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2 0 1 5年 1 月 第 4 3卷 第 2 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDR AULI C S J a n． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 2 6 某精密载车油气悬挂缸故障分析 屈武斌 ，王斌，冯保忠，王举 西北机电工程研究所，陕西成阳 7 1 2 0 9 9 摘要对某精密载车油气悬挂缸使用过程中出现的漏油故障进行了讨论 ，通过分析计算，确定环形腔出现高压油液是产 生问题的直接原 因，缸体结构缺陷是产生问题的根本原因 ，在此基础上对现缸体结构进行 了优 化改进 。最后 。指 出了在油气 悬挂缸设计 和使用过程中应该 注意 的问题。 关键词精密载车；油气悬挂缸；漏油；优化改进 中图分类号 U 4 6 3 ． 3 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 2 - 0 8 1 2 F a i l u r e An a l y s i s f o r Hy d r o p n e u ma t i c S u s p e n s i o n Cy l i n d e r o f P r e c i s i o n Ca r r i e r Ve h i c l e Q U Wu b i n ，WA N G B i n ，F E N G B a o z h o n g ，WA N G J u N o r t h w e s t I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l E l e c t ri c a l E n g i n e e r i n g ，X i a n y a n g S h a a n x i 7 1 2 0 9 9 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e o i l s p i l l i n g p r o b l e m o n h y d r o p n e u ma t i c s u s p e n s i o n c y l i n d e r o f p r e c i s i o n c a r r i e r v e h i c l e w a s d i s c u s s e d ma i n l y ．B y a ． n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n ，h i g h p r e s s u r e o i l a p p e a r i n g i n a n n u l a r c a v i t y wa s c o n s i d e r e d t o b e t h e d i r e c t c a u s e a n d t h e s t r u c t u r a l d e f e c t o f h y d r o - p n e u ma t i c s u s p e n s i o n c y l i n d e r wa s t h e r o o t c a u s e ． F i n a l l y n o t i c e s a b o u t t h e d e s i g n an d u s e o f h y d r o p n e u ma t i c s u s p e n s i o n c y l i n d e r we r e p o i n t e d o ut ． Ke y wo r d s P r e c i s i o n c a r r i e r v e h i c l e；Hy d r o p n e u ma t i c s u s p e n s i o n c y l i n d e r ；Oi l s p i l l i n g ；I mp r o v e me n t 某精密载车是一种需要满足高平顺性要求的特种 车辆 1 ] 。在运输某精密设备过程中，需要车体具有 良 好 的缓冲减振 性能 ．若采 用传统 的机械 弹簧式或扭杆 式悬挂方式 。远不 能满足使用要 求。油气 悬挂系统具 有非线性的刚度特性和较好 的行驶平顺性 。