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阻尼孔连续型液压缓冲器研究及设计 三峡大学机械与材料学院施工机械研究所谭宗柒汪云峰陈永清 摘要阻尼孔离散分布式液压缓冲器缓冲力不稳定，应用受到限制。本文提出一种阻尼孔口连续变化的 液压缓冲器结构，运用C F D 方法确定阻尼孔流量系数，并依照理想缓冲曲线对阻尼孔口的主要参数进行设计， 得到了阻尼孔口开度随缓冲位移的变化曲线。 关键词液压缓冲器；阻尼孔；流量系数；缓冲曲线 A b s t r a c t T h ea p p l i c a t i o no fh y d r a u l i cb u f f e rw i t hd i s c r e t eo r i f i c ei sl i m i t e dd u et oi t su n s t a b l eb u f f e r i n gf o r c e ．T h e p a p e rp r e s e n t sah y d r a u l i cb u f f e rw i t hc o n t i n u a ld a m p i n go r i f i c e ，d e r i v e st h ef l o wc o e f f i c i e n tb ym e a n so fC F Dm e t h o da n d m a i np a r a m e t e r so fd a m p i n go r i f i c ea c c o r d i n gt ot h ei d e a lb u f f e r i n gc u r v e ，a n do b t a i n st h eo r i f i c eo p e n i n g - b u f f e r i n gd i s p l a c e m e n tc u r v e ． ‘ K e y w o r d s h y d r a u l i cb u f f e r ；d a m p i n go r i f i c e ；f l o wc o e f f i c i e n t ；b u f f e t i n gc u r v e 液压缓冲器是一种利用流体流动的粘性阻尼 作用，将机械能转化为压力能和热能，以延长冲 击负荷的作用时间，吸收并转化冲击负荷的能量 的装置。液压缓冲器的使用可以使较高运动速度 的机械部件准确停位，并且可有效地降低冲击引 起的振动和噪声，减少机械事故，延长设备使用 寿命。因此，液压缓冲器在机械设备中的应用越 来越广泛。目前，国内仅有个别厂家生产H Y 系列 液压缓冲器，该系列缓冲器均采用节流孔不连续 分布的设计，其缓冲不平稳，缓冲力有明显的波 动，应用受到限制。本文引人连续阻尼孔口缓冲 形式，对阻尼孔流量压差特性进行C F D 分析，并 给出孔口截面积变化曲线。 1 2 种缓冲器结构 ， ， 阻尼孔离散分布式缓冲器的缓冲孔多为圆形 短孔，图1 所示为汽车模拟碰撞用液压缓冲器⋯， 该缓冲器是在缓冲缸的缸筒上沿缓冲行程离散分 布圆形短孔进行节流缓冲。当冲击载荷突然加载 到活塞杆上时，高压腔液压油受挤压以高速度流 经阻尼孔及活塞与缸壁的缝隙，由于液压油的抗 压性和粘性作用，冲击载荷的机械能被转化为油 液压力能，压力能又被转化为热能，最终耗散在 空气中。这种液压缓冲器结构简单，但是阻尼孔 是离散分布的，缓冲不平稳。 起重运输机械2 0 0 8 2 图1阻尼孔离散分布式缓冲器 1 ．回油孔2 ．低压腔3 ．高压腔 4 ．缸体5 ．阻尼孔6 ．活塞杆 阻尼孔开度连续变化型缓冲器的阻尼孑L 截面 形式较灵活，但原则上应便于机械加工。图2 所 示为矩形阻尼孔缓冲器，其缓冲原理与阻尼孔离 散分布式缓冲器一样，不同之处在于其阻尼孔的 横截面积随缓冲位移连续减小，在结构上采用了 阻尼孔口连续变化的形式。缓冲力均匀，缓冲也 较平稳。 图2阻尼孔开度连续变化型缓冲器 1 ．活塞杆2 ．气室3 ．挡油环4 ．