一种双作用多级液压缸的设计与应用臧克江

1、文章编号 :1008-1402(2006 04-0524-05一种双作用多级液压缸的设计与应用臧克江 , 蒲 红 , 李彩花 , 胡晓平(佳木斯大学机械工程学院 , 黑龙江 佳木斯 154007摘 要 : 通过对一种双作用多级液压缸伸缩过程的分析 , 弄清了影响此种 双作用多级液压缸动作顺 序的几何要素和系统的力学要素 , 确定了此种双作用多级 液压缸设计原则及液压缸正常工作的条件 , 为此 种双作用多级液压缸的设计及应用 提供了理论依据 .关键词 : 液压 ; 双作用 ; 多级缸中图分类号 : TH137 文献标识码 : A 根据工作要求设计了如 图 1所示的液压系统 . 系统由变量泵供油

2、, 三位四通换向阀控制液压缸的 伸缩 , 液 控单向阀保证液压缸伸缩停在任意位置 , 通过单向节流阀调节液压缸缩回速度 , 电 磁溢流阀 实现系统的调压和卸荷图 1 液压系统原理图在系统调试过程中发现 , 液压缸活塞外伸时 , 按照先大后小的顺序 , 而在液压 缸活塞回缩时本应该按先小后大的顺序时 , 可是出现按先大后小的顺 序 . 如果在回缩过 程中三位 四通换 向阀电磁铁失 电 , 使三位四通换向阀处中立位置 , 出现大活塞快 速外伸 , 小 活塞杆快速回缩 , 负载急剧下落 , 不能保 证负载回落时停在任意位置的要求 , 实质 上此系统 不能正常工作 . 本文对此系统出现的现象进行了研

3、究 , 提出了多级双作用 液压缸设计及使用时应注意 的事项 .1 液压缸结构设计由于系统对负载的运动速度没有过多要求 , 只 是对推力和行程有要求 , 因此本 系统参考文献 1对液压缸进行了机构设计 , 其机构简图如图 2(a 所示 . 此液压缸为 两级双作用活塞式液压缸 , 主要 由缸筒 1, 第一级活塞 2和第二级活塞 3构成 . 第一 级活塞的筒部做成双层结构 , 并在外层的左端开有 径向孔 D , 内层的右端开有径向 孔 E . 液 压缸的进 出油口 A , B 设在第二级活塞杆上 . A 口通过油道 与液压缸的左 腔 (即无杆腔 相通 , B 口通过油道 、 C 孔 、 E 孔 、

4、D 孔与液压缸的右端各腔 ( 即 有杆腔 相 通 , 此液压缸的职能符号如图 (b 所示1 缸筒 2第一级活塞3第二级活塞图 2 两级双作用活塞式液压缸结构简图及职能符号 收稿日期 :2006-08-28第 24卷第 4期佳木 斯大 学学报 (自 然科学版Vol .24No . 42006 年 10 月Journal of Jiamusi University (Natural ScienceEditionOct . 20062 液压缸工作过程分析为了分析方便 , 令 :第一级活塞左端有效面积 (环形面积 为 S 1, 右端有效面积 为 S 1a ; 第二级活塞 左端有效面积为 S 2, 右端

5、有效面积为 S 2a . 2. 1 液压缸活塞 外伸过程分析液压缸活塞外伸时分两个阶段 :(1 第一阶段 :由于第一级活塞和第二级活塞通过挡环连接在一起 , 液压力通过两个活塞左端的 面积同时推动负载 , 第二级 活塞相对第一级活塞静 止不动 , 即第一级活塞和第二级活塞一起外伸 .(2 第二阶段 :当第一级活塞外伸到右端点时 , 作用在第一级活塞左端有效面积 的液压力与缸筒 右端作用在第一级活塞右端的力相平衡 , 此平衡使 第一级活塞停 止运动 ; 作用在第二级活塞左端面积 上的液压力克服负载 , 推动第二级活塞外伸运 动 , 直到第一级活塞缸筒的右端点 .在上述分析活塞外伸过程中 , 考虑

