高速液压缸阶梯型缓冲结构与过程研究.pdf

高速液压缸阶梯型缓冲结构与过程研究 口王永良口孙艳玲口吴军辉 河南平高电气股份有限公司技术中心河南平顶山4 6 7 0 0 0 摘要对采用阶梯型缓冲结构的高速液压缸的缓冲过程进行分析，建立了相应的教学模型，并在此基础上利用 A M E S i m 软件进行仿真分析，通过与试验结果进行对比表明．仿真结果与试验结果基本吻合，最后对阶梯型缓冲的结构参 数进行了优化。 关键词缓冲 缝隙节流仿真A M E S i m 中图分类号T H l 3 7 ．5 1文献标识码A 文章编号1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 1 0 4 0 0 4 9 0 3 高速大功率液压系统中．液压缸驱动的负载质 量较大、运动速度很高，在液压缸到达行程终点时。 由于惯性的作用会产生液压冲击．使活塞与缸筒端 盖之间产生机械撞击．造成振动和噪声．甚至严重影 响工作精度和引起整个系统及元件的损坏．为此在 高速、大功率或要求较高的液压缸中往往要设置缓 冲装置。 液压缸中使用的缓冲措施．主要有硬缓冲和软缓 冲两类．软缓冲即在液压缸外的液压回路上采取措 施．如采用节流阀缓冲和应用缓冲回路等．一般结构 比较复杂．应用较少硬缓冲即在缸的结构上采取缓 冲措施．常见的由间隙式缓冲装置和节流孔缓冲装置 等．它结构简单、工作可靠、体积小、缓冲性能较好、应 用广泛。本文对采用阶梯型缓冲装置液压缸的缓冲过 程进行理论分析与仿真研究。 1缓冲过程的理论分析 液压缸缓冲过程的流场情况比较复杂．可以分为 三个阶段。如图1 所示第一阶段，当液压缸缓冲柱塞 进入缓冲区时。缓冲腔的油液通过缓冲套内孔流出， 由于流道弯曲突变产生局部压力损失第二阶段，当 缓冲柱塞接近缓冲套时．缓冲柱塞的边缘和缓冲套内 孔的边缘形成锐缘节流第三阶段．当缓冲柱塞进入缓 冲套中．过流面积随着行程不断变化．形成了阀口节流 与缝隙节流同时存在的情况。根据上述分析，以柏努 利方程作为流体压力损失的基础方程．建立缓冲过程 各阶段的压力损失方程。 1 第一阶段局部压力损失的流量方程为 - 2 r 一 g c d I 孚、／手△P 1 式中q 为通过缓冲套内孔的流量，m 3 ／ ；C d l 为流道突 变的流量系数；d 为缓冲套内孔直径，m ；P 为液体密 度，k g ／m 3 ；△p 为压差，P a 。 2 第二阶段锐缘节流的流量方程为 g 伽d 垤瓦了记i 2 式中C d 2 为锐缘节流的流量系数；6 ，为缓冲柱塞第1 段与缓冲套内孔的间隙．m L 为缓冲柱塞刚进入缓冲 时与缓冲套的距离，m ；石为缓冲柱塞位移，m 。 3 第三阶段由于阀口节流与缝隙节流同时存在。 需要分别讨论。其中阀口节流的流量方程为 g - 伽蕊、／手却- 3 收稿1 3 期2 0 1 0 年1 1 月 当雷诺数小于10 0 0 时，流场状态为层流状态，缝 _ 卜* - 卜- - - ●- - - - - 卜- - - 卜 - 卜 一卜- - - 卜- - 卜- 卜- 卜- - - ●呻- - ．斗 - 斗。一卜。_ 一- 卜- 卜。卜- ●一 B ．B r a s ，M ．W ．M e I n t o s h ．P r o d u e tP r o e e s s ，a n dO r g a n i z a t i o n a l D e s i g nf o rR e m a n u f a c t u r e [ J ] ．R o b o t i n ga n dC o m p u t e rI n t e g - r a t e dM a n u f a c t u r i n g ，1 9 9 9 1 5 1 6 7 - 1 7 1 ． 机床设计手册编写组．