阻尼孔 5 ．低压腔6 ．高压腔7 ．缸体 但是，连续变化式缓冲器的阻尼孔的流量压 差特性会随横截面积的变化而变化，即流量系数 c 。随着阻尼孔水力直径的改变而改变。因此，对 这一特性的研究是设计该类型缓冲器的关键。 一2 7 一 彝 r、／ f t 参 万方数据 2阻尼孔流量特性 2 ．1 定截面积阻尼孔流量特性 以非完全收缩型矩形阻尼孔V I 怛1 为研究对象， 分别对薄壁孔、短孔、长孔在液体非完全收缩流 动状态下的流动特性进行C F D 有限元分析。为进 行比较，同时对理论上研究比较成熟的完全收缩 型薄孔的流动特性进行了有限元分析。 完全收缩与非完全收缩流动的区别在于收缩 区域存在负压区，依据伯努力方程可知，负压区 的流动速度极高，流体流动处于紊流状态，同时 流动收缩抵消流体质点的动量，这一收缩和扩大 过程产生局部能量损失归J 。收缩的程度与范围越 小能量损失越小，由于同等压差条件下短孑L 与长 孔流动收缩范围小，所以其流速比薄孔高。 薄孔刚度低，不便于加工，并且容易磨损， 使其使用寿命缩短，因此，该型缓冲器的阻尼孔 采用非完全收缩短孔形式。图3 和4 是运用F l u e n t 6 ．2 ．1 6 进行有限元分析得到的非完全矩形阻尼孔 的流量压差特性曲线与速度云图。 U 蟊 懈； 删 娥 O51 01 52 02 5 进口压力P J M P a 图3 流胃系数压差曲线 1 ．非完全收缩薄孔2 ．非完全收缩短孔 3 ．非完全收缩长孔4 ．完全收缩薄孔 图4 速度云图 a 完全收缩型薄孔 b 非完全收缩型薄孔 依据孔口出流流量公式Q c a A √警，在预 设压差△p 与孔口截面积A 的条件下得到图3 流量 一2 8 一 系数曲线。完全收缩薄孑L 的流量系数保持在0 ．6 3 ～0 ．6 4 之间，与理论值较接近，这为非完全收缩 阻尼孔的有限元分析结果的合理性提供了依据， 从c 。曲线可以得知此型缓冲器的流量系数应取为 0 ．7 6 ～0 ．7 8 。速度云图较清晰地反映了孔口出流流 动中的收缩与扩展现象。 2 ．2 变截面积阻尼孔流量特性 在缓冲过程中阻尼孔的横截面积连续变小， 孑L 口的水力直径也相应减小，导致孔口的属性由 短孑L 向长孔转化，流量系数也成为变量，在设计 此类缓冲器时必须加以考虑。运用F l u e n t 软件的 动网格技术，导入速度因素，对截面积线性变小 的阻尼孔在定压差条件下的流量特性进行有限元 分析，得到图5 所示C 。曲线。 G 嚣 垛 嘲 媲 位移X ／m 图5流量系数位移变化曲线 1 ．速度0 。8m ／s2 。速度1 ．0m ／s 3 ．速度I ．2m ／s 图5 中给山了非完全收缩流动所对应的表面 以0 ．8 、1 ．0 和1 ．2m ／s 的速度移动时阻尼孔的C d 曲线，实际上这个非完全收缩对应的表面就是缓 冲活塞与缸体的配合面。这3 种移动速度条件下 的C 。变化曲线彼此接近，而此时油液通过孔口的 速度远远大于孔口移动的速度，这说明缓冲过程 中孔口的移动速度对c d 的影响不大。在位移为 0 ．0 0 2m 之前C 。曲线为一次曲线，之后为二次曲 线，交界流量系数达到0 ．8 2 左右，说明孔口的流 动特性趋近于管路流动特性H 】。依据有限元分析 结果，可以假设阻尼孔截面积线性变化时其流量 系数c 。按照一次曲线变化，即 A ． c d I 亍 C d t C 扣 C ∞ 』1 t 式中氐、c ∞阻尼孔的初始截面积和流量 系数 A 。、C 。。缓冲终了时阻尼孔的截面积和 流量系数 起重运输机械2 0 0 8 2 ≥1J，J，JIJ●J●J●J●1●J●J●J●J●J●J●Jl●●1 ∞祁粥躺弛{呈鹞粥鲋 万方数据 3 阻尼孔连续型缓冲器设计 3 ．1 缓冲器主要参数设计 依照图6 理想缓冲过程运动特性曲线‘5 | ，缓 冲过程中缓冲活塞作等减速运动，加速度a 为常 数，缓冲力恒定。缓冲器简化模型见图7 。 图6 理想缓冲特性曲线图7 缓冲器简化模型 1 缓冲初速度口。 