伸缩式双作用液压缸在液压系统中应用与分析.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， N 0 ．01 ． 2 O 1 3 伸缩式双作用液压缸在液压系统中应用与分析 陈善坤 合肥长源液压股份有限公司 ， 安徽 合肥2 3 0 0 1 1 摘 要 介绍 了伸缩式双作用液压缸 的结构原理 ， 针对这些结构特点 ， 分析在液压传动系统 中， 选 用伸缩式双作用液压缸作为液压执行 元 件时须注意的事项和问题 ， 并提 出了解决措施 。 关 键词 伸缩式双作用液压缸 ； 速 比； 系统背压 ； 增压 ； 合流 ； 溢流 中图分 类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 O 1 0 0 5 1 0 3 A p p l i c a t i a n a n d A n a l y s i s o f t h e T e l e s c o p i c Do u b l e a c t i n g Hy d r a u l i c Cy l i n de r f o r Hy d r a u li c S y s t e m C HEN S h a h k u n He f e i C h a n g y u a n H y d r a u l i c C o ． ，L t d ． ， H e f e i 2 3 0 0 1 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t r o d u c e d t h e s t r u c t u r e p rin c i p l e o f t h e t e l e s c o p i c a n d d o u b l e- a c t i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r ． F o r t h e s e s t r u c t u r a l f e a t u r e s ， a n a l y s i s o f t h e s e l e c t i o n o f t e l e s c o p i c a n d d o u b l e - a c t i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r a s h y d r a u l i c a c t u a t o r s t o b e n o t e d t h a t i s s u e s a n d p r o b l e ms i n t h e h y d r a u l i c d r i v e s y s t e m， a n d p r o p o s e d s o l u t i o n s ． Ke y wo r d s t h e t e l e s c o p i c a n d d o u b l e- a c t i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r ； s p e e d r a t i o ； t h e s y s t e m b a c k p r e s s u r e； p r e s s u r i z a t i o n； c o n flu e n c e ； o v e r f l o w 0 引言 伸缩式双作用液压缸是一种多级液压缸 。伸缩级 数一般为 2 ～ 6级 ． 其特点是行程长而缩 回后的长度短 ． 在 给定 的空间内能实现 比单级液压缸更长 的行程 。 适 用 于安装空 间受 到限制但行程要求却很长 的设备 中 。 在安装空间紧张的情况下得到广泛 的运用 。 1 伸缩式双作用液压缸 的结构特点 下 面 以环卫机 械 中常用 的三 级推滑 板液压 缸为 例 ，说明伸缩式双作用液压缸 的工作原理 。如图 1所 示 ， 它由缸筒 、 一级缸活塞杆、 二级缸活塞杆、 三级缸活 塞杆 等组成 ， A油 口位置可根 据液压缸的安装方式合 理布置 。当压力油从 A油 口进入液压缸无杆腔时 ， 由于 作用面积 的不同 。 按 由大到小顺序 ， 一级缸活塞杆在压 力油的作用下首先带着二级缸活塞杆 、三级缸活塞杆 伸 出。当一级缸活塞杆伸出到位后 ， 二级缸活塞杆在压 力油的作用下 ． 带着三级缸活塞杆伸出。当二级缸活塞 杆伸出到位后 ，三级缸活塞杆开始伸出 ，整个伸 出过 程 ， B油 口回油。 反之 ， 当 B油 口进油时 ， A油 口回油 ， 压 收稿 日期 2 0 1 2 0 5 1 6 作者简介 陈善坤 1 9 7 9 一 ， 男 ， 安徽合 肥人 ， 工程师 ， 学士 ， 主要 从事液压 元件的设计与开发 。 力油首先进入三级缸有杆腔 ， 先是三级缸活塞杆缩 回， 再二级缸活塞杆 ， 最后一级缸活塞杆依次缩 回。伸缩式 双作用液压缸的结构特点 ．