一种被动式液压缓冲器原理及工作过程仿真研究

　　0　引言

　　高速大功率液压驱动系统中,液压缸活塞在负载的带动下运动速度很高,在停止运动前必须进行适当的缓冲和制动,防止产生强烈的撞击,从而提高系统的工作性能和寿命。液压缓冲方法主要包括两种:一是液压缸外部控制,即在控制液压缸的回路中安装节流阀或其他形式的流量控制装置,一般结构较复杂;二是液压缸内部缓冲,即在液压缸内部设计缓冲装置实现缓冲,结构简单,缓冲性能较好[1-3]。

　　作者提出了一种被动式缓冲器的设计方案,对该缓冲器的工作原理和缓冲过程进行了理论分析,并仿真研究了不同参数对缓冲效果的影响。

　　1　被动式液压缓冲器原理

　　被动式液压缓冲器的结构如图1所示。活塞杆与高速运动的负载刚性联结,活塞与活塞腔之间有一定的环形缓冲缝隙δ,工作过程中活塞腔的油液排出到外油箱内。当活塞进入缓冲腔时,缓冲腔内的油液流出面积突然缩小为缓冲通道和缓冲缝隙。由于流体的压缩性有限,缓冲腔内压力迅速升高,给活塞一个向下的作用力,使其减速运动至停止。环形缓冲缝隙加工好后较难改变,通过调节缓冲通道的大小,可以使被动式缓冲器适应不同负载质量和初始速度的要求。

　　缓冲器的缓冲过程可分为3个阶段:第1阶段,活塞处于缓冲腔的最下端,缓冲器内的油液经缓冲通道和并联通孔流出(图1);第2阶段,随着负载的运动,活塞距离缓冲腔较近,活塞边缘与缓冲腔边缘之间的锐缘口形成锐缘节流,缓冲通道形成突缩损失,这些阻力对活塞形成液体压力,迫使活塞减速运动(图2(a)),该阶段称为锐缘节流阶段;第3阶段,活塞进入缓冲腔,油液经活塞与缸筒之间的环形缓冲缝隙和缓冲通道流出而形成缝隙节流,缓冲通道形成突缩损失,这些阻力使活塞减速运动,直至停止(图2(b)),该阶段称为缝隙节流阶段[4]。

　　2　被动式液压缓冲器工作过程分析

　　2·1　流量方程

　　缓冲器运动时的总流量Q_total

　　其中:Dpis为活塞直径;Drod为活塞杆直径;Apis为活塞的有效作用面积为活塞位移。

　　由油液的压缩性引起的流量Q_com^[5]

　　其中:β_e为流体的体积弹性模量;L为活塞的最大行程; pcha为缓冲腔内的油液压力。

　　活塞进入缓冲腔前(图2(a)),通过锐缘口的流量Q_ori

　　其中:x_ini为活塞距离缓冲腔的初始距离,x_pis

　　活塞进入缓冲腔后,通过缓冲缝隙的流量Q_^gap

　　其中:δ为活塞与缓冲腔之间的缓冲缝隙,δ=为流体流过缓冲缝隙产生的压力损失;μ为流体动力黏度。