6、到活塞的右 端有效面积相对于左端面积比较 小 , 而且外伸时有 杆腔的压力比较低 , 忽略了作用在活塞右端上的液 压力 , 这与实 际是符合的图 3 第二级活塞回缩阶段活塞受力分析图2. 2 液压缸活塞回缩过程分析从系统的调试过程发现 , 活塞回缩过程必须按 照先小后大的顺序才能保证系统 稳定正常工作 , 因 此 , 有必要对影响活塞回缩顺序因素进行研究 , 从而确定此种液压缸设计及应用的原则 . 在这里 , 仍然将活塞回缩过程分成两个 阶段 :第二级活塞回缩 阶段和第一级活塞回缩阶段 .(1 第二级活塞回缩阶段 :在这一阶段里 , 第一级活塞相对于缸筒不动 ,析分别如图 3 所示2图 4 1

7、和 2随 P 2 变化曲线图 5 12 22条件下 1和 2随 P 2变 化曲线 第一级活塞受力平衡方程式 :p 1S 1+p 2S 2a =p 2S 1a +f 1(1 第二级活塞受力平衡方程式 :p 1S 2=p 2S 2a +F(2式 (1 ,(2 中 :p 1:无杆腔压力 ; p 2:有杆腔压力 ; F :负载 ; f 1:缸筒 1 右端对第一级活塞的作用力 . 要保证第二级活塞先回缩 , 第一级活塞不动 , 则 f 1 0于, 是式 (1 可改写为 :p 1S 1 p 2(S -1Sa 2a(3由式 (2 可得 :p 1=p 2S 2a +F(4令 :1=p 1S 1=S 2a S

8、1S 2p 2+S 1S 2F(5 2=p 2(S 1a -S 2a (6将 (4 式代入 (5 式得 :1=S 2a S 1S 2p 2+S 1S 2F(7, S 和 525第 4 期 臧克江 , 等 : 一种双作用多级液压缸的设计与应用需要的推力来决定 , 因此 , 这两个参数在设计过程中可以是不变的 . S 1a 和 S 2a 在满足液压缸刚度的 条件下可以调整 . 图 4为 1和2随 p 2变化关系 曲线 . 图 4(a 和图 4(b 表示了负载 F 和第二级活 塞右端有 效面积为 S 2a 变化对 1的影响 ; 图 4(c 表示了 (S 1a -S 2a 的变化对 2的影响 . 要

9、保证第二级活塞先回缩 , 必须使1 从2, 图 4(d 可以看出 , 要扩大液压缸的正常 工作区间 , 可以通过采 取增大负载 F 和增大第二级活塞右端有效面积 S 2a 的方法 , 也可以通过减小 (S 1a -S 2a的 方法 . 若保证 1 p 2 2则 1和 2随 p 2关系如 图 5所示 . 从图中可以看出 , 在任何条件下都可以 满 足第二级活塞先回缩 .由1p 2 2 p可 2推得 S 2a S 2 S 1a S 1+S此 2表, 达 式为在任何条件下 , 保证液压缸 正常工作的几何条 件 .(2 第一级活塞回缩阶段在这一阶段里 , 第二级活塞相对于第一级活塞 不动 , 第一级活

10、塞回缩 . 第一级 活塞和第二级活塞 受力分析分别如图 6所示 . 图中 f 2为第一级活塞对 第二级活塞 的作用力图 6 第一级活塞回缩阶段活塞受力分析图由于在这一阶段里 , 第二级活塞相对于第一级 活塞不动 , 所以对第二级活塞和 第一级活塞作为整 体进行受力分析 , 受力平衡方程式如下 :p 1(S 1+S 2=p 2S 1a +F (8第 二级活塞受力平衡方程式如下 :p 1S 2+f 2=p 2S 2a +F (9 由于f 2 0因, 此 , 式 (9 可写成 :p 1S 2 p 2S 2a +F (10由式 (8 得 :p 1=p 2S 1a +FS 12(11 令 :3=p 1S

