基于CFD的高速液压缸缓冲过程研究

　　目前,液压缸的缓冲方法有外部控制法和内部控制法两种。外部控制法即在其控制回路上安装节流阀或其它形式的流量控制装置,一般结构较复杂,应用较少;内部控制法是在液压缸内部设置缓冲装置,它结构简单、工作可靠、体积小、缓冲性能较好、应用广泛。

　　缸内缓冲装置的原理是利用与活塞相连的缓冲柱塞和与缸体相连的缓冲孔之间的间隙逐渐减小,液流阻力逐渐增大而实施缓冲的^[1-3]。

　　1 数学模型

　　高速大功率液压驱动系统的液压缸内缓冲过程可分为断面收缩局部压力损失、锐缘节流和缝隙节流3个阶段,如图1所示。

　　当圆锥形缓冲柱塞离缓冲孔较远时,缓冲腔的油液通过缓冲孔流出。由于流道断面突然收缩(图1(a)),产生局部压力损失,流量方程为

　　当缓冲柱塞离缓冲孔较近时,缓冲柱塞的边缘和缓冲孔的边缘形成锐缘节流(图1(b)),流量方程为

　　当缓冲柱塞进入缓冲孔中,则形成缝隙节流(图1(c))。当只有缓冲柱塞前段圆锥体的一部分进入缓冲孔中时,流量方程为

　　当缓冲柱塞后段圆柱体的一部分也进入缓冲孔后,流量方程为

　　假设由式(2)计算的锐缘节流流量小于或等于由式(1)计算的断面收缩局部损失的流量时,可认为缓冲开始进入锐缘节流阶段,即由式(1)、(2)整理后得

　　同理,当缝隙节流的流量小于锐缘节流的流量即可认为缓冲进入缝隙节流阶段,由式(2)、(3)整理得

　　在整个缓冲过程中,假设油液粘度和密度是不变的,以差动液压缸为例,研究高速大功率液压驱动系统缓冲过程的数学模型,液压系统见图2。对于液压缸有杆腔与供油压力ps直接连通的差动液压缸系统(图2(a)),活塞的力平衡方程为

　　对于液压缸动作不频繁,活塞高速运动所需的瞬时大流量液压油主要依靠蓄能器供油的差动液压缸系统(图2(b)),蓄能器排油推动活塞运动的作用相当于一个预压缩的刚度为k的弹簧作用在液压缸的活塞上,弹簧预压缩的弹性力为p₀A₀,可写出活塞的力平衡方程为

　　式(7)、(8)中,局部损失阶段q₁=1、q₂=0,锐缘节流和缝隙节流阶段q₁=0、q₂=1,气体弹簧刚度为

　　缓冲腔V₁及容腔V₂流量方程分别为

　　式(10)、(11)中β_e是油液的弹性模量,由于缓冲过程压力的变化较大,β_e值将随压力变化而变化^[3],这在计算中是必须考虑的。缓冲腔V₁容积是变化的。