缓冲初始，冲击物与缓冲器发生完全非弹性 碰撞，忽略摩擦影响，遵守动量守恒定理，有 M v 肘 m V 0 式中胁一冲击物质量 m 活塞质量 2 缓冲加速度a 碰撞后冲击物与活塞一起作等减速运动 a v g ／ 2 s 式中s 缓冲总位移 3 活塞受力平衡方程 根据牛顿第二定律，忽略摩擦与气压作用力， 活塞的受力方程为 p 1 A l p 2 A 2 k l 菇一 M m a 0 式中p 。高压腔压力 p 低压腔压力 A 。、A 活塞高压腔、低压腔受力面积 后。主回复弹簧刚度 戈缓冲位移 4 油液连续方程 Q 钉以浮 篙 p 1 _ p 2 式中p 油液密度 A 。阻尼孔口截面积 卜配合面直径 卜配合面缝隙宽度 ，l 油液动力黏度 卜配合面缝隙轴向长度 起重运输机械2 0 0 8 2 Q 油液流量 等式右边前项为阻尼孔流量，后项为配合面 环形缝隙的泄漏量。 运用数学工具软件M a f l a b 符号计算功能可以 得出A ； ， 石 曲线，即阻尼孔截面积随缓冲位移 变化。 3 ．2 设计实例 主要设计参数冲击物质量M 80 0 0k g ，冲 击物速度移 0 ．5 2 3m ／s ，缓冲总位移S 0 ．0 3m ， 阻尼孔个数r ／, 3 。经过M a t l a b 符号计算得到 A 丘云；幂甄赢 绘制曲线如图8 所示。 图8 节流孔面积位移曲线 4 结论 给出阻尼孔连续型液压缓冲器结构，着重研 究阻尼孔的流量压差特性，并对比薄孔流量系数 的理论值，借助C F D 有限元分析软件得到阻尼孔 流量系数C 。的变化趋势，运用得到的阻尼孔流量 特性进行了实例设计。 参考文献 1 胡敬文，张金换，黄世霖．汽车模拟碰撞用液压缓冲器 的动态仿真．力学与实践，2 0 0 3 ，2 5 4 1 7 2 0 2 盛敬超．工程流体力学．北京机械工业出版社，1 9 8 8 3 章宏甲，黄谊，王积伟．液压与气压传动．北京机械 工业出版社，2 0 0 0 4 王文斌等．机械设计手册 第4 卷 ．北京机械工业 出版社，2 0 0 4 5 高殿荣，赵永凯，吴晓明．高压液压缓冲装置设计．机 械设计与制造，1 9 9 4 2 2 3 2 5 作者汪云峰 地 址三峡大学机械与材料学院施工机械研究所 邮编4 4 3 0 0 2 2 9 ～ 鞫翱 瓦区 万方数据 阻尼孔连续型液压缓冲器研究及设计阻尼孔连续型液压缓冲器研究及设计 作者谭宗柒， 汪云峰， 陈永清 作者单位三峡大学机械与材料学院施工机械研究所,443002 刊名 起重运输机械 英文刊名HOISTING AND CONVEYING MACHINERY 年，卷期2008，““2 被引用次数0次 参考文献5条参考文献5条 1.胡敬文.张金换.黄世霖 汽车模拟碰撞用液压缓冲器的动态仿真[期刊论文]-力学与实践 200304 2.盛敬超 工程流体力学 1988 3.章宏甲.黄谊.王积伟 液压与气压传动 2000 4.王文斌 机械设计手册 2004 5.高殿荣.赵永凯.吴晓明 高压液压缓冲装置设计 199402 相似文献5条相似文献5条 1.期刊论文 焦素娟.刘成良.苗中华.华宏星.Jiao Sujuan.Liu Chengliang.Miao Zhonghua.Hua Hongxing 并联阻 尼结构液压缓冲器冲击波形仿真 -振动与冲击2007,269 采用环形缝隙和阻尼孔并联结构的液压缓冲器,利用液体的可压缩性和活塞腔流体出流面积迅速缩小,使活塞腔压力瞬间升高,对被测试件实施冲击 .建立该缓冲器的数学模型,对其冲击波形进行仿真.结果表明,环形缝隙和并联阻尼孔面积是影响冲击波形的关键因素,减小环形缝隙或并联阻尼孔面积 ,冲击时间缩短,冲击加速度峰值增大,调节并联阻尼孔面积,可以调节冲击波形.该缓冲器可用于跌落式冲击试验机或双波冲击试验机中,对被测试件实施 较为严酷的冲击. 2.学位论文 孙爽 多孔式液压缓冲器仿真与优化设计 2006 作为在运行过程中减缓刚性碰撞的安全保护装置，缓冲器被广泛地应用于起重运输、冶金、港口机械、铁道车辆等各个领域，其性能好坏直接影响 到操作人员安全、机器使用寿命等许多因素，因此在生产中具有非常重要的地位。 