步進式新型緩沖液壓油缸結構及其性能研究

許傳斌 胡世全 王少忠 陶慶華

摘要：為了充分滿足重載、突變載荷以及高頻的作業需求，本文針對性設計了步進式新型緩沖液壓油缸，其具備節流功能與緩沖腔密封結構，屬于新型端面貼合式的高性能緩沖油缸。緩沖期間可以平穩運行，且壓力峰值較小，性能明顯更為優越。

關鍵詞：步進式；緩沖液壓；油缸結構；性能

前言

長期在高頻、重載以及突變載荷情況下，挖掘機與混凝土泵車為了滿足標準作業性能要求，必須使用高性能緩沖油缸。外控式緩沖油缸結構更為復雜且安裝空間較大，動態響應頻率較低，沒有得到廣泛采用。設備運行期間往往采用體積小、結構簡單且內設緩沖裝置的高性能緩沖油缸。油缸可以利用配合間隙密封與節流緩沖腔內的液壓油，順利完成緩沖。但這種油缸結構對緩沖孔與緩沖柱塞的要求較高，配合間隙較小，因此需要更高的加工精度。在緩沖期間，受配合間隙、長度以及節流槽通流面積等因素的影響，無法有效優化其緩沖性能。同時，受重載因素的影響，反復插入柱塞也極易導致磨損失效問題。在此基礎上，本文分析了分離節流與密封功能的緩沖結構，研制了新型的端面貼合式緩沖油缸。

1.緩沖結構與工作原理

1.1緩沖結構

端面貼合式緩沖裝置具備大緩沖套2與小緩沖套6，活塞桿緩沖部位與各緩沖套之間采用了間隙配合結構，且可以實現相對滑動。技術人員將多條軸向均勻分布于可相對滑動的活塞桿上，并將緩沖套回位彈簧3與5設置于活塞與緩沖套之間，在小彈簧5作用下，小緩沖套6緊卡7左端面，在大彈簧3作用下，大緩沖套2靠緊活塞桿大緩沖部位的軸肩端面。具體見下圖1。

1.2緩沖原理

運行時，活塞桿1向右移動，端蓋8肩部端面與小緩沖套6端面貼合時，活塞右邊會形成高壓緩沖腔10，之后緩沖結構開始運行。活塞桿1繼續向右移動，緩沖腔內的油液會受到擠壓，壓力升高，在緩沖腔壓力作用下，小緩沖套6緊密貼合在端蓋8的上緩沖節流槽中。之后活塞桿1繼續右移，小彈簧5繼續唄壓縮，且隨著緩沖行程的增大，緩沖節流槽截面逐漸減小。受緩沖腔高壓油阻力的影響，活塞桿1速度減慢，使得緩沖作用趨于均勻。當活塞桿1接近終點時，速度逐漸減為零，緩沖腔內壓力減小至零，緩沖過程結束，油缸開始制動。

油缸開始反啟動時，活塞開始向左移動，端蓋8油孔開始流入油液，在壓縮彈簧的作用下，小緩沖套6向左移動小段距離，打開端蓋8與小緩沖套6的貼合端面，此時活塞桿1快速啟動。在小彈簧5作用下，小緩沖套6也開始復位啟動。相較柱塞插入式的緩沖裝置，此緩沖方式可以實現緩沖腔的密封與節流，提升了設備的緩沖性能與可靠性，降低了加工精度。

2.液壓油缸結構參數對緩沖的影響

2.1緩沖效果

在最短時間與緩沖行程內，油缸內緩沖裝置確保活塞保持合理負加速度，將初速度減小至適當值，這便是油缸緩沖效果。期間合理的負加速度保持在一定范圍內，反映了緩沖腔壓力的數值。圓柱形緩沖柱塞與排油孔之間的環形縫隙保持不變，柱塞接近緩沖孔口時，油液因緩沖會產生較大的減速度與緩沖壓力，緩沖壓力會達到幾倍的系統壓力。在設計期間，技術人員應做好節流柱塞與節流孔配合間隙參數的設定工作。當節流孔與節流柱塞的配合間隙較大時，緩沖裝置緩沖效果減小，因此緩沖裝置應具備較高的裝配精度與加工精度，且更多適用于低速小負載情況下。