11、 2=21a S 1+S 2p 2+2S 1+S 2F (12 4=p 2S 2a +F(13图 7 为 3和 4随 p 2 变化关系曲线 .从图中可以看出 , 负载 F , 第一级活塞右端有效面积 S 1a 及第二级活塞右端有效面积 S 2a 变化对 3和 4影响曲线的形状是一 致的 .要扩大液压缸的 正常工作区间 , 可以通过采取增大负载 F 和增大 第二级活塞 右端有效面积 S 2a 的方法 , 也可以通过 减小 S 1a 的方法 .若保证 4 p 2 3p 2则 3和 4随 p 2关系如 图 8所示 . 从图中可以看出 , 在任何条件下都可以 满 足第二级活塞先回缩 .由4 p 2 3

12、 可p 推2得 S 2a S 2 S 1a S 1+S 2, 此表达 式为在任何条件下 , 保证液压缸正常工作的几何条 件 , 此结论 与第二 级活塞回缩 阶段的结论是 相同 的 .图 8 42 3条件下 3和 4随 p 2 变化曲线 3 系统故障分析前面提到的液压系统中液压缸参数为 :第一级活塞的活塞直径为 140mm , 活塞杆外径为 120mm ; 为 , 为526 佳 木 斯 大 学 学 报 （自 然 科 学 版2006年70mm . 经 计 算 可 得 :S 1=103. 62cm 2, S 1a =40.82cm 2, S 2=50. 24cm 2, S 2a =11. 78cm

13、2.S 2a S 2=50. 24=0. 22, S 1a S 1+S 2=103. 62+50. 24=0. 26, 所以得 2a S 21a S 1+S 2由于 此 液压 缸的 活塞尺寸 不满 足 S 2aS 2S 1aS 1+S 2, 因此其正常工作受到区域的限制 , 图 9为负载 F =2KN 时此液压缸回 缩时第二级活塞回缩 阶 段工作曲线图 . 从图中可以看出 , 此液压缸正常 工作的 p 2 范围为 08MPa , 而系统的实际工作压 力为 14MPa , 因而出现第一级活塞先缩回问 题 . 在 此过程中 , 若使换向阀回到中立位置 , 由于换向阀 中位机能为 Y 型 , 所以

14、p2=0, 使液压缸的工作状 态又进入正常工作 区 , 因此出现了 大活塞快速外 伸 , 小活 塞杆快速回缩 , 负载急剧下落 , 不能保证负 载回落时停在任意位置的现象液压缸回缩时第二级活塞回缩阶段工作曲线图图 10 修改后的液压系统原理图 为了达到设计的预期要求 , 若重新设计制造 液压缸是比较麻烦的 , 通过反复实验 , 考虑了液压缸回程过程中负载 F 变化的影响 , 对液压缸回程过 程中工作压力 p 2进行了限 制 , 系统做了如图 10 所 示的 更 改 , 液 压 缸 回程 过 程 中 工 作 压 力 p 2=4MPa , 系统可以正常工作 . 换向阀处中立位置时 , 液压泵在低压

15、下运行 .4 结 论通过对一种活塞式双作用多级液压缸工作过 程分析 , 详细讨论了影响此种活塞 式双作用多级液 压缸工作状态的液压缸几何因素和系统压力因素 , 主要得到以下几 条结论 :(1 通过对液压缸回缩过程的两个阶段活塞 受力分析 , 得出保证液压缸按正常 顺序回缩的几何条件是一致的 . 若 2a S 2P 2ma x 时 , 液压缸不能按正常顺序 回缩 , 即液压缸回缩时不能保证停在任意位置 , 系统 工作不正常 ; 若 S 2aS 2S 1aS 1+S 2时 , p 2max ,即 p 2为任何值 , 液压缸都能 按正常顺序回 缩 . 在负载 F =0时 , 可取 S 2aS 2S

