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2 0 1 5年 2月 第 4 3卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS F e b． 2 0l 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 4 DoI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 3 2 单活塞杆液压缸动态性能参数影响因素的研究 左 岗永 中国煤炭科工集团太原研 究院 ，山西太原 0 3 0 0 0 6 摘要以设计的单活塞杆液压缸为研究对象 ，建立了液压缸的数学模型，分析得到液压缸的动态性能参数固有频率和 阻尼比与液压缸的等效质量、负载容积、活塞面积和液压介质的弹性模量等因素有关。研究了活塞杆伸出过程中，液压缸 固有频率和阻尼比动态性能参数值的变化，对阀控缸系统和容积式调速回路系统的数学建模和分析有重要的参考价值。 关键词单活塞杆液压缸；固有频率 ；阻尼比 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 4 1 0 5 2 Re s e a r c h o n I mp a c t e d Fa c t o r s t o Dy na mi c Pe r f o r ma nc e Pa r a m e t e r s o f S i ng l e Pi s t o n Ro d Hy dr a u l i c Cy l i nd e r Z U0 Ga ng y o n g T a i y u a n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p C o r p ，T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e d e s i g n e d s i n g l e p i s t o n r o d h y d r a u l i c c y l i n d e r w a s s e l e c t e d a s t h e r e s e a r c h o b j e c t ，t h e ma t h e ma t i c a l m o d e l o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r w a s e s t a b l i s h e d ．I t wa s r e c e i v e d b y a n a l y z i n g t h a t t h e n a t u r a l f r e q u e n c y a n d d a mp i n g r a t i o o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r we r e r e l a t e d t o t he f a c t o r s s uc h a s e qu i v a l e n t ma s s， l o a d c a p a c i t y， p i s t o n are a， t he e l a s t i c mo d u l u s o f hy d r a u l i c me di um． I n t h e p r o c e s s o f t h e p i s t o n r o d s t r e t c h i n g o u t ，t h e c h a n g e s o f n a t u r a l f r e q u e n c y a n d d a mp i n g r a t i o o f t h y e h y d r a u l i c c y l i n d e r we r e o b t a i n e d， wh i c h h a d i mp o r t a n t r e f e r e n c e v a l u e t o t h e ma t h e ma t i c al mo d e l i n g a n d a n aly s i s f o r v alv e c o n t r o l l i n g c y l i n d e r s y s t e m a n d c u b a g e c o n t r o l l i ng r a t e s ys t e m． Ke y w o r S i n e p i s t o n r o d h y d r a u l i c c y l i n d e r ； N a t u r a l f r e q u e n c y ；D a m p i n g r a t i o 液压缸作 为液压系统 中的执行元 件 ，以直线往复 运动或 回转 摆动 的形式 ，将 液压 能转变 为机 械 能⋯。 液压缸结构简单 ，制造容易 ，实现直线往复运 动方便 ， 除单个使用以外，也可将几个组合起来或与其他机构 组合起来 ，完成特殊的功能，应用广泛 。 1 液压缸的分类和结构 液压 缸 按 其 结 构 形 式 可 分 为 活 塞 缸 、柱塞 缸 、 摆动缸 3类。按作用方式可分为单作用液压缸和双作 用液压缸 。按 活塞 杆 形式 可 分 为单 活塞 杆缸 和 双 活 塞杆缸 。 l 一缸体 2 _ 一 卡环 3 ～活塞密封 4 一活塞 s 一活塞杆 6 _ _ o形密封圈 卜 挡圈 缸盖 ～防尘圈 1 O 一导向环 图 1 双作用单活塞杆液压缸 设计双作用单活塞杆液压缸的结构如图 1 所示， 由缸体 1 、活塞 4 、活 塞杆 5 、缸 盖 8 、导 向环 1 0等 主要 零件组 成。两 端设 有 A、B油 口。 2 单活塞杆液压缸数学模型 单活塞杆液压缸在活塞杆伸 出过程 中的受力如 图 2所示 。 