集弹性 元 件和阻尼元件于一体，具有普通钢板弹簧无法比拟的 优点，如单位储能比大、结构紧凑、在车辆上容易布 置等 。目前 国内相 当一部 分的研究工作 主要集 中在 原 理介绍 、计算机仿 真分析 等方面 ，定性研究 较多 ，定 量研究很少 2 ] ，自主研发能力不 强 ，安 装有油气 悬挂 的车辆品种也较少_ 3 ] ，这样造成部分研究结果要达到 指导设计和生产加工还有一定距离，并且不同的使用 环境 和载荷路况 ，油气悬挂缸 的结 构形式也有一 些差 异，故障现象也各不相同。文中对某精密载车油气悬 挂缸 出现的漏油故 障进行 分析与探讨 ，对缸体结 构进 行了优化改进。 1 油气悬挂缸原理 某精密载车用油气悬挂缸为单气室油气 弹簧结构 ． 结构原理如 图 1 所 示 ，具有结 构简单 、工 作可靠 、可 实现车体高度调节等优点。该油气悬挂缸通过上绞座、 下绞座分别与车体和轮系连接，在上、下绞座 内部， 设置有关节轴 承 ．活塞 杆可 以在 外缸 筒 内往 复运 动 活塞左部为 A油腔。浮动活塞可 以在活塞 杆 内往复运 动 ，其左侧为 B油腔 ，右侧 为气 腔 ，充 有一定压 力 的 氮气 。活塞上安装 有两个反 向的单 向阀 ，单 向阀体上 有一个定阻尼孔和一个变阻尼孔。定阻尼孔为常开 的， 变阻尼孔开度会随单 向阀弹 簧的压缩程度变化 。阻尼 孔的作用是用来降低油缸反弹速度 ．减小地面冲击对 车体的影响，达到平顺性 目的。对阻尼孔的尺寸，在 设计时可先进行估算，然后采用试验手段进行验证。 l 一 上 绞 座2 一 活 塞卜活 塞 杆4 一 浮 动 活 塞 5 一外 缸筒6 一 螺堵7 一 下 绞座 图 1 油气悬挂缸结构原理图 载车在静态时 ， 油气悬 挂缸的 A油腔和 B油腔都 充满相同压力的液压油， 此时气腔被压缩，悬挂缸内 的油气压力和车体 负载达到平衡。当车辆行驶过程 中 遇到冲击 时 ，外缸筒 和活塞杆 相对压缩 ，A腔油液 压 力增 大 ， 压 力油通 过阻尼孔进入 B油腔并推动浮动活 塞压缩气体， 起到缓冲减振作用。当气腔体积增大时， 浮动活塞向左运动压缩 B油腔 ．压力油通 过阻尼孔流 向A油腔， 阻尼孔吸收冲击能量使车体平稳回弹， 起到 减振作用。该油气悬 挂缸在 载车上 安装时 ，A油 腔通 过油 口与液压 系 统相 连。启 动液 压泵 ，打开 换 向 阀、 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 0 1 作者简介 屈武斌 1 9 8 2 一 ，男 ，硕士 ，工程 师，主要从事液压与机械方面的设计研发工作。E - m a i l q w b 3 2 4 1 6 3 ． e o m。 8 2 机床与液压 第 4 3 卷 截止阀，向悬挂缸 A腔注入压力 油时 ， 油液通过 阻尼 孔进入 B油腔 ，推动浮动活塞向右移动 ，氮气被压缩 ， 气腔压力升高． 当油气压力超过载车负载时活塞杆外 伸 ， 车体升 高 ；当松 开截 止 阀时，在车体 自重作 用下 活塞杆收回。A油腔 和 B油 腔 向外排 油 ，车体 下 降， 实现载车的升 降功能。根据负载工 况 ，载 车在上路行 驶之前 ，需将油气悬挂缸调整 到设 计高度 ，以保证整 车的通过性能 。 2 故障现象 在一次操作过程 中，当载车快调升到最 高位 ，油 气悬挂缸的活塞杆即将伸 出到最长位置过程 时 ，出现 了螺堵处向外线状喷油现象 ，说明环形 腔内有高压油。 此环形腔设计 目的是作为悬挂缸的行程限位 ，正常情 况下密封在环形腔 内的主要是空气和为润滑 目的而滴 加 的少许液压油 。活塞采用一对格莱 圈组 件密封 ，两 侧各装有一个导 向带 ，经检 查活塞上格莱圈组件安 装 正确 ，无 明显磨损。上 绞座与外缸筒 、外缸筒 与右端 盖均采用 0形 圈密封。单缸试验最高压力达到 2 5 MP a ，远超过液压系统溢流阀调定压力 1 1 MP a 。油气 悬挂缸在 台架试验 过程 中，密封状态 良好 ，没有 出现 漏油现象。 3 原 因分 析 3 ． 1 液压油来 源分析 从 图 1 可 以看 出．环形 腔出现液压油 只能是从活 塞左端的 A腔通 过密封处渗 人。载 车在行驶 过程 中 ， 油气悬挂缸 的活塞杆一 直处于往复运动 的状 态 ．并且 频率较高 ，格莱 圈密封环虽 能够刮除液压油 ，但仍会 有一层很薄的液压油不能返回 A油腔 ．会逐渐在环形 腔内聚积．尽管油膜的厚度很小，但长时间累积．