臺階形緩沖柱塞進入緩沖孔時，隨著行程的增加，緩沖孔與緩沖柱塞之間的縫隙會越來越小，緩沖壓力也開始減小，活塞開始減速運動，制動時間減少。因此，相較圓柱形柱塞，臺階形緩沖柱塞具備更好的緩沖效果，可以在短時間內得到高速度的緩沖。

圓錐形緩沖柱塞的緩沖作用類似于節流閥緩沖作用，且環形間隙可以改變，且當緩沖柱塞圓柱瞬間進入緩沖孔時會出現較大的壓力。因此，技術人員設計期間應充分重視圓錐角與緩沖形成參數。

2.2結構參數對緩沖的影響

一是圓柱形緩沖柱塞與緩沖孔間隙越小，活塞進入縫隙節流的突變越大，緩沖時間越長，壓力峰值越大。但這種緩沖裝置會出現剛性沖擊，效果較差。二是臺階形緩沖柱塞運行期間，臺階間隙減小會增大緩沖腔壓力峰值，降低緩沖速度，反之亦然。為了確保緩沖腔壓力變化平穩，設計人員應合理設計其間隙，減小緩沖末速度，降低剛性沖擊，適用于高速液壓缸活塞緩沖過程。三是減小圓錐形緩沖柱塞錐角，可以減小緩沖末速度，增大緩沖腔內壓力峰值，但這種柱塞結構卻并不合理，沒有得到有效應用。四是拋物線緩沖柱塞系數，隨著系數減小，緩沖末速度也會減小，緩沖腔內的壓力峰值隨之增大。且能量吸收與減速緩沖速度變化呈均勻程度，緩沖過程比較平穩，屬于理想的緩沖方法。

3.優化緩沖結構

油缸緩沖性能的設計關鍵在于節流槽，其可以節流緩沖腔液壓油。

3.1節流槽結構設計

在整個緩沖過程中，緩沖裝置應確保緩沖壓力的恒定性，期間活塞減速度為常數。且計算發現，為了確保節流槽實現勻減速緩沖運動，節流槽深度應由活塞開始向兩端逐漸加大，且深度變化為拋物線規律。但設計拋物線節流槽流程復雜，加工難度較大，因此文章中簡化處理其運行結構。

3.2緩沖性能分析

技術人員優化了斜面式節流槽結構尺寸，提升了油缸的緩沖性能。優化時技術人員分析了緩沖壓力與緩沖時間，建立了油缸仿真模型。優化分析后，技術人員獲得了最優緩沖性能下緩沖油缸節流槽的結構尺寸。

4.應用研究

4.1緩沖性能分析

優化分析緩沖結構，本文研究了新型的步進式端面貼合緩沖油缸，并對緩沖性能進行了試驗分析。同等工況條件下，比較進口KYB油缸緩沖性能曲線與新型緩沖油缸緩沖性能曲線。

比較發現，兩個緩沖油缸具備大致相同的緩沖時間，且緩沖峰值壓力相對較低25%，整個緩沖過程中，油缸沒有出現抖動現象，緩沖效果良好。

4.2可靠性分析

在本緩沖裝置中，活塞桿與緩沖套之間保持滑動配合方式，選擇不同摩擦副配對材料、硬度差以及表面處理方式等因素進行正交試驗，發現“硬/硬”配對的摩擦副耐磨性更大，且可以在表面處理活塞桿與緩沖套后，提升了裝置的摩擦性能。同時，將平衡油槽浮動支撐技術應用至活塞桿，在緩沖套配合處設置環形平衡油槽，改善了摩擦副的潤滑情況。通過近百萬次的試驗發現，在模擬工況下，緩沖裝置并未出現磨損問題。

結束語

本文在研究緩沖液壓油缸結構時改變了節流與密封功能集于一體的緩沖設計方法，采用了分離緩沖腔節流與密封功能的設計方法，結合節流緩沖技術，研制了端面貼合式高性能緩沖油缸，在降低加工精度的基礎上提高了緩沖性能，具備更大的可靠性。

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