高速液压缸缓冲过程的研究

1、第33卷第8期钢铁V o l.33.N o.81998年8月I RON AND ST EEL A ugust1998高速液压缸缓冲过程的研究3丁凡(浙江大学摘要介绍了采用圆锥型缓冲装置的高速液压缸缓冲过程的理论分析和试验结果。认为整个缓冲过程可分为断面收缩局部压力损失、锐缘节流、缝隙节流三个阶段,并建立了该过程的数学模型,利用数学模型,分析了圆锥柱塞结构参数对缓冲速度及缓冲腔压力的影响。关键词液压系统液压缸缓冲过程STUDY ON CUSH I ON PROCESS OF H IGH SPEEDHYD RAUL I C CYL IND ERD I N G Fan(Zhejiang U n iv

2、ersityABSTRACTT h is p ap er in troduces the theo retical analysis and exp eri m en tal research fo rthe cu sh i on p rocess of a h igh sp eed hydrau lic cylinder w ith cone typ e cu sh i on structu re1It iscon sidered that the w ho le cu sh i on p rocess is divided in to th ree stages,w h ich are l

3、ocal p res2su re lo ss cau sed by acro ss secti onal area sh rink ing,sharp edge th ro ttling and ap ertu re th ro t2tling1T he m athem atical m odel of the cu sh i on p rocess has been develop ed1B ased upon them athem atical m odel,the influence of the structu ral p aram eters on the cu sh i on ve

4、locity andthe p ressu re of cu sh i on cham ber is analysed1KEY WORD Shydrau lic system,hydrau lic cylinder,cu sh i on p rocess1前言冶金机械中的高速大功率液压驱动系统,液压缸活塞运动速度很高,因此在结束运动前必须进行适当的制动和缓冲,避免产生强烈的撞击和振动,使工作平稳,防止损坏传动部件,降低噪声。目前缓冲的方法基本有两种:一种是液压缸外部控制,是在控制液压缸的回路上安装节流阀或其它形式的流量控制装置进行缓冲,一般结构较复杂;另一种是液压缸内部控制,是在液压缸内部设计

5、缓冲装置来实现缓冲,结构简单,工作可靠,体积小,缓冲性能较好,因而应用广泛。缸内缓冲装置一般利用与活塞相连的缓冲柱塞,和与缸体相连的缓冲孔之间的间隙,油流过时产生阻力,达到缓冲目的。本文主要针对采用圆锥型缓冲装置液压缸的缓冲过程进行理论分析与实验研究。2缓冲过程的理论分析高速大功率液压驱动系统的液压缸,由于活塞运动速度很高,可以把缓冲过程分为三个阶段:第一阶段当圆锥形缓冲柱塞离缓冲孔较远时,缓冲腔的油通过缓冲孔流出,由于流道断面突然收缩,产生局部压力损失(图1(a;第二阶段当缓冲柱塞离缓冲孔较近时,缓冲柱塞的边缘和缓冲孔的边缘形成锐缘节流(图1(b;第三阶段当缓冲柱塞进入缓冲孔中,则形成缝隙节

6、流(图1(c。假设在整个缓冲过程中,油液粘度和密度是不变的,可建立各阶段的数学模型。第一阶段断面突然收缩产生局部压力损失的流量方程为Q=c fd242p(13国家自然科学基金资助项目(59175198联系人:丁凡,副教授,杭州(310027浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 图1缓冲过程的三个阶段F ig 11T h ree stages of cu sh i on p rocess第二阶段锐缘节流的流量方程为Q =c d d (l 0-x 2+(1+22p (2第三阶段缝隙节流,因缓冲柱塞的前段是圆锥体,后段是圆柱体,如果进入缓冲孔的仅是前段圆锥体的一部分,则流量方程为Q =d p (1+

7、2(1-1x -l 0l+26(x -l 0(21+2-1x -l 0l(3当缓冲柱塞后段圆锥体的一部分进入缓冲孔后,流量方程为Q =d (1+22p6l 1+2+2(1+2(x -l 0-l l(4假设由式(2计算的锐缘节流流量小于等于由式(1计算断面收缩局部损失的流量时,可认为缓冲开始进入锐缘节流阶段,即由式(1、(2整理后得(l 0- x 2+(1+2c f4c dd (5同样道理,当缝隙节流的流量小于锐缘节流的流量即可认为缓冲进入缝隙节流阶段,由式(2、(3经整理得(1+2(1-1x -l 0l +(x -l 0(21+2-1x -l 0l6c d2p(6当然这两个过渡点的进一步确定和

