新型高速液压缸内缓冲装置及其特性的研究

　　0　引　言

　　在高频液压系统中,高速液压缸作为主要的执行元件,其往复频率和运动速度很高。例如,在电液可变气门系统中,高速液压缸的往复频率可达133 Hz[1-2]。而在一些高速大功率的控制场合,液压缸活塞的运动速度甚至高达每秒几十米[3]。为了避免产生强烈的振动与冲击,保证系统平稳工作,提高系统的可靠性和工作性能,需要对液压缸活塞完成运动行程前采取缓冲措施。目前,液压缓冲按照控制方式的不同主要分为两种:一种是液压缸外部控制,即在液压缸外部安装液压缓冲器或者在其回路上设计缓冲回路实现缓冲。这类缓冲控制的动态响应频率不高,且需要较大安装空间,因此一般应用于换向频率不高,运动过程固定的场合[4]。另一种是液压缸内部控制,通过在液压缸内部设计缓冲装置实现缓冲,其具有结构简单、体积小等优点[5]。

　　为使高速液压缸实现快速平稳的缓冲要求,本研究提出一种新型高速液压缸缓冲装置。

　　1　缓冲装置结构及缓冲机理

　　新型高速液压缸内缓冲装置结构原理图如图1所示。高速缸活塞杆穿过缸筒伸出液压缸外与负载相连,在活塞回油端台阶相应位置上打孔以逼近理想的缓冲节流面积。

　　缓冲过程可以分为两个阶段:第一阶段,为了使高速缸活塞快速开启,回油阻尼不能过大以减少回油阻力,δ1数值可以取得较大,这样有杆腔油液可以通过圆环形断面回油箱,加快其开启速度从而减少开启时间;第二阶段,气门位移达到L1时,环形缝隙数值变为δ2<δ1,此时由于δ2数值较小,利用多孔节流来实现气门缓冲,使高速缸活塞达到最大行程时速度为零从而减少开启冲击。由于相应缓冲位置上节流孔径及数量都是根据理想节流面积而设置的,因此可以取得较为理想的缓冲效果。

　　该缓冲方式的优点在于:①缓冲性能好,具有较为理想的缓冲节流面积,因此使得缓冲压力和减速度相对变化较小,活塞近似做等减速运动;②响应速度快;③结构较为简单,不用增加附加元件,从而不会使系统结构变得复杂。

　　2　缓冲装置结构参数优化设计

　　理想的缓冲装置应在其整个缓冲过程中保持缓冲压力恒定不变,因此在整个缓冲进程中活塞的减速度也是恒定的,则有:

　　v²=2ax 　　(1)

式中　v—活塞运动速度;a—活塞的减速度;x—活塞在缓冲区内位移。

　　节流口流量平衡方程为:

式中　Aro—高速缸活塞回油腔面积;Cd—流量系数;Abt—缓冲节流面积;Δpb—缓冲节流口前后压差;ρ—油液密度。

　　活塞减速度为: