大型升降舞臺上高速大功率液壓油缸緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計及仿真分析

魏星 楊洋 楊宗良 翟錫葵

[摘要]從理論上分析大型升降舞臺上液壓油缸緩沖裝置減速的作用機理和功能特性，提出緩沖裝置相關(guān)的設(shè)計思路，得出緩沖效果與活塞結(jié)構(gòu)及運動參數(shù)之間的關(guān)系，并通過仿真分析三種緩沖裝置的緩沖效果。

[關(guān)鍵詞]液壓油缸;緩沖裝置;仿真;優(yōu)化

文章編號：10.3969/i.issn.1674-8239.2019.04.008

1概述

高速大功率液壓系統(tǒng)中，液壓缸液壓油缸活塞的運動速度很快，會在行程終端時產(chǎn)生強烈的沖擊、噪聲甚至機械碰撞，所以，在結(jié)束運動前必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹苿雍途彌_，以保證系統(tǒng)平穩(wěn)可靠工作，提高其工作性能和使用壽命。一般來說，當(dāng)油缸活塞的運行速度達(dá)到0.2m/s時，須為油缸設(shè)計緩沖裝置。

緩沖裝置的工作原理是：當(dāng)活塞到達(dá)行程終端前一定距離內(nèi)，封閉缸體內(nèi)的油液，被封閉的油液產(chǎn)生適當(dāng)?shù)木彌_壓力作用在活塞上，多余油液通過節(jié)流縫隙或節(jié)流孔排出，使活塞的慣性力與油液壓力相抵消，以達(dá)到活塞減速制動的目的。緩沖裝置的形式主要有節(jié)流緩沖和卸壓緩沖兩種，而大型升降舞臺的液壓油缸由于其速度高、慣性大，一般采用節(jié)流緩沖的形式。

圖1為液壓缸液壓油缸節(jié)流型緩沖的簡化模型。其原理為：在緩沖活塞未進(jìn)入缸底內(nèi)孔Lo之前，液壓缸液壓油缸的回油直接回油箱;緩沖活塞進(jìn)入缸底內(nèi)孔Lo之后，回油時必須經(jīng)過緩沖節(jié)流器f才能回到油箱，由于節(jié)流器f的阻尼作用，液壓缸液壓油缸內(nèi)的壓力升高，導(dǎo)致活塞的運動速度降低，對活塞的運動起緩沖作用，以免發(fā)生碰撞。

2液壓缸液壓油缸緩沖裝置的設(shè)計計算

緩沖裝置的設(shè)計對油缸至關(guān)重要，否則，容易造成油缸在緩沖行程內(nèi)速度不可控、活塞到位反彈及竄動的現(xiàn)象，難以達(dá)到理想的效果。因此，不但需要選擇合理的緩沖方式，還需要進(jìn)行精確的參數(shù)匹配。緩沖裝置設(shè)計的本質(zhì)為：根據(jù)已知的活塞運動速度vo、活塞與負(fù)載的質(zhì)量m以及緩沖行程Lo確定能夠產(chǎn)生等減速效果的節(jié)流槽過流面積。設(shè)節(jié)流槽的過流面積為Af，緩沖腔的壓力為pi，則：

從式（5）可以看到，節(jié)流面積Af與位移x為函數(shù)關(guān)系，這是一個典型的拋物線方程，即要實現(xiàn)等減速緩沖，緩沖活塞須是一個拋物線的椎體。等減速緩沖的速度變化和能力吸收都是均勻的，緩沖過程平穩(wěn)，是理想的緩沖方式，但拋物線的加工困難，因此，實際工程中常用圓柱形環(huán)形間隙節(jié)流緩沖（圖2）、圓錐形環(huán)形間隙節(jié)流緩沖（圖3）和三角槽節(jié)流緩沖（圖4）來近似代替。

3液壓缸液壓油缸緩沖裝置的仿真分析

針對上述三種緩沖結(jié)構(gòu)，分別建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析。設(shè)緩沖區(qū)最左端為位移原點，活塞從右至左運動，通過計算機仿真，對三種緩沖方式進(jìn)行分析，其結(jié)果分別如圖5、圖6、和圖7所示。從仿真分析的結(jié)果可看出：

（1）圓柱形環(huán)形間隙節(jié)流緩沖：由于間隙是恒定不變的，屬于固定節(jié)流緩沖，即類似于使用節(jié)流閥的緩沖回路。由于初始時過流面積突變，緩沖壓力很大，緩沖壓力可能達(dá)到系統(tǒng)壓力的幾倍，活塞出現(xiàn)很大的負(fù)加速度，會引起很大的慣性沖擊和壓力沖擊，緩沖效果不明顯。因此，這種緩沖結(jié)構(gòu)一般適用于簡單、輕載和低速的油缸。

（2）圓錐形環(huán)形間隙節(jié)流緩沖：間隙是可變的，類似于用行程閥的緩沖裝置，由于間隙是由大逐漸變小的，緩沖壓力峰值要比圓柱形小得多。活塞運動至緩沖區(qū)時速度逐漸降低后再急速降低，緩沖時間較短。

（3）三角槽節(jié)流緩沖：溝槽截面積逐漸增加，緩沖較為均勻，沖擊力小，制動位置精度高。活塞運動至緩沖區(qū)時速度逐漸降低，緩沖時間長，基本可實現(xiàn)等減速緩沖，緩沖效果好。

4結(jié)論

由仿真分析結(jié)果可知，將三角槽的緩沖方式代替拋物線式緩沖，并精確匹配參數(shù)，可以使活塞與缸蓋間的緩沖力逐漸增大，基本可實現(xiàn)等減速的緩沖效果，使活塞平穩(wěn)運行，并減少與缸蓋撞擊的風(fēng)險，滿足設(shè)計及使用要求。