缓仲类产品的种类很多，本文的研究对象为多孔式液压缓冲器，主要依靠设计在油缸壁上的一系列特殊排列的阻尼小孔来实现缓冲。其特点是结构 紧凑，吸能量大，且无反弹。但目前国内对该类缓仲器阻尼孔的设计大多凭经验，以等孔径、等间距排布，很难达到最佳的缓冲效果。 针对这一问题，本文对多孔式液压缓冲器进行深入研究，首先以 LQH4IY型液压缓冲器为基础建立了缓冲过程的数学模型，应用MAM软件将数学模型 转化为仿真模型并在计算机上求解，得到一系列仿真曲线，以此为依据对影晌其动态性能的各参数进行分析，找到其中最重要的因素阻尼孔参数。 接下来，对关键构造阻尼孔进行优化设计。选择孔径和孔间距参数作为设计变量，卖际缓冲效率与理想值的差作为目标函数，采用粒子群算法作为优化 方法，经过一系列寻优迭代，找到相对合适的参数组合，使缓仲性能得到改善。忧化后的缓冲器较优化前的相比，缓冲力峰值大大降低，缓冲效率和吸 能量都提高了20﹪左右。 文中在优化求解时所采用的粒子群优化算法，能够较好的克服传统算法搜索效率低、速度慢、易陷入局部最优解的弊端。 由于粒子群算法产生较晚，目前在工程上应用还不多。本丈将基本粒于群算法应用于工程实际，井得到较好的优化效果。 最后，应用 MATLAB与 Visual Basic 60混合编程的方式设计了阻尼孔优化软件，用筒洁友好的界面将结果显示出来。井通过具体实例介绍了软件使 用方法，验证了软件的实用价值。 3.期刊论文 谭宗柒.汪云峰.陈永清.赵新泽 基于AMESim的液压缓冲器主要结构参数的仿真分析 -起重运输机械 2008,““5 对液压缓冲器工作原理进行分析,在AMESim仿真环境下建立相应的液压缓冲器仿真模型.对不同缓冲活塞作用面积、环形配合缝隙宽度以及阻尼孔节 流面积变化形式工况下缓冲器响应进行仿真研究,表明它们对缓冲器能量吸收效率以及缓冲平稳性的影响,为按工况进行缓冲器设计提供方案. 4.期刊论文 张尚先 复合液压缸实现变载缓冲 -湖南工业职业技术学院学报2003,32 液压缓冲器是一种常见的缓冲器.采用单一阻尼孔式液压缸,当缓冲负载变化时,缓冲效果并不理想.设计了一种复合液压缸,使缓冲阶段分两阶段进行 .第一阶段实行固定节流口缓冲,使运动部件的速度和缓冲压力迅速下降;第二阶段实行可变节流口缓冲,使缓冲压力大致恒定,同时可实现较高精度的缓冲 定位. 5.学位论文 林玮 液气缓冲器的动态特性分析及优化 2006 作为机械设备的安全装置之一，缓冲器被广泛应用于交通、电力、建筑及动力机械等工程领域的抗震缓冲。随着机械设备向高速化、大型化发展 ，缓冲性能良好的液压缓冲器有着越来越重要的地位。在传统的缓冲器设计中，多是按照经验值估算主要参数值，再根据实际工作性能进行改进。这样 的设计方法不仅增加了设计成本，效果也并不理想。 针对这一问题，本文以LQH-HY液气缓冲器为研究对象，进行了深入的分析。该液气缓冲器具有新型的阻尼结构，并利用了氮气的无疲劳、体积模量 小的特点，使其容量及吸能性能优越，回弹时间短，缓冲力上升快，缓冲特性较为理想。 文中应用流体液压知识和运动学方程建立液气缓冲器的物理模型，以MATLAB软件为仿真工具，对液气缓冲器系统进行动态仿真，得到几组重要的缓 冲特性仿真曲线。通过与试验曲线的对比，验证了仿真程序的正确性。应用该仿真模型，详细分析了几类参数对缓冲性能的影响，液气缓冲器阻尼阀芯 的设计参数对缓冲性能影响重大。为了进一步提高缓冲性能，选择阻尼孔径、阻尼长度、弹簧刚度和阀芯的开启压力为主要设计变量，以实际缓冲效率 与理想值的差作为目标函数，并应用改进的遗传算法，实现了阻尼阀参数的优化。优化后的阻尼阀能有效提高缓冲器的动态性能，使缓冲过程更加平稳 ，吸能效率更高。 本文还应用MATLAB的GUI工具箱设计了阻尼阀优化软件，以简洁友好的界面将结果显示出来。并通过具体实例介绍了软件使用方法，验证了软件的实 用价值。 本文链接 授权使用太原科技大学tykjdx，授权号fb6b2af6-ae5b-4509-b98a-9e2101284bad 下载时间2010年11月1日