楊波，高燕雯

(長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064)

液壓驅(qū)動(dòng)的活塞式消防泵，是一種通過油缸推動(dòng)水缸活塞桿運(yùn)動(dòng)，使水缸中的水產(chǎn)生壓力，再經(jīng)由水缸出水閥排出的供水設(shè)備。當(dāng)采用高壓大流量供水時(shí)，由于負(fù)載 (由水產(chǎn)生)和油缸質(zhì)量大，往復(fù)速度高，因此，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到油缸端點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生很大的沖擊與噪聲，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞活塞。為避免此現(xiàn)象的發(fā)生，需在油缸末端設(shè)置緩沖裝置。文章采用截面為矩形的恒截面和變截面組合的節(jié)流槽對(duì)活塞進(jìn)行緩沖，從而達(dá)到減速緩沖的效果。

1 油缸組合緩沖裝置緩沖原理與建模

1.1 緩沖原理

油缸緩沖結(jié)構(gòu)如圖1所示，在油缸緩沖桿處設(shè)置了n個(gè)節(jié)流槽 (n為偶數(shù))，每個(gè)節(jié)流槽都是由截面為矩形的恒截面矩形槽和變截面矩形槽組合而成，如圖1(b)所示。當(dāng)油缸末端進(jìn)入緩沖腔時(shí)，緩沖桿上的滑塊首先與油缸末端壁面接觸，由于活塞與活塞桿的慣性，活塞繼續(xù)前進(jìn)，壓縮彈簧，油液經(jīng)由滑塊與緩沖桿組成的矩形節(jié)流槽過流斷面流入油缸回油口。隨著彈簧的壓縮，緩沖腔體積逐漸減小，矩形節(jié)流槽過流斷面的面積逐漸減小，緩沖壓力增大，緩沖加速度增大，活塞速度減小，直到活塞桿速度降為零時(shí)結(jié)束。

圖1 油缸緩沖結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)學(xué)模型

設(shè)緩沖桿直徑為d緩，緩沖腔壓力為p緩;油缸活塞直徑為D油，活塞桿直徑為d，進(jìn)油壓力為p油i，不考慮摩擦力。在緩沖過程中，水缸中的水已經(jīng)基本排出，因此，由水產(chǎn)生的負(fù)載與緩沖壓力相比，可以忽略不計(jì)。則:

設(shè)恒截面的面積為A1，行程為l1，變截面的面積為A2，行程為l2，緩沖過程中進(jìn)油腔繼續(xù)供油。

(1)恒截面緩沖減速過程

當(dāng)緩沖套與油缸末端壁面接觸，緩沖過程即開始，首先是恒截面緩沖，有:

式中:m為運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量，kg;a1為恒截面緩沖過程中的加速度，m/s2;v為緩沖過程中活塞的運(yùn)動(dòng)速度，m/s;Q緩為緩沖過程中從節(jié)流口流出的流量，m3/s;K為節(jié)流系數(shù);A0為節(jié)流槽過流斷面的面積，

m3。

對(duì)于如圖1(b)所示的矩形節(jié)流槽，設(shè)恒截面矩形的寬、高分別為b、h0，矩形節(jié)流槽的個(gè)數(shù)為n，則節(jié)流面積為:A0=nbh0。由式 (1)得:

故:

當(dāng)x=0時(shí)，v=v0，x的取值范圍為0≤x≤l1，積分式 (3)，得:

當(dāng)x=l1時(shí)，

將式 (4)代入式 (2)中，得到:

當(dāng)x=0時(shí)，加速度最大，此時(shí):

將式 (6)代入式 (1)，得到恒截面緩沖時(shí)最大緩沖壓力為:

(2)變截面緩沖減速過程

在變截面緩沖減速的過程中，矩形截面的高度隨行程在不斷產(chǎn)生變化，設(shè)矩形寬度為b，高度為h，則，即:，故截面面積:則有:

式中:a2為變截面緩沖過程中的加速度，單位為m/s2。

由式 (9)得:設(shè)變截面節(jié)流槽產(chǎn)生等減速效果，則由v21=

－2a2l2，得:

對(duì)應(yīng)行程為x的緩沖速度為v2=(－2a2)(l1+l2－x)，故:

由式 (13)可知，緩沖壓力為一個(gè)常數(shù)，變截面緩沖過程為勻減速運(yùn)動(dòng)。

將式 (11)代入式 (9)的第一個(gè)式子中得:

2 仿真模型設(shè)計(jì)