8、在两个阶段间是否存在过渡区,还待作更进一步的研究。以差动液压缸为例,讨论高速大功率液压驱动系统缓冲过程的数学模型,液压系统见图2,这时换向阀已完全切换,阀口相当于一个固定液阻R 。对于液压缸有杆腔与供油压力p s 直接连通的差动液压缸系统(图2(a ,活塞的力平衡方程为m x =p s A 0-c x -F -A 1p v1-d 24(q 1p v1+q 2p v2(7图2差动液压缸缓冲过程的液压系统F ig 12H ydrau lic system fo r the cu sh i on p rocessof differen tial cylinder对于液压缸动作不频繁,活塞高速运动所需

9、的瞬时大流量液压油主要靠蓄能器供油的差动液压缸系统(图2(b ,蓄能器排油推动活塞运动的作用相当于一个预压缩的刚度为k 的弹簧(图2虚线作用在液压缸的活塞上,弹簧预压缩的弹性力为p 0A 0,可写出活塞的力平衡方程55钢铁m x =p 0A-k (x +x 0-c x -F -A 1p v1-d 24(q 1p v1+q 2p v2(8式(7、(8中,局部损失阶段q 1=1,q 2=0,锐缘节流和缝隙节流阶段q 1=0,q 2=1,气体弹簧刚度k =211p112017V-1Tp -1114A20(9缓冲腔V 1及容腔V 2流量方程分别为pv1V1e=(A1+q 1d 24x -Q (10pv

10、2V2e =Q +q 2d 24x -c dv Av2p v2(11式(10、(11中e 是油液的弹性模量,由于缓冲 过程压力的变化较大,e 值将随压力变化而变化3,这在计算中是必须考虑的。缓冲腔V 1容积是变化的V 1=(l 0+l 1+l -x A 1+V 10(13式中Q 通过缓冲孔的流量 m 3s -1;c f 流道断面突然收缩的流量因数;油液密度 kg m -3;p 压差,即p =p v1-p v2 Pa ;d 缓冲孔直径 m ;c d 锐缘节流的流量因数;m 活塞及负载等的折算质量 kg ;l 缓冲柱塞圆锥体的长度 m ;l l 缓冲柱塞圆柱体的长度 m ;p s 供油压力 Pa

11、;p 0蓄能器预充油压力 Pa ;p v1缓冲腔V 1的压力 Pa ;p v2V 2容腔的压力 Pa ;V 1,V 2缓冲腔及V 2容腔的容积 m 3;V T 蓄能器的容积 m 3;k 气体弹簧刚度 N m-1; p 蓄能器的气体压力 Pa ;c 活塞及负载等的折算粘性阻尼系数N s m-1;x 0活塞运动的初始位置到进入缓冲时的距离 m ;e 油液的弹性模量 N m-2;A 0,A 1有杆腔,缓冲腔油压有效面积 m 2;F 负载力 N ;l 0开始进入缓冲到缓冲孔的距离 m ;x 活塞位移 m ;缓冲柱塞圆柱体与孔的间隙 m ;l 间隙 m ;油的动力粘度 Pa s ;V 10V 1缓冲腔中

12、不变部分的容积 m 3;A v 换向阀阀口过流面积 m 2;c dv 换向阀阀口流量因数。3试验图3被试的圆锥形缓冲柱塞和缓冲孔的尺寸(图1(c ,1=2162,l =50(相当于3°锥角,=011,l 1=25,d =<35。试验用30号汽轮机油,油温22,采用蓄能器供油方式。图4最大误差为4%。可以看出理论计算与试验结果是较吻合的。图3缓冲过程计算与试验结果对比F ig 13Comparison of cacu lated and testresu lts for cu sh i on p rocess图4缓冲腔压力峰值的计算和试验结果比较F ig 14Comparison

13、 of calcu lated and test resu lts of p ressu re peak value in the cu sh i on cham ber4结构参数变化对缓冲过程的影响651998年第8期(1缓冲腔压力变化曲线中第一个压力峰值(图3、图5(b ,分析表明是锐缘节流阶段所产生的,说明锐缘节流对活塞缓冲速度的下降有明显的作用(图3、图5(a 。(21增大,可使缓冲腔峰值压力下降,但缓冲末速度增大。(3当1过大时,圆锥段的缓冲作用很小,而一进入圆柱段,则速度曲线会产生一个突然下降(图5(a 1=610曲线,缓冲腔压力则会相应出现一个峰值(图5(b 1=610曲线 。图51变化对缓冲速度及缓冲腔压力的影响F ig 15Effect of 1on cu sh i on velocity andp ressu re of cu sh i on cham ber5结论高速大功率液压驱动系统的理论分析和实验表明,用断面收缩局部压力损失、锐缘节流和缝隙节流三个阶段能较正确地反映缓冲的整个过程。根据不同的活塞的质量(含负载等的折算质量及负载力等,用所建立的数学模型,通过调整圆锥形缓冲柱塞和缓冲孔的结构参数,可寻得满