰減系數高于液壓緩沖器。

起重機；柱塞式緩沖器；緩沖容量；緩沖效率；衰減系數

0 引言

橋式起重機大、小車由于其工作特點，經常發生高強度、高頻率的碰撞，對起重機的安全產生影響[1-5]。緩沖器在橋式起重機中起著至關重要的安全保障作用，其作用是用來吸收起重機大車或小車運動到終點與軌端擋板相撞時[6]或兩臺起重機碰撞時的能量，達到減緩沖擊、安全停車的目的[7-8]。目前廣泛使用的緩沖器有彈簧緩沖器、摩擦緩沖器、液壓緩沖器、橡膠緩沖器、聚氨酯緩沖器和氣力緩沖器[9-11]。

彈簧緩沖器結構簡單、適應性強，但其顯著缺點是具有很強的“反彈力”，對起重機的結構影響比較大，只適用于運行速度較低的起重機；摩擦緩沖器能夠使大多數摩擦轉化為熱能的動能，不會產生劇烈反彈，但有時可能會產生楔住現象，需要使環形彈簧內外環間維持良好的潤滑狀態，維護工作量較大；液壓緩沖器能將全部或大部分動能轉變成熱能，不會產生反彈現象，但其結構較復雜，維護檢修較麻煩，不宜用于碰撞頻繁的場合。橡膠緩沖器能將30%～50%的動能轉變成熱能，不會劇烈的反彈現象，但溫度適應性差，一般用于-30～+40 ℃；聚氨酯緩沖期緩沖性能好，緩沖過程平穩，但壽命較短，一般適用于-30～+60 ℃[12]。

氣力緩沖器是以空氣為緩沖介質，通過對空氣的壓縮實現吸收能量、緩沖的作用。氣力緩沖器根據緩沖工作方式可分為有驅動缸類和無驅動缸類兩種類型[13]。由于無驅動缸類緩沖器工作方式的緩沖是個難點，容易出現末端反彈，所以，有缸類緩沖器是氣力緩沖器的主流。本文介紹一種有缸類柱塞式氣壓緩沖器結構，并通過實驗研究其緩沖性能。

1 柱塞式氣力緩沖器結構

柱塞式氣力緩沖器主要結構如圖1所示。它包括碰撞件柱塞推桿7和柱塞8，構成氣室10及緩沖器機體的缸體5，缸體上有排氣孔4，起密封作用的柱塞密封圈9(2個)和導桿密封圈12(2個)，起導向及在其中設計排氣孔道3的導桿11，換氣組件2，對導桿11起限位作用的導桿限位平鍵13和導桿限位圓環14，使柱塞復位的復位彈簧1，將緩沖器安裝于起重機上的法蘭盤6。

圖1 緩沖器整體結構Fig.1 The overall structure of the buffer 1-復位彈簧；2-換氣組件；3-排氣孔道；4-排氣孔；5-缸體；6-法蘭盤；7-柱塞推桿；8-柱塞；9-柱塞密封圈；10-氣室；11-導桿；12-導桿密封圈；13-導桿限位平鍵；14-導桿限位圓環

該緩沖器主要結構及性能參數為：緩沖行程0.06 m；緩沖容量604.00 Nm；最大緩沖力21 333.33 N。

柱塞式氣力緩沖器的工作原理是：沖擊載荷作用于柱塞推桿時，使柱塞推桿及柱塞右移，壓縮密閉氣室內空氣，將沖擊能轉換成空氣壓力能；隨著活塞的壓縮，氣室體積越來越小，空氣壓力越來越大，當柱塞壓縮結束時，氣室內壓力最大，此時排氣孔道與排氣孔接通并開始排氣，氣室內空氣壓力快速降低；排氣結束后，復位彈簧使柱塞推桿、柱塞、柱塞導桿恢復至沖擊前的初始位置，在這個過程中，外界空氣通過換氣組件進入氣室。

該氣力緩沖器相對于目前市場上普遍使用的氣力緩沖器，其顯著的結構差異是：用柱塞上的換氣組件和柱塞推桿上排氣孔道代替了排氣及換氣閥門(如圖2所示)。換氣組件由橡膠環和金屬環疊加在一起，套裝在安裝螺釘上，當緩沖器處于緩沖行程時，受氣體壓力作用，橡膠環和金屬環貼緊換氣孔，從而密閉了氣室；緩沖器回復過程中，橡膠環和金屬環與換氣孔分離，外界空氣通過換氣孔進入氣室。柱塞推桿上的排氣孔道在緩沖行程接近終了時與氣缸體上的排氣孔接通，排出氣室內的高壓氣體。此代替的優點是零部件的加工精度及安裝精度顯著降低，降低了緩沖器的制造成本。

該緩沖器設計緩沖容量為640 J，緩沖行程為60 mm，最大緩沖力為21.33 kN。

圖2 換氣組件與排氣孔道Fig.2 Ventilation components and exhaust ports1-換氣組件；2-排氣孔道

2 柱塞式氣力緩沖器緩沖性能

2.1 緩沖性能測試方法

利用珠海三思計量儀器有限公司生產的高性能智能電子萬能試驗機對緩沖器進行壓力實驗，分別通過力傳感器和位移傳感器測出試驗力的大小和柱塞的位移，并得到載荷與位移關系曲線圖。共進行3次試驗，取3次試驗平均值繪制緩沖曲線，如圖3所示。通過分析緩沖曲線，采用“方格法”計算緩沖元件的性能評價指標：緩沖容量、緩沖效率和衰減系數[14]，計算方法見公式(1)～(3)。

