多孔式液压缓冲器的设计与仿真研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 O1 4年 第 0 5期 d o i l 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 5 ． 0 0 7 多孑 L 式液压缓冲器的设计与仿真研究 李艳利 ． 刘 志奇 太原 科 技大 学 机 械工 程学 院 ， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 该论文 以得 到等 减速缓冲的理想减速特性 为 目标 ， 给出了多孑 L 式液压缓 冲器 的孔数 、 孔径 以及 孔坐标位置等结构 参数 的设 计 计算 方法 ， 建立 了多孑 L 式 液压缓冲器 的 A ME S i m模 型 ， 并通 过仿 真分析 ， 针对实例 ， 证 实了所设计 的缓 冲器 能够达到工程要求 ， 为多 孑 L 式液压缓 冲器 的设计提供 了参考 。 关键 词 多孑 L 式液压缓冲器 ； 结构参数 ； AM E S i m仿 真 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 4 0 5 0 0 2 2 0 3 Re s e a r c h a nd De s i g n o n M u l t i o r i fi c e Hy d r a u hc Bu ffe r LI Ya n-l i ， L 1 U Zhi qi C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t g e t t i n g t h e c o n s t a n t d e c e l e r a t i o n b u f f e rin g mo t i o n ， t h e d e s i g n a n d c a l c u l a t i o n me t h o d s f o r wo r k i n g o u t t h e s t r u c t u r e p a r a me t e r s s u c h a s d a mp i n g h o l e ’ S n u mb e r ， s i z e a n d c o o r d i n a t e p o s i t i o n o f mu l t i o r i fi c e h y d r a u l i c b u f f e r a r e p r o v i d e d ． An d t h e AME S i m mo d e l o f mu l t i o r i fi c e h y d r a u l i c b u f f e r i s e s t a b l i s h e d ． B y a n a l y z i n g s i mu l a t i o n mo d e l a n d r e s u l t s ， t a k i n g p r a c t i c a l d e s i g n a s a n e x a mp l e ， c o n fi r ms t h e d e s i g n o f t h e h y d r a u l i c b u f f e r c a n me e t t h e e n g i n e e r i n g r e q u i r e me n t s ， p r o v i d i n g r e f e r e n c e for t h e d e s i g n o f mu l t i -o r i fic e h yd r a u l i c bu f f e r ． Ke y wo r d s mu l t i o r i fi c e h y d r a u l i c b u ff e r ； s t r u c t u r e p a r a me t e r ； AME S i m s i mu l a t i o n 0 引言 缓 冲器是一种用来延 长冲击负荷的作用时 间 ． 吸 收并转化冲击 负荷 的能量 以减少其不 良影 响的装置 ， 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 缓冲器从其核心缓冲元件和缓冲机理的角度 主要分为机械弹簧式缓 冲器 、 橡胶式缓 冲器 、 气缸式缓 冲器 、 液压缓冲器、 液压一 弹簧缓 冲器等五类。其中液压 缓 冲器因其可将大部分冲击能通过节流孔吸收转化为 油液的热能并散发掉 ．使得缓冲效率和衰减系数 比传 统 的缓 冲器大为提高而得到更多用户的青睐 液压缓冲器主要是 利用油液的不可压缩性和流动 性 ．