16、1aS 1+S 2(2 从图 4(d 和图 7(d 可以看出 , 负载 F 对 P 2max 有影响 , 增大负载 F 可以增大 p 2max . 另外 , 对于在液压缸回缩过程中负载有变化的 , 进行系统设 计要考虑负载变化对 p 2max 的影响 , 在这种情况下 , p 2max 不再为定值 .(3 使用活塞式双作用多级液压缸的目的是 保证液压缸可靠回缩 , 并使液压缸 回缩时有一定的 速度 . 但由于为了保证液压缸的强度和刚度要求 , 一般情况下 , 无 杆腔与有杆腔的活塞有效面积比较 大 , 造成液压缸回缩时回油流量较大 , 无杆腔形 成 较高背压 , 要想保证液压缸回缩时有一定的速

17、度 , 必须在设计系统时 , 考虑油路 的尺寸 , 以通过减小 p 1降低 p 2, 使液压系统的工作点落在正常工作区 间内 , 同时 有利于系统节能 . 参考文献 :1 刘会国 . 双作用伸缩式液压缸 J . 液压与气动 , 2003, 9:62. 2 孙伟 , 张 丽萍 . 同步二级伸缩液压缸的研究 J . 机床与液压 ,2006(2 :135-136.Design and Application of a Double Acting Telescopic Hydraulic Cylinder, H 527第 4 期 臧克江 , 等 : 一种双作用多级液压缸的设计与应用(College o

18、f Mechanical Engineering , Jiamus i University , Jiamusi 154007, ChinaA bstract : In this paper , geometric element of hydraulic cylinder and mechanics element of hydraulic system were made clear , which can affect action order of double acting telescopic hydraulic cylinder based on analysis of flex

19、 pr ocess . And design principle and natural work condition of hydraulic cylinder were ascertained . It provide theor y gist for design and application of double acting telescopic hydraulic cylinder .Key words : hydraulic ; double acting ; telescopic cylinder(上接 506 页参考文献 :1 Erich Ganm , et al . Des

20、ign Patterns Elements of Reus able Object _Ori -ented Soft ware M . 北京 :机械工业出版社 , 2000.2 邹娟 , 田玉敏 . 软件设 计模式的选择 与实现 J . 计算机工程 ,2004, 30(10 :79-81.3 周小健 , 余东梅 , 张聚礼 . 基于设计模 式的软件体系结构研究 J . 甘 肃工业大学学报 , 2003,(12 .4 曾志明 , 朱江 , 张立立 , 钟耳顺 . 设计模式在可复用 GIS 软件开 发中的 应用 J . 计算机工程 , 2006, 32(7 :67-68.The Applicati

21、on of Design Pattern in ReusableMIS Software DevelopmentCH EN Li -yan , L U Xing -fe ng(College of Computer Science and Technology , Heilongjiang University , Harbin 150080, ChinaA bstract : This paper presents the importance of design pattern in reusable MIS software development , Three typical des

22、ign patterns , Adapter , Factory and Bridge pattern , which are implemented in MI S software development ar e elaborated .Key words : design pattern ; MIS software development ; reusable software(上接 508 页参考文献1 苏东水 . 产业经济学 M . 北京 :高等教育出版社 , 2000, 287. 2 王威 , 崔明明 . 复杂系 统评估的 综合层次 分析法 J . 海 军大学学报 , 2006

23、, 2.3 秦寿康 . 综合评价原理与应用 M . 北京 :电子工业出版社 , 2003.Application of AHP Method on a Choice of Predominant IndustryW A NG Jun(Dalian Jiaotong University , department of Number principle , Dalian 116028, ChinaA bstract : This paper starts from the dominant situation that predominant industry occupies in domes

24、tic econo -my . With those main elements which effect the production . The author applies AHP method to compose and assemble the predominant from different levels of the economic efficiency , the economical scale , the technology advancement , the industrial connection and so on , and arrays the choice systems