积 累的油 液量 还是 比较多 的。实 际上 。因为 油膜厚 度 、 运动行程、往复次数不同、加工误差等因素影响会有 很大差别，如某模锻电液锤一天进人到气腔的液压油 就能够达到 2 L _ 4 ] 。 3 ． 2 液压 油高压分析 正常使用过程 中。悬挂缸各腔不应该出现高压油 ， 它不仅会使设备操作人员暴露在危 险环境 中。而且 会 使缸体受力超过初始设计，加速缸体损坏。现以图 1 所示油气悬挂缸为研究对象进行分析，假定此时上绞 座固定，活塞杆能够伸出或收回，在达到平衡状态时， 油气悬挂缸需满足公式 F油 F腔F 负 载 1 式中F 油 为 A油腔提供的力，单位 N ； F 为环形腔提供的力，单位 N； 截为油气悬挂缸负载 ，单位 N 。 则有 P油 1 T r 油2 P腔， 丌 r 一r 2内 腔 F 负 载 2 式 中 P 为 A油腔压力 ，单位 P a ； r 为 A油腔半径，单位 m； p 为环形腔压力，单位 P a ； r 为环形腔小径 ，单位 m。 该油气 悬挂 缸外 缸 筒 内径 5 0 t n i n ，环形 腔 内径 4 7 ． 5 ra i n ．A腔工作 压力为溢 流压力 1 1 M P a ，载车每 个油气悬挂缸的负载约为 2 5 0 0 0 N，则有 p 油 r ‘油一 ’负 载 1 1 1 0 。 x 3 ． 1 4 x 0 ． 0 5 一 2 5 0 0 0 丌 r 一r 2 3 ． 1 4 x 0 ． 0 5 2 _ 0 ． 0 4 7 5 8 0 ． 1 MPa 可知环形腔内的油液压力最高可达 8 0 ． 1 M P a ，高 于所选格莱圈 的密封压力 7 0 MP a ，也 比螺堵加垫 圈的 密封能力要高得多。通常情况下，3 2 MP a以上即可视 为超高压 ，环形腔内压力实际上取决于最薄弱密封处。 当环形腔 内液 压油被持续压缩 ，就 可能超过密封件 的 密封能力造成 漏油或产生其他危 险因素，并且高压 油 液反过来 会影 响密封 件 的密封性 能 ，降低 使用 寿命 ， 即使阶段性的检查能够通过螺堵将环形腔内的油液排 掉 ，但此 时密封元 件 已经 出现破 坏性 损坏 。实 际上 ， 不止在载车升到最高位时可能 出现漏 油 ，假 如在行车 位置时环形腔内渗入的油液足够多，正好占满环形腔 体积 ，液压油可视为不可压缩 ，当车体受到 冲击时油 气悬挂缸等 同于部分 刚性 ．失去 了缓 冲减振 功能 ，可 能对精密仪器设备产生灾难性后果。 4 优化 改进 从上述分析看 ，环形腔产生高压油是产 生喷油 的 直接原因 ，悬挂缸缸体结构不合理是产 生问题 的根 本 原因，必须对悬挂缸进行改进设计。该油气悬挂缸在 长期工程应用 中 ，使用效果还 是 比较理想 的。经试 验 测试 ， 正 常使用条件下底盘 中部 的振 动加速度均方 根 值小于 1 ． 9 6 m S ～．满足精密仪器运输平顺性要求。 在基本不改变原 有结 构的情况下 ．对 缸体进行局部 改 进 ，在工程上来说是最理想 的处置方式 ，对 已经投 入 使用的悬挂缸也不会产生大的改造费用 。 综合 以上分析 。可以采 取将 A油 腔和环 形腔连通 的方式来降低 环形腔 内的高油压 。右端盖与左 端盖处 的密封方式相 同，一 直没有 出现过漏 油现象 ，右端盖 与活塞杆处采用了两道格莱圈组件进行密封，密封压 力7 0 M P a ．比最高工作压力 1 1 MP a 高得多，可以保证 密封性 能。但 该油气 悬挂 缸 的环 形腔 径 向尺 寸较小 ， 没有足够空间设置连通孔 ．可结合现有 的螺 纹孔进行 改进．改进后的结构布局如图 2 所示。在外缸筒靠近 油口位置．同样打一个 M6的螺纹孔 ，用端直通加组 合垫圈密封并拧紧， 两个端直通用 1 0 m m的不锈钢 下转第 8 9页 第 2期 张欣 等 基于 C F D的微流体滤波器数值模拟及优化研究 8 9 0 ． 0 3 0 4 0 ． 0 3 0 2 o ． 0300 霜 0 ． 0 2 9 0 } 岜 辍 0 ． 0 2 9 6 0 ． 0 2 9 4 ， L ＼＼ l ／ ／ l 3 m m 处截面 ＼ 2 _ _ 6 mm处截 面 ＼／ 0 ． 03 0 2 0． 03 0 0 露 0 ．02 9 8 怛 糍 3 蓑 ／ ／ l 3 m m 处截面 ＼ 2 6mm处截 面 ＼ ／ 一 0 ． 0 30 目 O - 0 3 0 O 0 30 霸 瘩 0 ．o 2 9 糍 a 产 5 0 0 Hz b ．