气液弹簧复位液压缸及其系统设计

　　1　概述

　　对于远距离分散布置液压缸驱动的液压系统,由于受到空间布置等方面的制约,需要单一油口驱动液压缸来减少液压管路,液压缸在另一方向的运动需要弹簧自动复位。而有时受液压缸本身结构的限制,机械弹簧又无法提供液压缸复位所需足够大的弹性力,为此我们设计了气液弹簧复位的液压缸系统。

　　2　气液弹簧的表述符号

　　V_GO——气体初始容腔

　　p₀——气室充气压力

　　p₁——气体(液体)工作压力

　　p_FO——液体初始压力

　　S——弹簧侧液压缸活塞面积

　　Xmax——液压缸行程

　　k——弹簧刚度

　　F——弹性力

　　α——气液弹簧压缩系数

　　3　气液弹簧的构成、特点和工作原理

　　由隔离开的气体和液体两种介质共同作用于液压缸活塞并且具有弹簧特性的结构称作气液弹簧。它由充满液压介质的缸筒及可移动的活塞所构成的容腔(液腔)和充有压力气体的蓄能器(气腔)及相关的管路所构成。该种弹簧对温度变化不太敏感,可以获得合适的初始弹性力和弹簧刚度。与纯气体弹簧相比,可改善活塞杆的润滑,气腔可以直接选用蓄能器,简化了气液弹簧复位液压缸的设计。

　　气液弹簧的工作原理见图1。图示为弹簧的零位,当活塞杆向右位移一个距离x时,通过液体介质压缩气体初始容腔VGO并使之变小,使气腔压力升高,该压力通过液体介质反作用于活塞,产生弹性力。当活塞杆恢复到零位时,气体容腔恢复到初始空腔VGO,弹性力同时回到原来数值。

　　4　气液弹簧的弹性力F、气液弹簧压缩系数α和弹簧刚度k

　　考虑到液压缸的工作环境和特点,按照等温过程分析:

　　p₀V_G0= p₁(V_G0-Sx) 　　(1)

　　气体(液体)工作压力:

　　7

　　弹性力:

　　这里α为气液弹簧压缩系数,且

　　对式(4)求导可以得出气液弹簧的刚度:

　　由式(4)可以看出,气液弹簧的弹性力F与位移x成非线性关系,分别与气室充气压力p0和弹簧侧液压缸面积S成正比。气液弹簧的弹性力F与位移x的关系曲线见图2。

　　气液弹簧压缩系数α的理论取值范围为:0<α<1,在工程应用中α的一般取值范围是在0·1~0·8之间。参考图2,若α取值过大,使弹簧刚度k变化过大,在行程的终点区域将使气体(液体)工作压力p1骤然升高,弹性力F过大,气腔和液压缸的设计耐压能力就要升高;若α取值过小,气腔容积就要增大,使整个弹簧结构增大,此时弹簧刚度k变化较小,弹性力F在整个工作区域比较平坦。