通过在封闭容腔 中液体在可变容腔和不可变容腔 之 间流 动 ．以及液 体 的 不 可压 缩性 以达 到 相应 的压力 承载和缓冲要求 液压缓冲器依据缓冲活塞和缓 冲孑 L 的形 状 分 为 圆柱 型 、 圆锥 型 、 台 阶型 、 抛 物线 型 和 多 孔 收稿 日期 2 0 1 3 0 9 2 4 作者简介 李艳利 1 9 8 8 一 ， 女 ， 陕西 咸 阳人 ， 硕 士研 究生 ， 研究 方向为 流 体传 动与控制 。 22 型等不 同类 型 。 其 中多孑 L 式液压缓冲器 如 图 1 ， 它有 一 排阻尼孑 L ． 随着缓冲行程 的增加 ， 经过的阻尼孔越来 越多 ， 有效起 阻尼作用的阻尼孑 L 的通流面积不断减小 ， 这种缓 冲器所产生 的缓 冲力和减速度几乎保持不 变 ， 而且它的缓 冲特性可利用液流在阻尼孑 L 中流动的有关 公式进行计算 ．因而可以准确地加 以预测并且通过选 取和设计缓冲器的结构参数可以使得减速特性更容易 接近液压缓冲器理想的减速特性要求 图 1 多 孑 L 式 液 压 缓 冲 器 示 意 图 1 理论分析 1 ． 1 结构及 工 作原 理 多 孔式 液 压 缓 冲器 主要 由内 外 同 心 的双 壁 油 缸 、 活塞 、 液压油液 以及复位弹簧 等组成 ． 图 2所示 为不 带复位 弹簧 的多孑 L 式液压缓 冲器 ．在内油缸壁上钻有 一 系列节流小孑 L 。当活塞向内运动时 ． 迫使 内油缸中的 油液经小孔流 出到外油缸中 ．同时有效节流, l qL 的面 积也逐渐减小 ， 实现了渐变节流缓冲。 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N o ． O 5 ． 2 0 1 4 图 2无 复位 式 多孔 液 压 缓 冲 器 1 ． 2 主要参数计算 在 内油缸壁上有两种钻孑 L 方法 一是等距离不等 孔径 ； 二是等孑 L 径不等距离 。前者设计工作量大 ， 后者 设计方便 ， 性能易于控制 。本论文讨论等孑 L 径不等距离 的多孔 式 液压缓 冲器 的设 计 方法 。 多孔式液压缓冲器的lT作简图如图 2所示 。 1 等减速渐变节流液压缓冲器的节流面积设计 分析 之前 ． 先作 如下 的假设 1 忽略运动部分的机械摩擦力 ； 2 忽略运动体与缓冲器所发生 的初期碰撞作用。 于是 ． 在缓 冲行程的任意时刻 。 可得到下列能量关 系式 1 。 2 』 』 p 式 中， 左边第一项是初始动能 ， 第二项是外力在缓 冲行程 中所作的功． 右边第一项是系统此时的动能 ． 第二 项是缓冲装置吸收的能量。当运动停止时 ， 1 式变为 1 例 2 。 』 f 。m axp 2 式中 』 p d x 是缓冲器的总吸收能量。显然， 在速 度 冲击 ． 即没有外力 F作用时 ， 缓冲器的吸收能量仅 由 初 始动 能 E E 砌 而定 。 速度冲击时． 缓 冲器活塞的运动微分方程为 ， 础 3 因 互 ， 王 d x 代人 3 式 ， 经计算得 4 另外 ， 缓冲过程中 ， 流经节流小孔到缓冲缸外缸腔 的 油 液 的 流 量 方 程 为 Q 暑 活塞无杆腔油液的流量方程为 Q 根据流体连续性定理有 Q l Q 所 以得 3 2 r 5 2 C d 为获得 良好 的缓 冲特性 ．缓 冲器必须在一定 的缓 冲行程内，完全吸收掉冲击动能，且使最大缓冲力最 小 ， 在此条件 下 ， 不难得 出 ， 只有总缓冲力为常量 P才 能实现等减速缓 冲。根据能量关系式和受力分析 ， 可得 硼 _ _ 1 。 2 一 6 。 一 【 0 又 因为p -- p p 0 7 综合 4 ～ 7 式 ， 可解得任意位置 的节流 口面积为 2 f L 数 和孔 径 的设计 设 孑 L 数 为 n ， 孑 L 径 为 d， 首 先 n 、 d应 满 足 初 始 节 流 面积 的要 求 ． 即 ＼ ／ 3 2 1 f 8 其次 ， n 、 d可根据雷诺数 Re 2 0 0 0要 求决定 ， Re ， 根据流体连续性定理 ， f f o v 。 A，所 以可得 Re 2 一业 如 n d u 于 是 9 联 立 8 和 9 式 ， 解 得 胆 、 ／ 警 、 ／ 惫 ⋯ 3 孔 坐标 位 置 的设 计 理论上讲 ．多孑 L 式液压缓 冲器不可能达到完全等 减速缓冲 ．但通过合理 的设计 ，可获得近似等减速缓 冲。孔坐标位置的设计原理 。 是使多孑 L 式液压缓冲器 的 各小孑 L 面积对应的孔坐标对应值 ．与等减速缓 冲器 的 相应 曲线坐标点重合。 对于等减速缓冲器 ． 其节流面积公式为 V 卜 舯孚 嘶一 ⋯⋯。 对 于多孔式液压缓 冲器 ， 若孔数 为 n ， 一个 节流小 孑 L 的有效截面积为 ，则 x O时 ； 时 n 一 1 ； z 时 n 一 手 ； 依 此 类 推 。 