短笛型缓冲结构的高速液压缸缓冲过程的研究
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根据不同的活塞的质量 (含负载等的折算质 量) 及负载力等, 用所建立的数学模型, 通过调整 短笛形缓冲柱塞和缓冲孔的结构参数, 可获得满 意的缓冲效果。
参考文献 1 雷天觉. 液压工程手册. 北京: 机械工业出版社, 1990. 2 盛敬超. 液压流体力学. 北京: 机械工业出版社, 1980. 3 H eber E M erritt. H ydrau lic Con tro l System. N ew
图1 缓冲过程的三个阶段
柱塞上部分未被遮盖的阻尼孔形成短管节流。假 设在整个缓冲过程中, 油液粘度和密度是不变的, 可建立各阶段的数学模型。
第一阶段断面突然收缩产生局部压力损失的 流量方程为[1, 2 ]
Q=
cf
d 2Π 4
2Θ∃ p
(1)
式中, Q 为通过缓冲孔的流量, m 3 s; cf 为流道断
导出。显然, m f 、kf 、cf 的表达式是相当复杂的, 但 要进行计算不会有太大困难。
参考文献 1 李翼祺, 潘泓, 卢松存. 参振土对基础振动的影响. 见:
第二届全国结构减震控制学术会论文集, 武汉, 1992. 2 严人觉, 王贻, 韩清宇. 动力机器弹性半空间理论概
论. 北京: 中国建筑工业出版社, 1980. 3 Sa rgand S M , Shong Z. F ree V ib ra tion of C ircu la r
个未被遮盖的阻尼孔的流量; 通过被部分遮盖的
那个阻尼孔的流量, 流量方程为
Q=
Π d ∆3∃p 12Λ(x - l0)
+
m
cq
d
2 0
Π
4
2 Θ
∃
p
+
cVA x
2 Θ
∃
p
(3)
式中, cV 为被部分遮盖的那个阻尼孔的流量系数;
A x 为被部分遮盖的那个阻尼孔的过流面积, m 2;
m 为活塞及负载等的折算质量, kg; l 为短笛形缓
式中, cd 为锐缘节流的流量系数; cq 为阻尼孔的短
管节流的流量系数; l0 为开始进入缓冲到缓冲孔
的距离, m ; d 0 为阻尼孔直径, m ; x 为活塞位移,
m ; ∆ 为缓冲柱塞与孔的间隙, m。
第三阶段, 假设被遮盖的阻尼孔无流量通过,
则流量方程包含三部分: 通过缝隙的流量; 通过m
丁 凡 副教授
高速大功率液压驱动系统中, 液压缸活塞运 动速度很高, 在结束运动前必须进行适当的制动 和缓冲, 避免产生强烈的撞击和振动, 使工作平 稳, 防止损坏传动部件, 降低噪声, 从而提高系统 的工作性能和寿命。在液压缸内部设计缓冲装置 来实现缓冲, 具有结构简单, 工作可靠, 体积小, 缓 冲性能较好的特点而被广泛应用。本文对采用短 笛型缓冲装置液压缸的缓冲过程进行理论分析与 试验研究。
y , t) W 2 (t) 等函数比值可通过式 (10) 和式 (12)
·52·
1 缓冲过程的理论分析
高速大功率液压驱动系统的液压缸活塞运动 速度很高, 可以把缓冲过程分为3个阶段: 第一阶 段, 当短笛型缓冲柱塞离缓冲孔较远时, 缓冲腔的 油液通过缓冲孔流出, 由于流道断面突然收缩, 产 生局部压力损失 (图1a) ; 第二阶段, 当缓冲柱塞离 缓冲孔较近时, 缓冲柱塞的边缘和缓冲孔的边缘 形成锐缘节流, 同时短笛缓冲柱塞上的阻尼孔形 成短管节流 (图1b) ; 第三阶段, 当缓冲柱塞进入 缓冲孔中, 则形成缝隙节流 (图1c) , 同时短笛缓冲
分成断面收缩局部 压力损失, 锐缘节 流 和 阻 尼 孔 节 流,
图 3 缓冲过程计算与试验结 果对比
缝隙节流和部分阻尼孔节流 3 个阶段和所建立的
数学模型能较正确描述缓冲的整个过程。
4 结构参数变化对缓冲过程的影响
利用所建立的数学模型, 可方便地分析短笛形 缓冲柱塞及缓冲孔的结构参数对缓冲过程的影响,
k=
2.
1p
1. 0.