机床设计手册 第四册 [ M ] ．北京 机械工业出版社．1 9 9 7 ． 贾振超．机床主轴部件静动态性能研究f D ] ．沈阳东北大 学．2 0 0 6 ． 范培卿。荣辉．付铁。等．B K x I 型并联运动机床的实验模态 分析及灵敏度分析[ J ] ．现代制造工程，2 0 0 6 9 1 2 4 1 2 7 ． 成大先．机械设计手册 第四版 [ M ] ．北京化学工业出版 盛 机械制造4 9 卷第5 6 0 期 社．2 0 0 2 ． [ 7 ] 付铁，丁洪生，荣辉．B K X I 型变轴数控机床的有限元模态 分析[ J ] ．机械设计与研究，2 0 0 5 ，2 1 4 8 5 - 8 7 ． [ 8 ] 辛志杰，徐燕申，郭志全。等．基于实验分析的机床结构有 限元建模及其应用研究[ J ] ．机械强度，2 0 0 6 z 1 5 8 ． 『9 ] 博弈创作室．A N S Y S g ．O 经典产品基础教程与实例详解 f M l ．北京中国水利水电出版社．2 0 0 6 ． [ 1 0 ] 杨理诚，周新民，桑建兵，等．基于动态测试的机床主轴系统 仿真研究[ J ] ．机床与液压，2 0 0 6 6 2 1 7 - 2 2 0 ． △ 编辑小前 2 0 1 1 ／4 ，II 1j 1 J 心 口 H 喳 № 万方数据 隙节流的流量方程为 q 2 1 4 - 1 ．5 e ‘ 4 当雷诺数大于l3 0 0 时。流场状态为紊流状态，其 流量方程采用长孑L 节流损失计算公式 2 △P 2 - A 去争 5 ～￡- 当雷诺数大于10 0 0 而小于l3 0 0 时，取式 4 与 式 5 的平均值。 式中如为阀口节流的流量系数；肛为液体的动力粘 度，P a ．8 ；A 为沿程损失系数，A 0 ．3 6 1 4 倩e n 2 5 ；艿f 为缓冲 柱塞第i 段与缓冲套内孔的间隙，n l ；Z ；为缓冲柱塞第i 段的长度．Z 为进入缓冲套的阶梯长度，I n ；△p 。为阀口 节流的压差，△p 2 沿程损失的压差，m ；秽为液体流动的 平均速度，m ／s ；h 为缓冲套的宽度，m ；占为相对偏心率。 由于缓冲过程节流口特征转换很快，各种节流状 态的转换过渡区的鉴定比 较困难．即在不同过程中． 处于何种节流状态．建模 采用何种节流方程．不同 流场状态的转换点又如何 选取．这些问题目前的流 体理论不能完全解答。在 此假设由式 2 计算的锐缘 节流流量小于由式 1 计算 的局部损失的流量时．可 以认为缓冲开始进入锐缘 节流阶段同理当阀口节 流与缝隙节流的流量小于 锐缘节流的流量时．可认 为缓冲进入阀口节流与缝 隙节流阶段． 对于阶梯型内缓冲结 构的高速液压缸．其运动 学方程为 ㈣f2 0 1 1 ／4 净。向4 以也等手F m 。争’ 6 缓冲腔的流量连续性方程为 Q d 萨百d x 2 孚监d t 7 式中Ag l 、A 醇分别为缓冲腔与有杆腔的作用面积，m 2 ； 只，、匕分别为有杆腔与缓冲腔压力，P a 扩为液压缸内 阻力，N ；m 。为活塞与负载的等效质量，k g ；B P 为负载阻 尼，N ．s ／m ；F 为负载力，N ；菇2 液压缸位移，m ；t 为运动 时间，s ；Q 簖为缓冲腔流量，m 3 ／s ；V 簖为缓冲腔的容积， m 3 ；卢液体弹性模量，P a 。． 2 缓冲过程的A M E S i m 仿真与分析 根据上述数学模型．以某高压断路器液压操动机 构分闸过程为例．在A M E S i m 平台中建立其仿真模 型．如图2 所示，液压系统的主要参数如表l 所示。同 时利用测试平台缓冲腔压力传感器与液压缸加速度 机械制造4 9 卷第5 6 0 期勰 立矗血辑 ～弘 万方数据 传感器等与数据采集系统共同来检测液压系统缓冲过 程的动态特性．验证系统模型。 