一种高速双出杆液压缸缓冲装置的研究

　　0　引言

　　随着机械、电子、液压技术不断取得进展,高速液压系统应用越来越广泛,目前已有很多密封件生产厂家生产了高速运动用密封件,如液压缸缸筒密封的格来圈和活塞杆密封的斯特封以及导向环,它们都能用于高速液压缸,最高工作速度已可达15 m/ s;高性能的动力源和贮能元件,如大功率泵和大流量蓄能器能在短时间内提供大量高压液压油;高频响的电液转换器件,如高频伺服阀和电—机械转换器,这些都为提高高速液压系统的速度打下了良好的基础。但关键问题是如何使高速运动的液压缸在行程终点平稳停下来而不发生剧烈撞击,在大惯性负载、高速度的工况时,缓冲尤为重要。

　　1　工作原理

　　传统液压缸的缓冲原理如图1所示,其缓冲柱塞通常为圆柱形,当缓冲柱塞进入后端盖时,缓冲腔连通排油口的通流面积渐渐变小,最后变零。缓冲腔内油液被封闭,只能通过缓冲柱塞与后端盖的油道和节流阀流入后端盖的排油口。在缓冲腔被封闭的油液受活塞的挤压使缓冲压力上升到高于活塞另一侧的压力,使活塞减速制动,以达到活塞缓冲的目的。其中节流阀可根据液压缸负载情况调节节流孔的大小,即可控制缓冲腔内缓冲压力的大小。当活塞作反向运动时,高压油从单向阀进入液压缸内,活塞不会因推力不足而产生起动缓慢或困难的现象。传统的缓冲结构存在很多不足之处: (a)当用于高速双出杆液压缸缓冲时,缓冲柱塞与端盖之间为动密封,缓冲腔内瞬时高压很可能造成外泄漏; (b)缓冲装置作用在端部,当缓冲柱塞行程很大时,会使缓冲结构累赘,整个系统质量大幅增加; (c)由于高速液压缸需要的压力通常很大,缓冲腔内的最高压力很可能超过最高允许压力,为避免此压力对缸筒造成的破坏,常采用钢质材料或增加缸筒壁厚,使其难以应用在要求体积小、质量轻的场合。

　　新型高速液压缸缓冲装置的工作原理如图2所示,主要有缸筒、活塞杆、缓冲活塞等组成。活塞杆在高速运动过程中,缓冲活塞在弹簧力和液压力的作用下,紧贴活塞杆。当缓冲活塞运动到与端盖相碰时,进入到高速缓冲阶段。由于活塞杆继续高速向前运动,此时油液只能通过活塞和缓冲活塞之间的缝隙排出,形成节流缓冲。缓冲腔内压力上升使之高于活塞另一侧的压力,使活塞做减速运动。

　　2　数学模型

　　高速运动系统简化原理图如图3所示,主要有液压缸、主阀、蓄能器、2D阀等组成。蓄能器一腔充入氮气,另一腔充入高压油。当2D数字阀阀口打开时,主阀上下腔同时进入高压油,在弹簧力的作用下主阀关闭,此时液压缸无动作;当2D数字阀阀口关闭时,蓄能器内的油液克服主阀弹簧力的作用,使主阀打开,高压油在压缩气体的作用下,从主阀迅速进入液压缸的小杆腔,由于面积差的作用使液压缸活塞高速向下运动,大杆腔的油液回到蓄能器,形成差动连接,当缓冲活塞与端盖碰撞后,工作行程结束,进入缓冲行程。