液压缓冲器特性计算与仿真分析

　　引言

　　为了防止设备之间的刚性撞击,缓冲器作为安全保护装置得到广泛应用。缓冲器的作用是在运动部件的行程终端提供缓冲,延长冲击载荷的作用时间,吸收并转化冲击载荷的运动能量,从而尽可能地减小机械冲击对设备的不良影响。

　　本文针对目前液压缓冲器缓冲性能较差的技术问题,采用数学建模研究缓冲器的静态特性和动态特性,并对动态特性的影响因素进行分析。

　　1 液压缓冲器的静态特性分析

　　液压缓冲器以液压油作为缓冲介质,主要由活塞、缸体、弹簧、单向阀和胶套等元件组成。其工作原理如下:当限位轴撞击活塞头时,缓冲器的内、外腔之间产生压力差,油液在压力差的作用下,通过节流孔和球面缝隙由内腔向外腔流动,同时弹簧被压缩。冲击停止后,弹簧的压缩势能开始释放,推动活塞向外伸出,单向阀被打开,油液从外腔迅速流回内腔,使得活塞快速恢复原位,为下次撞击做好准备。液压缓冲器的静态特性主要是指缓冲时内、外腔的压差与油液流量的关系。因此在对液压缓冲器进行特性分析时,不仅要考虑节流孔对阻尼特性的影响,还要考虑球面活塞与缸壁间缝隙的阻尼特性,这样才能得出比较准确的液压缓冲器特性。

　　1.1 薄壁小孔的特性计算

　　缓冲器活塞上有3个节流小孔,其尺寸符合薄壁小孔条件,且在活塞运动过程中,节流孔面积不发生变化,由液压流体力学的薄壁小孔公式^[1]可得

　　其中

　　式中A_c—节流孔面积

　　Q—油液密度

　　p₁—内腔压强

　　p₂—外腔压强

　　Δp—内、外腔压差

　　Q₁—通过节流小孔的流量

　　C—流量系数,常取0.60~0.62

　　n—节流孔个数

　　d—节流孔直径

　　1.2 球面缝隙流特性计算

　　活塞运动过程中,油液在球面活塞与缸壁之间的流动称为压差-剪切流。压差流是油液在压差Δp作用下的流动,剪切流是由于活塞与缸壁的相对运动而引起的油液流动。压差-剪切流可以看作是纯压差流动和纯剪切流动的合成^[2]。

　　1.2.1 压差流特性计算

　　液压缓冲器是承受冲击的液压部件,压差流所占的比例比剪切流大。由于油液粘度较大,间隙较小,因此压差流在缝隙中主要表现出层流特性,可用分析层流的方法进行分析。实际工程中,由于制造、装配等原因使油缸和活塞都处于偏心状态,且缓冲器常常工作在侧向力很大的状况下,因此在考虑缝隙流时,须将球面活塞的偏心与偏转同时考虑进去。考虑活塞偏心的情况,活塞与缸壁的关系如图1所示(轴向视图),油液从活塞与缸壁之间的缝隙流过。