断路器分角过程中液压缸缓冲腔压力特性曲线对 比如图3 所示。由曲线可知，缓冲腔峰值压力实验值为 7 0 ．6M P a 。仿真值为7 4 ．3M P a ，相对误差5 ．2 ％，仿真与 实验结果基本吻合，仿真模型具有很高的准确度。 袭1液压系统的主要参数 参数名称 数值 额定工作压力／M P a3 2 液压缸内径／m m7 0 活塞杆直径／m m3 5 液压缸行程／m m1 8 0 蓄能器容积几2 0 液压油型号1 0 号航空液压油 环境温度，℃2 0 3 阶梯型缓冲结构的优化 通过对图3 缓冲腔压力曲线分析可以看出．缓冲 腔压力在整个缓冲过程中落差很大，而且峰值较高．并 不是一个理想的缓冲。过高的压力峰值会损害液压系 统的密封性能。引起液压系统的安全性问题．降低液压 系统寿命等一系列问题。在给定缓冲时间和末速度的 基础上尽可能地降低缓冲峰值压力是缓冲优化的一个 重要目标。 根据液压缸内缓冲．抛物线形缓冲是缓冲过程中 压力变化最小、峰值压力最小的一种。如果曲线参数选 择得当．可以得到非常近似的等减速和几乎不变的缓 冲压力。由于曲线加工复杂，通常用台阶型缓冲来近似 抛物线。 以理论计算的等缓冲压力抛物线作为阶梯包络线 的目标。对分合闸的缓冲阶梯间隙进行改变．并结合液 压系统的具体工况进行多次仿真。进行多次微调．得到 优化后的缓冲腔压力曲线。缓冲阶梯优化前和优化后 的结构参数对比如表2 所示。 裹2 优化前后阶梯尺寸对比 阶梯序号原始问隙尺寸／r a m 优化后间隙尺寸／n u n 蠡 0 ．50 ．8 是 0 ．4 50 ．7 2 南0 ．40 ．6 O ．3 0 ．4 8 魂 0 ．2 2 5O ．3 2 通过图4 分析可以看出．优化后缓冲腔峰值压力 下降到了5 1 ．2M P a ．比优化前7 3 ．6M P a 下降了 3 0 ．4 ％。曲线也较之前平缓，缓冲结构得到了很好的优 化。 盛 机械制造4 9 卷第5 6 0 期 4 结论 在阶梯型缓冲结构的高速液压缸的缓冲过程中． 根据仿真结果与试验结果对比分析．可以得出仿真曲 线和试验曲线吻合程度比较高．仿真模型具有较高的 指导意义。最后对某高压断路器液压操动机构的阶梯 型缓冲结构进行了优化分析．提出了一种较好的优化 方案。 参考文献 [ 1 ] 盛敬超．液压流体力学[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 8 0 ． [ 2 ]丁凡，路甬祥．短笛型缓冲结构的高速液压缸缓冲过程的 研究[ J ] ．中国机械工程，1 9 9 8 ，9 1 0 5 2 5 4 ． [ 3 ] 邵群．高速液压缸缓冲装置及其动态特性的研究[ J ] ．煤炭 科学技术，2 0 0 4 ，3 2 1 1 6 3 - - 6 5 ． [ 4 ] L I UJR ，J I NB ，X I EYJ ，e ta 1 ．I n v e s t i g a t i o no nt h e C h a r a c t e r i s t i c so f8N e wH i g h F r e q u e n c yT h r e e w a y P r o p o r t i o n a lP r e s s u r eR e d u c i n gV a l v ei nV a r i a b l eV a l v e S y s t e mo fA u t o m o b i l eE n g i n e [ J ] ．I n d i a nJ o u r n a lo f E n g i n e e r i n ga n dM a t e r i a l sS c i e n c e s ，2 0 0 9 ，1 6 1 7 - 1 3 ． △ 编辑小前 2 0 1 1 ／4 画 万方数据