图2 液压缸受力简图 基本方程如下 ⋯ 1 流量连续性方程 A 。 p l - p 2 p p 1 十 A专 - -- 一 F。 收稿 日期 2 0 1 3 - 1 2 2 4 作者简介左岗永 1 9 8 4 一 ，男，硕士，工程师，从事煤矿机械液压系统的设计工作。E - m a i l z u o g a n g y o n g 1 6 3 ． c o rn。 1 0 6 机床与液压 第 4 3卷 式 中c 为 内泄漏 系数 ；c 为 外泄 漏 系数 ；A 为 活 塞 的面积 ；A 为活塞 杆的面积 ； 为活塞位移 ； 为 液压介质 的弹性模 量 包 括连 接 管道 和缸 体 的机械 柔度 ；V 为液压缸进 油腔的容积 包 括 阀 、连接 管 道和进油腔 ； 为液压 缸 回油 腔 的容 积 包 括 阀 、 连接管道和回油腔 。 2 力平衡方程 忽略库仑摩擦力等非线性负载 ，可得 d d pI Al - p 2 2 m d t 2 口 K x 假设液压缸的负载中无弹性负载，液压缸 的传 递函数化简为 一． F S A， 其中 为液压介质的有效体积弹性模量，可以由 壶 古 1 V 3 o 进 行 计 算 。 卢 为 液 压 介 质 的 弹 性 模量 ； 卢 为连接管道和缸体的弹性模量；J B 为空气 的弹性模 量 ；V为液压介 质的体 积 ； 为液压介质 中 含气体的体积； 为液压缸负载容积， 叼 包括液压缸缸体容积和出油管的体积 ；叼为回油腔与 4 进油腔 的流量 比。m m。 m m m 。 为液 压缸 的等效质量 ，n z ．． 为活塞组件的质量 ；I T I, 为负载等效 质量 ；m 为液压缸中液压介质的质量 ；m。 为出油管 中液压介质的质量 ；a为出油管截面面积。 因此，液压缸的固有频率和阻尼 比与液压缸的 等效质 量 、液 压缸 的负载 容积 、液 压 介质 的有效 体 积弹性模量、活塞面积和活塞杆位移等因素有关。 3特性 分析 液压缸参数如表 1 所示。 表 1 液 压缸参数 活塞直径 D ／ m 活塞杆直径 d ／ m 行程 L ／ m 进油压力 P ／ M P a 回油压力 P 2 ／ M P a 液压油密度 p ／ k g m 有效体积弹性模量fl e ／ MP a 黏性阻尼系数 B ／ N s m 0． 0 5 0． 03 1 2 O 0 ．8 8 5 0 1 4 00 8 5 00 续表 1 液压缸 负载 容积 随 活塞 杆位 移 的变化 如 图 3所 示 负载容积的最大值 出现在 活塞行程为 5 6 0 m E 处 ，最大值为 V 6 ． 0 5 x 1 0 r f l 。 活塞 位移， m 图 3 液压缸负载容积 液压缸等 效质 量 随活塞 杆位 移 的变化 如 图 4所 示 随着活塞杆位移的变化 ，液压缸的等效质量增加 微小 ；随着负载 的增大 ，液压缸 的等效质量增大 。 、 1 ⋯一 j j 々 口 ⋯ u々 { j ＼ 6 ＼5 、 4 ⋯一一一、 一一一一一一一一 1 ，～ 2 l _ ● - L ● _ I ● l 一 空载 2 -- 负载50 0 0N 卜 负 载1 0 0 0 0N 4 _ _负载1 5 0 00N 5 一 负载2 0 0 0 0N 负载2 5 0 0 0N 7 一 负载3 0 0 0 0 N 图 4 液压缸等效质量 液压缸 固有频率随活塞杆位移的变化如 图 5 所 示 随着活塞杆位移的变化，液压缸的固有频率先减小后 增大 ；随着负载 的增大 ，液压缸的固有频率减小 。 f 5 4． 5 4 ￡3 ． 5 0 3 2． 5 2 褥 1 ． 5 爨1 怔 0 ． 5 叵。 广 『 _ 活塞 位移／ m 图 5 液压缸 固有频 率 液压缸阻尼 比随活 塞杆位 移 的变化如 图 6所 示 随着活塞 杆位 移 的变化 ，液压 缸 的阻 尼 比先增 大 后 减小 ；随着负载 的增大 ，液压缸的阻尼 比减小 。 0 哩 四 图 6 液压缸阻尼比 下转第 1 1 5页 ， N N N N N O O O 0 0 0 OO O O 0 0 0 0 0 0 O O 0 5 0 S O 5l1 2 2 3 载载载载载载载 空负负负负负负 二二 二～ 1 2 34 5 6 7 第 4期 廖辉 等恒压变流量供油注塑机液压系统的研究 1 1 5 所示 4． 5 1． 5 0． 时 间， s 时 『司／ s 图5 定量泵供油系统压力与时间的关系 图 5 表 明 负 载出现周期性 变化时 ，系统的输 出 压力也随之变化，但在负载很小时，系统的压力只 能通 过溢流阀释放 掉。 当采取调压型智能泵对系统进行供油时，其输 出压力 如图 6 所示 。可以看 出 压力在各个 时间段均 是变化的，在开始阶段 0 ～ 2 s ，由于弹簧的存在， 使得系统供油压力有一个快速上升过程 ，到达最高 压力时，系统能量消耗下降，主要是 由于系统 的供 油输出减少 ，因此 ，系统能量消耗减小。 1 80 l 6O 80 60 40 20 ．20 0 l 0 20 30 40 5 0 时 间 图 6 变量泵供油系统功率的变化 4结论 采取定量泵和恒压力变量泵两种方案 的能耗对 比试验 表 明 恒压 力变 量 供油 是在 压 力满 足 使用 条 件 下对输 出的流量进 行控制 ，减少 了流量 的消耗 ，从 而使得 系统 的能 量 消耗 大 大减 少 ；而定量 泵 供 油 的 方式能耗较大，尤其是耗能较大的注塑机消耗大量 的能源 。恒压力变量泵 采用变 流量 控制 系统 的流量 ， 实现了驱动 功率 与 执行 机 构 自适应 匹 配控 制 ，消除 了溢流损耗 和节流损耗 。 参考文献 [ 1 ]宋春华． 高性能注塑机关键技术的研究 [ D] ． 成都 西南 交通大学， 2 0 0 9 ． [ 2 ]权龙， 李凤兰。 注塑机电液控制系统节能原理及最新技 术[ J ] ． 机床与液压 ， 1 9 9 9 5 6 - 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