侯友山， 宋慧新， 段國柱

(中國北方車輛研究所 北京 100072)

某搖臂懸掛油缸端部設(shè)有用于降低端部峰值壓力和降低活塞運(yùn)動(dòng)速度的端部緩沖結(jié)構(gòu)，但在實(shí)際工作過程中仍發(fā)生高速運(yùn)動(dòng)活塞與端蓋剛性撞擊現(xiàn)象，油缸內(nèi)部伴有異響、噪聲等問題，這是由于缸筒端蓋預(yù)設(shè)的阻尼孔尺寸偏大沒有起到預(yù)期的節(jié)流緩沖作用，無法正常抵消活塞運(yùn)動(dòng)的慣性力和液壓力的作用，所以活塞運(yùn)動(dòng)到末端時(shí)與端蓋發(fā)生剛性撞擊，造成端蓋部件損壞，并產(chǎn)生沖擊振動(dòng)和噪聲.因此有必要對(duì)某搖臂懸掛油缸端部阻尼孔直徑大小進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到緩沖目的[1-3].

1 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立

某搖臂懸掛外形如圖1所示，圖中油缸端部阻尼孔大小的設(shè)計(jì)基本原則是要求油缸端部油液峰值壓力及在有效行程內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)度最低.

圖1 某搖臂懸掛外形圖

某搖臂懸掛油缸端部阻尼孔緩沖結(jié)構(gòu)如圖2所示.當(dāng)活塞高速運(yùn)動(dòng)至行程末端時(shí)，活塞圓柱端進(jìn)入端蓋圓柱形凹腔，封閉腔的油液從油缸端蓋上的細(xì)長阻尼孔流出.這時(shí)，排油阻力增大，封閉腔壓力升高，活塞行駛速度降低起到緩沖的作用.某懸掛油缸端部緩沖時(shí)要求盡量控制封閉腔液壓油的峰值壓力及降低活塞運(yùn)動(dòng)速度，以防止活塞與端蓋剛性撞擊及損壞密封.

圖2 油缸端部阻尼孔緩沖結(jié)構(gòu)示意圖

為了分析圓柱柱塞進(jìn)入端蓋凹腔后阻尼孔緩沖過程動(dòng)態(tài)特性，下面推導(dǎo)建立了油缸端部阻尼孔流量方程及活塞負(fù)載力平衡方程.推導(dǎo)方程時(shí)假設(shè)液壓油不可壓縮且不考慮粘性阻尼.

油缸端部緩沖腔流量q為

q=A·v.

(1)

式中：A為緩沖腔活塞有效面積，m2；v為活塞緩沖速度，m2/s.

緩沖腔阻尼孔流量q′為

(2)

式中：d為阻尼孔直徑，m;μ為油液動(dòng)力粘度，Pa·s；l為阻尼孔長度，m；pl為緩沖腔壓力p1與排油腔壓力p2的壓力差，本模型中p2=0，pl=p1.

油缸活塞負(fù)載力平衡方程為

pl·A=m·a

(3)

式中：m為活塞及等效負(fù)載重量，kg；a為活塞運(yùn)動(dòng)減速度，m2/s.

活塞運(yùn)動(dòng)減速度a為

(4)

式中：v0為活塞緩沖初始速度，m/s;v為活塞緩沖速度，m/s;x為活塞位移，m.

聯(lián)立式(1)～式(4)可得緩沖腔壓力pl與活塞運(yùn)動(dòng)速度x的數(shù)學(xué)方程式：

(5)

2 實(shí)例分析

某搖臂懸掛油缸相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示.將表1數(shù)據(jù)代入到數(shù)學(xué)方程式(5)中并采用MATLAB進(jìn)行計(jì)算分析.