根 据 上 述 原 理 n一} ，于 是 [ 1_ ] “％m a x ，用类似的推导 ， 可以得出 2 3 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 4年 第 0 5期 ll - ， 式 1 ～ 式 1 2 中 m运动物体的质量 运动物体的初始冲击速度 ； 运动物体所受的外力 口 缓冲器的总缓冲力 ； p 任意时刻缓冲器活塞的缓冲力 ； p 厂初始活塞的缓 冲力 ； 缓冲行程中的活塞位置 总有 效节 流 面积 一 初 始 节流 面积 ； 一 个节流小孑 L 的有效节流面积 ； A 有 效 活塞 面积 ／ 4 单个阻尼孑 L 面积 C 流 量 系数 ； p 油 液密度 ； 油液 重度 油液运动粘度 广 节 流小 孔处 的 初始 液流 速度 ； Re 雷诺数 2 计算实例 按如下 要求设计 一个无 复位式 多孔型 缓 冲液 压 缸 ． 四个 这种 液 压 缸 同步 工 作 ． 希望 在 遇 到 总 冲击 力 是 2 0 t 的物体 以 l m ／ s 的速度冲击时． 缓冲缸 的缓冲行程小 于 5 0 0 mm． 最大缓冲力 1 5 t 。 设计过程 首先 ， 根据所给的初始条件 运动物体的质量 m和 冲击速度 。 ， 缓冲器 的最大缓 冲行程 ， 求缓 冲器 必 须吸收的能量。速度 冲击时 ， 缓冲器吸收的能量等于冲 击动能 。冲击动能的计算为 E 1 。 2 其次 ． 缓 冲器 内充 油压 力 的计算 设缓 冲缸内充油最大压力为 p ～， 按设计要求最大 缓冲力 1 5 t ． 换算成力 即为 1 ． 5 x 1 0 5 的力 ． 又因为活塞直 径 已知为 1 2 5 m m。 则 活 塞面 积为 A_ 1 ,r r D 1 ．2 2 7x1 0 - 2 m2 4 故 p m 1 2 ． 2 MP a ． 缓冲缸无杆腔的充油压力必须满 足 P≤p 一 即 P≤ 1 2 ． 2 MP a 。 最后 ， 阻尼孑 L 孑 L 数 、 孑 L 径及孑 L 坐标位置的确定查表 选择 2 0号机械油在 5 0 C 时， v 1 8 m m 2 ／ s ， p 0 ． 8 8 x 1 0 ～ k g f s 2 ／ m m ， C d 0 ． 6 3 ， R 6 0 0 0， 因为是速度 冲击 ， 所 以作用在 2 4 物体上 的外力 F 0 ， 从而有 孔数 将数值带入式 L 0 ， 得n 0 ．9 1 9 1 0 、 ／ 5 ． 1 3 7 ， 取整 得 n 6 ； ’ ～ 孔 径 将 数 值 带 人 式 1 1 ， 得 l o , v D 0． 0 28 2 3 ram ； 孑 L 坐标位置 将数值带入式 1 2 得 1 7 9 ． 8 61 mm； 2 2 1 8 ． 7 5 mm； 3 3 2 9 ． 8 6 1 mm； 4 41 3 ． 1 9 4 ram ； 5 4 68 ． 7 5 ram ； x 6 49 6． 5 2 7mm 。 3 仿 真分析 3 ． 1 模型 实现 A ME S i m软件是法 国某公司开发的专门用于液压 机械系统的建模 、 仿真及动力学分析 ， 面向lT程交互设 计的可视化仿真软件 。本论文中以 A ME S i m为平台 ， 在 AME S i m建模过程 中． 用软件 中的单侧阀口模型来等效 阻尼孑 L 的节流作用 ． 有几个阻尼孔就用几个阀 口模型 ． 考虑 到 活 塞杆 的受 力 ． 需要 加 上 活 塞杆 模 型 用 两个 可 变容腔分别等效活塞杆无杆腔和活塞杆与内缸壁之间 的可变腔体 用不变容腔来等效内缸壁与外缸壁之间 的环形不变腔体 加上可以表示缓冲物体的质量块 ， 将 所选元件合理连接。得到如下仿真模型 见 图 3 ④ ⑤ 图 3 多孔式双壁液压缓冲器 的 A Mfi S i m模 型 3 ． 2仿 真参 数 仿真模型所用参数如表 1 所示。 表 1 多孔液压缓冲器 仿真 参数 Hv dr a ul i c s Pn e uma t i c s Se a l s ／ No ． 05 ． 201 4 3 ． 3仿真 结果 仿 真 结果 如 图 4所 示 。由图 4可 以看 出 ， 所设 计 的 多孔式缓冲液压缸 ， 在要求的速度 冲击中， 质量块可以 在 5 0 0 m m 的缓 冲行 程 内速 度 减小 为零 ． 困油 腔 的压 力 峰值是 3 ． 5 MP a ， 满足计算 p 1 2 ． 2 MP a的压力要求 。 时问 ／ s a 质量块位移曲线 4 0 0 35 0 3 0 0 ％ 2 5 0 2 0 0 J 50 出 l O 0 5 O 0 5 0 81 8 曼 。 一 I } 1 ． ．