决定了活塞杆伸出顺序是 从大到小 ， 相应的推力也是从大到小 ， 而伸 出速度则是 由慢变快 ，空载缩 回顺序则是从小活塞杆到大活塞杆 依次缩回。 伸缩式双作用液压缸 的推拉力和伸缩速度 的计算 与单级液压缸类似 ，但由于各级液压缸承压的有效作 用面积不同 ， 因而各级的推拉力和伸缩速度也不同， 应 分别计算 。 如图 1 所示 ， 以三级推滑板液压缸为例。 1 一 缸 筒2 - - 级 缸 活 塞 杆3 一 二 级 缸 活 塞 杆4 一 三 级缸 活塞 杆 图 1 伸 缩式双 作用液压 缸结构原理 图 三 级缸活塞 杆伸 出和缩 回时产生 的推力 和拉力 分别为 }[ D P 一 D 一 。 ] J， 7 1 4 -t r [ D 2 p 一 一 。 ] 2 51 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 0 1期 式中p 进油压力 ； P 。 回油压力 ； D 缸筒 内径 ； 活塞杆直径 ； 叼 机械效率。 活塞杆伸出速度 和缩 回速度 分别为 1 T D 1 T D d 式中p 进油流量 ； 卵 ． 一 容积效率。 活塞杆缩 回和伸出运动的速 比‘ D 为 Q 鲁 ㈤ wD 如图 1 所示 ， D 1 2 0 m m， d 1 0 0 m m 鲁 4 由式 1 、 式 2 可以看 出， 当 P n 越小时 ， 活塞杆伸 出和缩 回时产生的推力 和拉力 就越大 ；另外 ， 由 式 3 可 以看出， 当 d越大时， 速比 就越大 ， 即活塞杆 缩回速度 就越快 ， 活塞杆弯曲稳定性也越好 ， 这个特 点符合大多数工作机械 的作业要求 ，所以这种液压缸 在环卫和矿山等机械中广为应用 。但速 比 一般不宜 过大 ， 否则无杆腔 回油流量增加过大 ， 引起 回油流速过 高会形成很大的背压 ， 即回油压力P 就很高。 但也不宜 过小 。 否则活塞杆直径相对于缸筒 内径太细 ． 油缸稳定 性差 。 2 问题及解决措施 1 由于安装空间的限制和工况的要求 ， 伸缩式双 作用液压缸的外径一般不宜做的太大 ，活塞杆弯曲稳 定性要求 良好 ， 所 以活塞杆直径 d较大 ， 决定 了伸缩式 双作用液压缸的速 比 较大 ， 一般为 2 ． 3 4 ～ 5 单级液压 缸的速 比 一般为 1 ． 3 3 ～ 2 。而在液压系统设计 中， 设 计人员大都是按泵的流量进行选择的，忽略了由速 比 引起回油流量 的增加 。液压缸级数越多 ， 影响越大 ， 系 统背压的增加也就越大 ， 从而出现 了液压缸缩 回时 ， 速 度过快， 拉力很小， 却又消耗功率， 引起系统发热， 液压 缸伸出时， 速度又较慢等现象。如果能在伸缩式双作用 液压缸速比 较大的情况下， 降低系统背压， 即降低回 油压力 P 。 ， 又能提高其伸 出速度 ， 就可解决功率消耗 ， 5 2 系统发热等问题 ， 因此对液压系统进行了改进设计 ， 原 理如图 2所示 。当电磁换 向阀 1 0 、 1 1 处于左位时， 活塞 杆伸出 ， 此时由双联泵 5双泵合流供油 ， 提升了液压缸 的伸 出速度 ，调速 阀 1 3可对液压缸 的进油进行调节 ， 使液压缸的伸出速度可控 。当电磁换向阀 1 O处于右位 时 ， 活塞杆缩 回， 此时 由双联泵 5单泵供油 ， 液压缸 的 缩回速度不会过快 。 调速阀 1 2可调节液压缸的缩 回速 度 。 同时高压油通往液控单 向阀 1 5的控制 口， 将液控 单 向阀 1 5打开 ， 使其反向流通 ， 无杆腔 的回油一路经 液控单 向阀 1 5和节流 阀 1 4回油箱 ，另一路液压油可 经电磁换 向阀 1 0 ， 经 T口回油箱 ， 降低 了系统背压 ， 即 解决 了功率 消耗 ， 系统发热等问题 。节流阀 1 4可调节 背压 ， 防止缩 回太快而在无杆腔产生真空 ， 引起系统振 动 和噪声 。 1 一 油箱2 、 3 一 吸油过滤器4 一 空气过滤器5 一 双联泵6 、 7 - 溢流阀 8 , 9 一 单 向阀 1 0 、 1 1 -电磁换 向阀 1 2 、 1 3 一 调速阀 1 4 一 节 流阀 1 5 一 液控单 向阀 1 6 一 管式溢流 阀 1 7 一 伸缩式双作用液压缸 图 2液压传动 系统原理图 2 由于系统设计人员 的忽视 ， 伸缩式双作用液压 缸在使用 中。还要防止系统响应速度引起 的有杆腔油 路被堵 ， 尤其在液压缸工作过程 中， 避免 回油单 向阀或 换 向阀卡住等情况 的发生。如果有杆腔 回油路被堵了， 活塞两端要达到力的平衡 ，而液压缸无杆腔有效作用 面积总是大于有杆腔有效作用面积 ， 因此 ， 在液压缸的 有杆腔就会产生增压效应。 如 图 1 所示 ， 以三级推滑板油缸为例 ， 当三级活塞 杆伸出过程中 ，回油路被堵 。由流体力学静压传递原 理 。 可知 lA l 孚 n 2 p l 5 D d 式 中p 进油压力 ； Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l 0 ． 0 1 ． 2 0 1 3 A无杆腔有效作用面积 P 有杆腔增压压力 ； A 有杆腔有效作用面积； 由式 4 可知 3 ． 