产1 0 0 0 Hz 图 5 脉动频率-厂 对微通道各截面平均速度的影响 3 结 论及 建议 采用 C F D软件对一种新型微流体滤波器的滤波 过程进行数值计算 ，分析了周期平均速度、脉动速度 振 幅 、脉动频率对 微流体滤波器滤波效率 的影 响 ，研 究表 明 微 流体 滤波器第一级滤波腔 的滤波效率受周 期平均速 度 影 响较 大 ，表 现为 周 期平 均速 度 相对 越 大 ．第一级滤波腔的滤波效率越低；而第二、第三级 滤波 腔的滤 波效率受 周期平 均速度 、脉动 速度 振幅 、 脉动频率 的影响均较小 。可忽略不计 。这也进一步说 明微 流体滤 波器适 用性较广 ，有很大 的应用前景 。 参考文献 [ 1 ]徐泰然． M E MS和微系统一 设计与制造 [ M] ． 北京 机械 ／ ， _ J ＼＼ 蛊 | 3 ／ ／ 1 l3 m m 处截面 ＼ 2 _ - 6 m m 处截面 ＼ ／ 3 9 mmJ m 面 工业 出版社 ． 2 0 0 4 ． [ 2 ]庞并涛， 战长青， 刘理天， 等． 具有微流量检测功能的集 成流量泵驱动结构[ J ] ． 仪表技术与传感 ， 1 9 9 8 ， 3 4 3 1 - 5． [ 3 ]车志刚， 熊良才， 龙芋宏， 等． 微流体控制系统研究及其 应用前景[ J ] ． 流体机械 ， 2 0 0 6 ， 3 4 1 2 4 1 4 5 ． [ 4 ]马立人， 蒋中华． 生物芯片[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 O 0 0 ． [ 5 ]张保柱， 吴健康． 弯曲微通道周期性流动和液体混合效 率分析 [ J ] ． 华 中科技大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 2 5 2 0 2 3 ． [ 6 ]汪洪丹． 微流体系统的数值模拟 [ D] ． 武汉 华中科技大 学 ． 2 0 0 8 ． 上接第 8 2页 管连接。为保证工艺性和装配方便性 ，在对称位置同 样 布置有相 同的连接管路 。这样环形腔 内液压 油始终 与 A腔保持畅通，活塞两侧不会出现压力差 ，并且 管路 通流面积相对阻尼孑 L 尺寸要大得多 ，对 阻尼孔 的 减振性 能影 响很小 。此时还可 以考虑去掉活塞上 的格 莱 圈密封组 件 ，仅 保 留 导 向带 ，不 仅 简化 了活塞 结 构 ，而且能够降低加工精度要求。 图 2 油气悬挂缸结构原理 图 5总结 针对某载车油气悬挂缸喷油故障进行了讨论 ，确 定缸体结构缺陷使环形腔产生高压是根本原因．并提 出了优化改进的方法。在油气悬挂缸的设计和使用过 程中，应该注意到以下问题 1 在初步结构设计 时 ，一定要分析各个 不同腔 内压力 、油液流量等参数 在极限或特殊条件下 的可能情况 ，分析缸体是否会在 运动过程 中 出现高 压 、真 空 、大 流量 等现 象 ； 2 合理设计结构方式 ，不仅能够改善使用条件 。而且能 够减小对密封件 的使用要求 ，降低设计成本 ； 3 密封件选型前要确定使用温度 、速度 、接触压力 、介 质等条件参数，以选用合适的密封组件； 4 目前 油气悬挂理论研究相对较多 ，但与实际使用相结合的 文献资料 比较少 ，对较贵重 、对减振性能有苛刻要求 的设备 ，油气悬挂缸在设计完成之后必须做足够 的试 验进行验证 ，才能够在产品上使用。 参考文献 [ 1 ]王跃进 ， 李鲜红 ， 王斌 ， 等． 气 液悬 挂系统 在精 密仪 器运 输车上的应用[ J ] ． 火炮发射与控制学报 ， 2 0 0 8 9 3 3 3 6． [ 2 ]甄龙信， 张文明． 单气室油气悬架 的仿真与试验研究 [ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 9 5 2 9 0 2 9 4 ． [ 3 ]李春艳， 谢东升， 陈轶杰 ， 等． 论油气悬挂的性能特点及 研究现状[ J ] ． 机械制造， 2 0 0 8 1 0 5 9 6 2 ． [ 4 ]孟凡武， 胡大勇， 康建伟． 电液锤活塞密封窜漏的原因分 析及改进[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 1 4 7 4 8 ． [ 5 ]成大先． 机械设计手册 [ M] ． 北京 化学工业 出版社。 2 0 02
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