⋯ } _ ” ⋯⋯ 时间 ／ s b 质量块速 度曲线 时间 ／ s C 困油腔压力曲线 图 4 多 孔 式 液 压 缓 冲 器 的 AMES J m 仿 真 结 果 4 结论 1 多孑 L 式液压缓冲器具有 良好的缓 冲性能 ， 决定 其缓冲性能的主要结构参数有孔数 、孔径 以及孔坐标 位 置 2 提出了有理论依据 的多孔式 液压缓 冲器的孔 数 、 孑 L 径 以及孑 L 坐标位置设计计算公式 ， 使缓冲器 能获 得近似等减速缓冲， 节省设计 、 制造时问 3 建 立 了 多孔 式 液压 缓 冲器 的 A ME S i m 模 型 ， 通 过模型分析 ．可 以验证所设计的液压缓冲器能否达到 工程要求 ． 同时帮助检查设计中是否存在问题 参 考 文 献 [ 1 ] 刘 永东． 新型缓 冲油 缸机构 及其性 能研 究【 J J _ 液压 气动 与密 封 ． 2 0 1 2 ． 1 0 6 8 7 0 ． [ 2 ] 李 明智． 新 型液气缓冲器 的设计及分析[ D 1 ． 大连 大连 海事大 学 ． 2 0 1 0 ． 【 3 】 吴根茂 ． 动态 封闭容 腔及其 压力 基本公 式f J 】 ． 流体 传动 与控 制 ， 2 0 0 7 ， 3 5 4 5 6 ． [ 4 ] 卓耀彬． 液压缓冲器特性及其检测方法研 究 J 。 杭州 浙江大 学 ． 2 0 0 6 ． 『 5 ] 黄红． 气动缓冲和液压缓 冲器 的原 理和特性研究[ D] ． 杭州 浙 江大学 ． 2 0 0 3 ． [ 6 ] 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 8． 【 7 】 吴 国栋． 液压缸的节流缓 冲装置[ J 】 ． 工程机械与维修 ， 1 9 9 9 ， 3 ． f 8 1 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 ． 【 9 ] 高殿荣． 高压液压缓 冲装置的设计【 J ] ． 机械设计与制造 ， 1 9 9 4 ， 2 2 3 2 5 ． 【 1 0 ] 赵岐岭． 起重机用液压缓 冲器[ J ] ． 太重技术导报 ， 1 9 9 1 ， 3 一 [ 1 1 】张学 洵 ． 液 压缸 内部控 制节 流缓 冲特性 分析 『 J ] ． 液 压工 业 ， 1 9 8 7， 4 1 8 - 2 0 ． *一 一“ - 一 - - - 一 - - 一 一 一 - ’ 一 - 一一 一 一 。 ’ 一 w 一- 一 ’ 一 中国 力学学 会流 体控 制 工程 专业 委员 会 第 1 7届流体动力与机电控制工程学术会议 西藏． 拉萨2 0 1 4年 7月 会议及征文通知 为促进我围流体传动及控制领域研究成果 的学术交流及新技术的相互沟通 ， 中 国力学学会流体控 制工程专业委员会拟定 于 2 0 1 4年 7月 2 7日至 7月 2 8日在西藏拉萨市 召开第 1 7届流体动力与机电控制 工程 学术会议 。 本次会议 由哈尔滨工业大学 、 重 庆 理工大学 、 昆明理工大学 、 燕 山大学 、 贵州大学等多所高校联合举 办。旨在为全 国各地 的研究人员 、 工程师和学者提供 一个 交流流 体传动及控制领域新技术和最新研究成果 的平 台。 会议 录用 所有论文 ， 由{ HY D R O M E C HA T R O N I C S E N G I N E E R I N G 机床与液 压 液压与气动 液压气动与密封 流体传动及控 制 等杂 志发 表 ， 经 同行专家 评审录用 的优 秀论文将提 交 E l C o m p e n d e x数 据库检索 投稿要求 ①请在论文首页左上角注明“ 会议论文” ； ②论文篇幅控制在 4页左右； ③论文要有一定的学术价值或应用推广价 值 ． 并且未在 国内外公开发表过。 投稿方式 本次会议稿件 由重庆理工大学期刊社 H y d mm e c h a t mn i c s E n g i n e e r i n g 编辑部负责征集。 编辑部信息 电话 0 2 3 6 8 8 5 2 8 9 2 ， 邮箱 j d y g c y w 1 2 6 ． c o n， 网址 h t t p ／ ／ j d y ． q k s ． c q u t ． e d u ． c n ／ i n d e x ． a s p 联系人 何杰玲 地址 重庆市九龙坡 区重庆理工大学杨家坪校区重庆理工大学期刊社 内 邮编 4 0 0 0 5 0 投稿截止 日期 2 0 1 4年 6月 1 0日． 录用通知 日期 2 0 1 4年 7月 1 0日， 会议 召开 13 期 2 0 1 4年 7月 2 7日一 2 8日。 中国力学学会 流体控制工程专业 委员会 重庆理工 大学期f ll - { H y d r o me c h a t mn i c s E n g i n e e r i n g 编辑 部 2 0 1 4年 3月