E=S1-S2。

(1)

式中：E為緩沖容量；S1為壓縮曲線與位移軸所圍面積；S2為回復曲線與位移軸所圍面積。

(2)

式中：ηE為緩沖效率，%；S3為最大緩沖力與緩沖行程構成的長方形面積，N·m。

(3)

式中：φE-衰減系數。

2.2 結果與分析

2.2.1 緩沖曲線

通過緩沖曲線圖3可以看出，壓縮曲線可分為3個階段：緩沖階段、排氣階段與回復階段。緩沖階段曲線并未呈現出理想狀態下氣體壓力-容積的變化形態。這是由于緩沖器零部件眾多，存在微量漏氣和運行阻力變化等因素，導致在氣體壓縮階段，即緩沖階段曲線1呈現曲折上升形態，壓縮終了時最大載荷為21 330N，此時，排氣通路接通，氣室內高壓氣體迅速排出，氣室內壓力迅速下降，排氣階段曲線2呈直線下降形態。

圖3 試驗緩沖曲線Fig.3 The curve of buffer test1-緩沖階段；2-排氣階段；3-回復階段

氣力緩沖器相對于其他類型緩沖器的顯著特點有兩個，一是緩沖階段終了時，氣室內高壓氣體迅速排出，沒有出現閥門(或溢流閥)型排氣在此時出現的高壓反彈情況；二是回復階段曲線載荷為0，在緩沖曲線中表現在回復階段曲線與位移軸線重合，本實驗中，雖然存在復位彈簧，但由于復位彈簧剛性系數很小，在緩沖曲線中仍表現出回復階段曲線與位移軸線重合，如圖3所示。

2.2.2 緩沖特性

根據圖2，采用方格法計算緩沖特性指標，結果為：緩沖容量600 J；緩沖效率46.88%；衰減系數100%。由于制造、安裝精度問題，緩沖容量只達到設計的93.75%，但其偏差未超過10%，是可以接受的。導致緩沖容量為達到設計能力的原因可能是：①緩沖器密封件磨合時間短；②試驗中，萬能電子試驗機運行速度低，沖擊速度慢；③實驗中緩沖器豎直放置，導致了進氣孔處平墊片密封不嚴密。

相對于以彈簧、橡膠、彈簧-橡膠、液壓各類型緩沖器，該柱塞式氣力緩沖器的緩沖效率和衰減系數顯著高于彈簧、橡膠、彈簧-橡膠等緩沖器[14-15]；緩沖效率低于液壓緩沖器[16-18]，而衰減系數高于液壓緩沖器(見表1)。液壓緩沖器雖然緩沖效率很高，但制造安裝要求精度高，而本文的柱塞式氣壓緩沖器安裝精度要求低，且兼有衰減系數高于液壓緩沖器的優點。鑒于本文柱塞式氣壓緩沖器的緩沖特性，可省去復雜的緩沖器電子控制系統[19-20]。

表1 緩沖性能比較

3 結論

本文提出了一種用于起重機的新型柱塞式氣壓緩沖器，通過對緩沖器結構和性能的分析得出如下結論：

(1)柱塞式氣壓緩沖器結構簡單，制造安裝精度要求低，制造成本低。

(2)柱塞式氣壓緩沖器的緩沖效率和衰減系數分別為46.9%和100%，顯著高于彈簧、橡膠、彈簧-橡膠緩沖器；緩沖效率低于液壓緩沖器，而衰減系數高于液壓緩沖器。綜合制造安裝精度要求，柱塞式氣壓緩沖器優于其他各類型緩沖器。

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Study on Structure and Performance ofA Plunger Pneumatic Buffer

Xu Hui，Huang Fanyu，Lu Siyu，Wang Xiyan，Wang Zhijun，Meng Chun*

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

This paper presented a new type of plunger pneumatic buffer for the crane.The buffer performance test was carried out on the base of the analysis of the buffer structure.Compared to the commonly used pneumatic buffers in current market，the significant structural difference is that the ventilation component on plunger and exhaust ports on plunger push rod are replaced by exhaust and ventilation valve respectively.The plunger pneumatic buffer has the advantages of simple structure，low accuracy requirements for manufacture and installation as well as low manufacturing cost.The results of buffer performance test showed that the efficiency and attenuation coefficient of the buffer was 46.88% and 100.00% respectively，which were better than buffers with spring，rubber and spring-rubber.The efficiency of the proposed buffer is lower than hydraulic buffer，but the attenuation coefficient is relatively higher.

Crane；plunger type buffer；buffer capacity；buffer efficiency；attenuation coefficient

2016-07-26

徐輝，碩士研究生。研究方向：森林工程。

*通信作者：孟春，博士，副教授。研究方向：森林工程。

徐輝，露思宇，王希妍，等.一種柱塞式氣力緩沖器結構與性能研究[J].森林工程，2017，33(4)：55-57.

TH 137.5

A

1001-005X(2017)04-0055-03

E-mail：504973901@qq.com