表1 某懸掛緩沖結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)

圖3是某搖臂懸掛油缸端部緩沖腔阻尼孔取值2 mm時(shí)所得出的位移-壓力-速度波動(dòng)曲線.從圖3中可看出，所選油缸端部緩沖腔阻尼孔尺寸為2 mm，當(dāng)活塞以0.8 m/s速度行至端部并開始減速制動(dòng)時(shí)，端部封閉緩沖腔最大壓力約2.1 MPa.活塞行程20 mm(圓柱塞有效深度尺寸)后緩沖腔壓力降至約1.8 MPa.活塞在緩沖區(qū)內(nèi)的速度由初速度0.8 m/s降至0.6 m/s，速度降低并不明顯，0.6 m/s的速度仍將導(dǎo)致活塞快速與缸筒端蓋發(fā)生剛性撞擊.圖3表明，某搖臂懸掛油缸端部緩沖阻尼節(jié)流口尺寸設(shè)計(jì)取值為2 mm不合適，該2 mm阻尼孔沒有起到預(yù)期的緩沖作用，需要進(jìn)一步減小阻尼孔尺寸.

圖3 阻尼孔2 mm對(duì)應(yīng)的位移-壓力-速度曲線

圖4是某搖臂懸掛油缸端部緩沖腔阻尼孔取值不同時(shí)所得出的位移-壓力波動(dòng)曲線.從中可以得知，阻尼孔分別取值2 mm、1.5 mm、1.2 mm、1 mm、0.8 mm、0.5 mm時(shí)，緩沖腔峰值壓力分別達(dá)到約2 MPa、8 MPa、16 Mpa、34 MPa、75 MPa、90 MPa.搖臂懸掛油缸端部密封靜壓力不宜高于40 MPa，所以依據(jù)圖4，建議阻尼孔尺寸可在1～2 mm間選取.

圖4 緩沖腔位移-壓力-速度曲線

圖5是某搖臂懸掛油缸端部緩沖腔阻尼孔取值不同時(shí)所得出的位移-速度波動(dòng)曲線.從中可以得知，在20 mm緩沖位移內(nèi)，阻尼孔分別取值2 mm、1.5 mm、1.2 mm、1 mm、0.8 mm、0.5 mm時(shí)，活塞速度分別減至約0、0.05 m/s、0.08 m/s、0.17 m/s、0.35 m/s、0.6 m/s.所以，建議阻尼孔尺寸可在0.5～1.2 mm間選取.

由圖4、圖5可知，某搖臂懸掛油缸端部緩沖腔阻尼孔尺寸建議取值1.2 mm，對(duì)應(yīng)的緩沖腔峰值壓力為16 MPa左右，而活塞速度能迅速降至0.17 m/s左右，峰值壓力控制在密封耐壓范圍內(nèi)且振動(dòng)與噪聲控制效果最好.

圖5 緩沖腔位移-壓力曲線

3 結(jié)束語

為了降低搖臂懸掛工作過程中油缸端部緩沖腔峰值壓力及活塞與端蓋碰撞產(chǎn)生的噪聲，以油缸端部的峰值壓力及活塞運(yùn)動(dòng)速度為優(yōu)化目標(biāo),建立了搖臂懸掛油缸端部阻尼孔緩沖結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，基于MATLAB建立了仿真模型并對(duì)高速緩沖過程動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析.通過優(yōu)化計(jì)算，確定了油缸端部阻尼孔最優(yōu)直徑尺寸為1.2 mm時(shí)，油缸端部峰值壓力降至16 MPa，活塞速度降至0.17 m/s，實(shí)現(xiàn)了峰值壓力及活塞運(yùn)動(dòng)速度的最低控制.

[1] 陳冰冰,壽松喬.液壓缸緩沖結(jié)構(gòu)的分析與計(jì)算[J].機(jī)電工程,1999,(5):239-241.

[2] 武曉鳳,趙秋霞，姚平善.液壓缸復(fù)合緩沖結(jié)構(gòu)及緩沖過程的分析[J].液壓與氣動(dòng),2013,(3):23-26.

[3] 張 雷.一種液壓缸緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2012,(5):40-42.