由法國(guó)Imagine公司最早推出的AMESim，作為一款優(yōu)秀的仿真軟件，目前已經(jīng)成為流體、機(jī)械、熱分析等復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域建模和仿真優(yōu)先選擇的平臺(tái)。在AMESim的HCD庫中選擇合適的元件，并結(jié)合液壓與信號(hào)庫中的元件，建立緩沖油缸運(yùn)動(dòng)全過程的仿真模型如圖2所示。在油缸的整個(gè)工作過程中，進(jìn)油腔持續(xù)供油。

圖2 AMESim仿真模型

在仿真模型中合理設(shè)置參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型參數(shù)

按照文獻(xiàn) ［6］設(shè)置節(jié)流槽的流量系數(shù)。文獻(xiàn) ［7］詳細(xì)地闡述了各種節(jié)流槽面積的計(jì)算方法，此處不再贅述。按照文獻(xiàn) ［7］所述的方法計(jì)算節(jié)流槽的過流面積隨緩沖行程的變化，如圖3所示。

圖3 節(jié)流槽面積

3 仿真結(jié)果

3.1 節(jié)流槽寬度b對(duì)緩沖效果的影響

在AMESim仿真模型中，分別設(shè)置節(jié)流槽寬度b為2、4、6、8 mm，其他參數(shù)保持不變，然后開始仿真。仿真結(jié)束后，分別繪制活塞緩沖速度、緩沖壓力隨活塞位移的變化曲線，如圖4(a)、(b)所示。

由圖4(a)知，節(jié)流槽寬度越小，活塞的末速度越低，對(duì)缸桶壁造成的沖擊越小，但是過小的節(jié)流槽寬度導(dǎo)致活塞速度變化過快，磨損加劇。由圖4(b)知，節(jié)流槽寬度越小，緩沖壓力峰值越大;節(jié)流槽寬度增大，緩沖壓力峰值雖然減小，但是建立緩沖壓力時(shí)間加長(zhǎng)。綜合考慮，選擇節(jié)流槽寬度為4 mm，此時(shí)，活塞末速度較低，且變化緩慢，同時(shí)能較快的建立起緩沖壓力，且壓力峰值較低。

圖4 節(jié)流槽寬度b對(duì)緩沖效果的影響

3.2 節(jié)流槽深度h0對(duì)緩沖效果的影響

在AMESim仿真模型中，分別設(shè)置節(jié)流槽深度h0為1、3、5、7 mm，寬度b為4 mm，其他參數(shù)保持不變，然后開始仿真。仿真結(jié)束后，分別繪制活塞緩沖速度、緩沖壓力隨活塞位移的變化曲線，如圖5(a)、(b)所示。

圖5 節(jié)流槽深度h0對(duì)緩沖效果的影響

由圖5(a)、(b)知，節(jié)流槽深度h0對(duì)緩沖效果的影響與節(jié)流槽寬度b對(duì)緩沖效果的影響基本相似。綜合考慮，選擇節(jié)流槽深度h0為3 mm。

3.3 節(jié)流槽個(gè)數(shù)n對(duì)緩沖效果的影響

在AMESim仿真模型中，分別設(shè)置節(jié)流槽個(gè)數(shù)n為2、4、6、8個(gè)，寬度b為4 mm，深度h0為3 mm，其他參數(shù)保持不變，然后開始仿真。仿真結(jié)束后，分別繪制活塞緩沖速度、緩沖壓力隨活塞位移的變化曲線，如圖6(a)、(b)所示。

圖6 節(jié)流槽個(gè)數(shù)n對(duì)緩沖效果的影響

由圖6(a)、(b)可知，節(jié)流槽個(gè)數(shù)n對(duì)緩沖效果的影響與節(jié)流槽寬度b對(duì)緩沖效果的影響基本相似。綜合考慮，選擇節(jié)流槽個(gè)數(shù)n為4個(gè)。

4 結(jié)論

綜合以上仿真分析可知，節(jié)流槽寬度b、深度h0與節(jié)流槽個(gè)數(shù)n對(duì)油缸緩沖效果的影響相似，即，節(jié)流槽寬度b、深度h0與個(gè)數(shù)n越小，活塞緩沖的末速度越小，但是活塞速度變化劇烈，導(dǎo)致磨損加劇，同時(shí)，緩沖壓力峰值急劇增大;增大節(jié)流槽寬度b、深度h0與個(gè)數(shù)n，緩沖壓力峰值減小，但是建立緩沖壓力時(shí)間加長(zhǎng)，同時(shí)，活塞末速度加大，造成活塞與缸筒壁的沖擊加大。因此，在設(shè)計(jì)油缸緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)，需要綜合考慮節(jié)流槽寬度b、深度h0與節(jié)流槽個(gè)數(shù)n對(duì)緩沖效果的影響，選擇最佳的參數(shù)組合，使緩沖效果最好。

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