2 7 ， 当进油压力 p 1 2 MP a时， 有 杆腔增压压力 P ， p P - 3 ． 2 7 x 1 2 MP a 5 2 ． 3 2 MP a 由式 5 可以看出， 增压 比等于速 比‘ D ， 由于伸缩式 双作用液压缸速 比 较大 ， 所 以有杆腔增压大 ， 很容易 导致缸筒涨缸 产生塑性变性 ， 这对伸缩式 双作用 液 压缸的使用是极为不利的。因此在液压系统的设计中， 如 图 2所示 ，在液压缸 的有杆腔管路处增加 了管式溢 流阀 l 6 ，当有杆腔 回油路被堵 ，有杆腔油液产生增压 时 ， 一旦增压压力达到管式溢流阀的设定压力后 。 溢流 阀 l 6开始溢 流 ， 从而可靠地避免 了缸筒涨缸 ． 保护 了 伸缩式双作用液压缸。 上接 第 5 0页 时间／ mi n 图 2 液压系统能量变化 曲线 图 2显示系统正常工作 1 5 mi n时 ， 液压系统能量趋 于定值 3 8 9 9 2 1 0。H发 散， 系统发热量和散热量相等 。 此时进行散热面积 的计算 将测量值代入式 6 并 加 上 2 0 ％的修 正系数 ， 得正常工作 时 系统发热功率 H发 2 4 k W， 由式 7 计算匹配的散热面积 A 5 m 2 。 4 仿真 按上面计算结果 ， 为该装置增加散热器 ， 在此之前 利用 Ma t l a b对系统温度变化进行仿真 ． 结果如图 3 、 图 4所示 。 时间 ／ rai n 时间／ mi n 图 3系统能量变化速率 It tt 线 图 4系统温度变化 曲线 图 3显示 随着系统趋 向热平衡状态 ，系统温度变 化速率与时间线性相关 ， 呈减小变化 ， 系统达到热平衡 时 ， 变化率趋 向于零 。图 4显示增加散热器后 ， 系统正 常工作时 ， 其温度将 随时间线性增加 ， 平衡 时温度小于 7 0 ℃， 满足设计要求。可以按照计算数值增设散热器。 5 结论 对散热器散热面积 的计算 ，常用的理论计算方法 3 结论 针对液压传动系统 中选用伸缩式双作用液压缸作 为执行元件时， 出现 的种种故障 ， 笔者提 出了以上解决 措施 ， 并且已成功应用于实际工作中， 取得很好的效果。 参考文 献 [ 1 】 雷天觉． 新编液压工程 手册[ M】 ． 北京 北京理 工大学 出版社 ， 1 99 2． [ 2 】 成大先 ， 等． 机械设计手册第 4卷[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 3 ] 张利平． 液压传动系统及设计[ I Ⅵ ] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 张远 君． 流体力 学大全[ M】 ． 北 京 北京 航空航天大 学出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 5 】 李 炳文 ， 王 启广 ． 矿 山机械【 M】 ． 徐州 中 国矿 业大学 出版社 ， 20 07 需要知道系统的输入 、 输 出功率 ； 系统压力 ， 流量 ， 流经 阀和管路 的压差 等参数 ，适合于设备出场前 的散热匹 配。而对于已经投入使用的设备 ， 本文提到的方法将更 有效 1 由测量法计算系统发热功率 H发 ； 2 系统达到热平 衡时有 H发 H散， 由 A 2 -- 日发 计算需要散热器的散热面积 。 ， c2 此方法由实验测得系统温升 ，计算 出热平衡 时系 统的发热功率 ， 基于热平衡理论 ， 推导 出计算公式 ， 根 据允许 的系统最大温升 △ ， 求解匹配 的散热器散热面 积。适合为液压设备特别是液压系统较为复杂 的设备 匹配散热器。 参 考 文 献 许光 健． 集 装箱叉 车液 压油 温过高 的处理[ J ] ． 工 程机械 与维 修 ， 2 0 0 9 ， 6 ． 高春花 ． 降低 E B Z 2 0 0 A型掘进 机液压 系统温升 的方法[ J ] ． 煤 矿机械 ， 2 0 0 9 ， 7 1 7 9 1 8 0 ． 张旭 ． 2 0 0 0米 全液压 岩心 钻机液压 系统 工作效 率及热 平衡 分析[ D 】 ． 北京 中 国地质科学院 ， 2 0 1 1 ． 陈扬新 ， 熊 肖磊 ， 周齐 才 ， 等． 捣 固车液压油温度 自动控 制散 热系统设计[ J ] ． 中国工程机 械学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 ． 李宏伟 ． 影 响 4 0 T支架搬 运车液 压系统 油温 的因素[ J ] ． 煤 矿 机械 ， 2 0 1 1 ， 4 1 0 1 1 0 3 ． 周汝胜 ， 焦宗夏 ， 王少 萍． 液压系统故障诊断技术 的研究 现状 与发展趋势[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 6 ， 9 6 1 3 ． 张林慧 ． 闭式液 压系统油温过 高的分析与计算【 J 】 ． 煤矿机 械 ， 2 0 1 1 ， 1 1 3 8 - 4 0 ． 53 Ⅲ 吲 嘲 加 O - u l Ⅲ． 0 0 0 【 ／ 哥 最骜嘲