油缸缓冲仿真研究

　　油缸是液压系统的执行元件,而缓冲装置是油缸设计中必须考虑的问题。在活塞带动较大质量运动时,具备了很大的动能,当活塞运动到油缸的端点时,产生很大的冲击,甚至损坏油缸部件。为了避免此现象的发生,本文仅从油缸端部结构加设缓冲装置,从而缓解冲击现象。

　　缓冲装置类型很多,从油缸端部结构考虑也有很多形式[1],这里从易加工角度选择回转体表面作为油缸端部结构,以利于精密加工。理想的缓冲装置是活塞运动到油缸的端点前,逐渐减速,活塞运动到油缸的端点时,速度为零,冲击最小[2]。

　　1　油缸缓冲原理与建模

　　油缸端部缓冲是靠改变可变节流口实现的,其工作原理如图1所示,随着活塞运动,可变的排油口通流面积由缓冲柱塞的位置所决定,越接近端点,通流面积越小,速度越低。

　　设活塞运动速度v0,活塞面积为A1,活塞杆面积A2,缓冲柱塞大端面积A3,缓冲柱塞小端面积A4,运动部件的负载为R,工作腔的压力为P₁,回油腔的压力为P₂,缓冲油腔出口压力为P₃,则缓冲时排出的油液流量Q:

　　活塞的运动速度:

式中:Cq———流量系数(由实验确定),对于矿物油Cq=0.6~0.7;

　　A_T———节流口的通流截面面积;

　　ρ———液体的密度,ρ=900 kg/m³;

　　ΔΡ———节流口前后的压差ΔΡ=P₂-P₃。

　　当活塞缓冲运动时,油缸是处于换向或接近端部停止过程中,此时工作腔的压力P₁=0,在无背压条件下缓冲腔出口的压力P₃=0,因此△P=P₂,

　　R=P₂(A₁-A₂)=ma 　　(3)

　　则

　　2　油缸缓冲仿真分析

　　从加工角度看,缓冲柱塞采用回转面,假设油缸缓冲柱塞长度L,缓冲柱塞大端半径R3,小端半径r4,则:通流面积为AT=π{R3²-r²(x)}。

　　若油缸按等减速运动a=-v₀/t₀,v=-v₀/t₀(t-t₀)

　　则:AT=π{R3²-r²(x)}=v/ k′

即:

　　r²(x)=R3²+v0/(t0πk’)(t-t0) 　　(5)

式中:

　　仿真数据需要根据常值负载R和运动部件的质量m来进行计算,选取油缸缓冲柱塞大端半径R₀,小端半径r0=(d+6)/2,缓冲行程L=50~100 mm,这里对包钢高炉液压泥炮回转油缸进行仿真分析,油缸内径D=180 mm,活塞直径d=100 mm,回转时的恒定负载仅为运动部件的摩擦力取R=0,m=6 000 kg,R₃=65 mm,L=80 mm ,t0=5 s,v0=80 mm/s。