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液壓油缸緩沖裝置設(shè)計(jì)的探討

楊永福魯超
（卡特彼勒（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450103）

液壓油缸作為液壓支架中非常重要的組成部分，通過(guò)液壓沒(méi)缸活塞運(yùn)動(dòng)速度來(lái)提高生產(chǎn)效率，但隨著液壓油缸活塞運(yùn)動(dòng)速度的加快，會(huì)對(duì)缸底產(chǎn)生較大的撞擊力，從而對(duì)液壓支架的正常性能帶來(lái)較大的影響，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的緩沖裝置，從而減小活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所對(duì)缸底帶來(lái)的撞擊力，盡可能的降低對(duì)液壓支架正常的使用性能的影響。文中從液壓油缸緩沖結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)述入手，分析了常用的緩沖結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步對(duì)緩沖裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體的闡述。

液壓油缸；緩沖結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 緩沖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

在當(dāng)前液壓支架液壓油缸中，最為常用的緩沖裝置是通過(guò)緩沖柱塞及節(jié)流閥來(lái)確保固定節(jié)流的實(shí)現(xiàn)。主要以緩沖閥、節(jié)流口、單向進(jìn)油口、端蓋、單向閥、緩沖腔、緩沖柱塞、活塞等八個(gè)部分為主。在液壓油缸工作過(guò)程中，緩沖活塞進(jìn)入到緩沖腔中，這時(shí)緩沖腔內(nèi)的油液針流入到節(jié)流口內(nèi)，然后排入，從而在腔內(nèi)形成一定的緩沖壓力，有效的確保了活塞運(yùn)動(dòng)速度的降低，確保了緩沖目的的實(shí)現(xiàn)。

2 常用的緩沖結(jié)構(gòu)

2.1 采用固定節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)

設(shè)定在理想狀態(tài)下，不對(duì)油液的不可壓縮性和粘性阻尼進(jìn)行考慮，來(lái)對(duì)固定節(jié)流方式的緩沖裝置進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液壓油缸在加壓力和負(fù)載共同作用下時(shí)，活動(dòng)速度較高，而當(dāng)浸入到緩沖裝置時(shí)，緩沖會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)的加速度，在緩沖腔中形成較大的壓力，所以對(duì)于固定節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)在低速及輕載的簡(jiǎn)單油缸內(nèi)具有較好的適用性。當(dāng)對(duì)緩沖縫隙寬度進(jìn)行增大時(shí)，可以降低腔內(nèi)的壓力峰值和緩沖負(fù)加速度，從而增大緩沖形式，有利于緩沖時(shí)間的延長(zhǎng)。所以為了能夠有效的確保固定節(jié)流方式緩沖結(jié)構(gòu)的不足之處，在對(duì)緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)劑地，可以將節(jié)流面積設(shè)計(jì)為較大值，這樣在緩沖進(jìn)行過(guò)程中，緩沖結(jié)構(gòu)的節(jié)流面積會(huì)逐漸減少，從而使腔內(nèi)的壓力平緩進(jìn)行過(guò)渡，保持腔內(nèi)的壓力的平穩(wěn)性。這樣固定節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)活塞在運(yùn)動(dòng)時(shí)則會(huì)平穩(wěn)的進(jìn)行減速。這就需要在設(shè)計(jì)時(shí)要漸變節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到節(jié)流面積隨緩沖的進(jìn)行而改變。

2.2 采用漸變節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)

漸變節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)主要有四種形式，即梯形節(jié)流、拋物線形節(jié)流、錐形節(jié)流和笛形節(jié)流，通過(guò)利用汽漸變節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)可以有效的降低加速度，減小緩沖沖擊力，對(duì)于提高緩沖的效果具有非常重要的作用。

當(dāng)采用階梯形節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)，由于這種結(jié)構(gòu)制動(dòng)時(shí)間比較短，當(dāng)柱塞進(jìn)入到緩沖孔后，其活塞的速度則會(huì)快速降低，而且在緩沖過(guò)程中，柱塞和緩沖孔的縫隙則會(huì)變小，從而緩沖速度和壓力也會(huì)減小。但這種結(jié)構(gòu)往往在緩沖開始時(shí)具有較大的壓力，導(dǎo)致活塞受到較大的沖擊，所以階梯形節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)在一些速度較低而且需要承受較大沖擊的簡(jiǎn)單工況上具有較好的適用性。

拋物線節(jié)流結(jié)構(gòu)由于其可以在工況要求較高的條件下進(jìn)行適用，在結(jié)構(gòu)加工上具有復(fù)雜性，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要重視參數(shù)的設(shè)置，從而確保能夠得到較為平穩(wěn)的緩沖壓力。

液壓油缸圓錐緩沖節(jié)流裝置上有非常廣泛的應(yīng)用，其內(nèi)部的柱塞和緩沖孔之間的間隙隨著緩沖形成的進(jìn)行而漸變的，具有非常好的壓力峰值，特別是當(dāng)柱塞浸入到緩沖孔內(nèi)部時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生較大的壓力峰值，然后壓力峰值會(huì)快速降低。

在一些振動(dòng)要求小及活塞速度要求較高的工況中適用于笛形緩沖結(jié)構(gòu)，由于在笛形緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)有阻尼孔，而且當(dāng)緩沖行程增加時(shí)，緩沖孔也會(huì)隨之減少，流通面積變小，這種結(jié)構(gòu)無(wú)論是減速度還是緩沖壓力都較為理解，但在結(jié)構(gòu)加工過(guò)程中對(duì)精度具有較高的要求。

3 緩沖裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 緩沖裝置進(jìn)行模型化設(shè)計(jì)

液壓油缸緩沖裝置可以采用節(jié)流式緩沖裝置模型，是一種可調(diào)節(jié)的緩沖裝置。這種緩沖裝置的設(shè)計(jì)原理為：緩沖塞在外力的作用下，進(jìn)入緩沖腔內(nèi)，使得腔內(nèi)的油液流入節(jié)流口，然后流出。其中，緩沖裝置中的活塞端通常是由緩沖柱塞構(gòu)成的，上面設(shè)有緩沖內(nèi)孔，當(dāng)柱塞進(jìn)入到內(nèi)孔后，缸蓋將會(huì)在節(jié)流閥的位置排出，給活塞的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)了一定的阻力，減慢了活塞的運(yùn)動(dòng)速度。通過(guò)改變節(jié)流口的開度，可以控制活塞的緩沖程度，單向進(jìn)油口與單向閥相連，控制活塞的向右運(yùn)動(dòng)，此外，還設(shè)有一個(gè)在高壓力的限制閥，保證緩沖腔內(nèi)的壓力不能超過(guò)額定壓力值。

3.2 控制距離及速度

在優(yōu)化設(shè)計(jì)液壓油缸緩沖裝置的控制距離及速度時(shí)，首先，假設(shè)所有的運(yùn)動(dòng)部件都是質(zhì)點(diǎn)，形成一個(gè)研究的質(zhì)點(diǎn)系，將以下物理量設(shè)置為已知量：制動(dòng)前活塞的運(yùn)動(dòng)速度、進(jìn)油腔有效面積、活塞直徑、所受到的壓力、緩沖柱塞直徑和緩沖腔有效接受面積，制動(dòng)前活塞會(huì)受到重力、摩擦力和負(fù)載力。一般情況下，緩沖裝置中運(yùn)動(dòng)部件受到較大的作用力，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，可以將重力、摩擦力和負(fù)載力設(shè)為總的負(fù)載力。在分析緩沖柱塞在某個(gè)位置的距離與速度時(shí)，可以利用動(dòng)能微分方程計(jì)算出總的負(fù)載力的大小。

3.3 最小緩沖容量設(shè)計(jì)

在液壓油缸設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)其緩沖裝置的緩沖形成越大時(shí)，則其所能達(dá)到的緩沖效果則會(huì)越好。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，則會(huì)將柱塞的緩沖形成設(shè)為一個(gè)固定值，這樣在對(duì)緩沖腔的面積增大時(shí)，則會(huì)有效的提升緩沖效果。這就需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)液壓油缸緩沖裝置的緩沖腔面積和柱塞的直徑進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而確保達(dá)到最佳的緩沖效果。液壓油缸緩沖容量的設(shè)計(jì)需要考慮的因素較多，需要通過(guò)對(duì)工況質(zhì)量的具體情況進(jìn)行計(jì)算后，來(lái)對(duì)柱塞的長(zhǎng)度和緩沖腔的面積進(jìn)行確定，并進(jìn)一步確保達(dá)到最佳的緩沖效果。

結(jié)語(yǔ)

液壓支架中液壓油缸緩沖裝置的應(yīng)用，不僅可以有效的降低沖擊過(guò)程中給油缸帶來(lái)的不良影響，而且能夠延長(zhǎng)油缸的使用壽命。目前較為常用的液壓油缸緩沖結(jié)構(gòu)分別為固定節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)和漸變節(jié)流方式的緩沖結(jié)構(gòu)，無(wú)論在哪種緩沖裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，都需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，采用模型化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到有效的控制距離和速度，確保緩沖容量的合理性，從而達(dá)到最佳的緩沖效果，這對(duì)油缸工作性能及液壓支架作用的有效發(fā)揮都具有極為重要的意義。

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