2
7V
T
1p
0
1
14A
2 0
(8)
式中, p 0 为蓄能器预充油压力, Pa; V T 为蓄能器的
容积, m 3; p 为蓄能器的气体压力, Pa。
缓冲腔 V 1 及容腔 V 2 流量方程为
pαV 1
V1
Βe
=
(A 1 +
q1
d 2Π) 4
xα-
Q
(9)
式中, Βe 为油液的弹性模量, N m 2。
廖道训 男, 1935年生。华中理工大学 (武汉市 430074) 机械科 学与工程学院教授、博士生导师。主要研究领域有机械系统的动 力学、振动与控制、机械系统的动态设计理论与方法。发表论文99 篇。 金卫军 黄其柏 武汉市 430074 华中理工大学
短笛型缓冲结构的高速液压缸缓冲过程的研究—— 丁 凡 路甬祥
pαV 2
V2
Βe
=
Q+
q2 d42Πxα-
cdVA V
2Θp V 2 (10)
式中, V 1、V 2 为缓冲腔及容腔的容积, m 3; A V 为换 向阀阀口过流面积, m 2; cdV 为换向阀阀口流量系 数。
由于缓冲过程压力的变化较大, Βe 值将随压 力变化而变化[3], 这在计算中是必须考虑的。缓冲
3 国家自然科学基金资助项目 (59175198) 收稿日期: 1997—10—05
µ m f =
T
(W
2 2
(
t)
2)
=
Θ5 2 (z ) dx dy dz +
8 11
µΘ5 2 (z )
[ 5W
3 (x , y , 5t
t)
]2
[W
2 2
(
t)
]dx dy dz
(18)
8 12
µ kf = U
量小于由式 (2) 计算的第二阶段的流量即可认为
缓冲进入缝隙节流和部分阻尼孔节流的第三阶
段, 由式 (2)、式 (3) 经整理得
x ≥ Θ∃p ∆2 + l0
(5)
12 2 Λcq
式中, Λ 为油液的动力粘度, Pa s。
当然这两个过渡点的进一步确定和在两个阶
段间是否存在过渡区, 还待作进一步研究。 以 差动液压缸为例, 讨论高速大功率液压驱
面突然收缩的流量系数; Θ为油液密度, kg m 3;
∃p 为压差, 即 ∃p = p V 1 - p V 2, Pa; d 为缓冲孔直
径, m。
第 二阶段, 通过锐缘节流和 n 个阻尼孔的流
量方程为
Q = cd d Π ( l0 - x ) 2 + ∆2
2Θ∃p +
cqn
d
2 0
Π
4
2Θ ∃ p
(2)
(6)
式中, p s 为供油压力, Pa; p V 1 为缓冲腔V 1 的压力, Pa; p V 2 为容腔 V 2 的压力, Pa。
对于液压缸
动作不频繁, 活塞 高速运动所需的
瞬时大流量液压
油主要靠蓄能器
供油的差动液压
缸 系 统 ( 图 2b) , 蓄能器排油推动
活塞运动的作用
相当于一个预压 缩的刚度为 k 的 弹簧 (图 2 虚线所
的初始位置到进入缓冲时的距离, m ; Βc 为活塞及
负载等的折算粘性阻尼系数, N s m ; A 0、A 1 为有
杆腔、缓冲腔油压有效面积, m 2; F 为负载力, N。
式 (6)、式 (7) 中, 局部损失阶段 q1 = 1, q2 =
·53·
0, 锐缘节流和缝隙节流阶段 q1 = 0, q2 = 1。气体 弹簧刚度
·54·
中国机械工程1998年第9卷第10期
图 4 缓冲腔压力峰值的计算和试验结果比较
可寻求到能获得最佳缓冲效果的结构参数。以阻尼 孔直径 d 0 变化为例, 分析对活塞的缓冲速度 (图
图 5 阻尼孔直径变化对缓冲速度及缓冲腔压力的影响
5a) 及缓冲腔压力 (图 5b) 的影响如下: ① 缓冲腔 压力变化曲线中第一个压力峰值(图 3、图 5b) 是锐 缘节流阶段所产生的, 说明锐缘节流对活塞缓冲速 度的下降有明显的作用 (图 3、图 5a)。②当阻尼孔 直径太小(图5曲线3) , 将产生较高的缓冲腔压力峰 值, 缓冲过程与圆柱型相似。③当阻尼孔直径太大 (图5曲线1) , 则第三阶段的缓冲作用不明显, 只是 到所有的阻尼孔全部进入缓冲孔之后, 缓冲过程突 然转为纯缝隙节流, 出现一个很高的压力峰值, 速 度很快下降至零, 并产生振荡。
8 11
µ
Θ5 2 (z )
[
5W
3 (x , 5t
y,
t)
52W
3 (x , y , 5t2
t)
W
2 2
(
t)
]dx
dy
dz
+
8 12
µ
1
E -
Λ2 {
5 ′2 (z ) [W 2 ( t) W 2 ( t) ]dx dy dz +
8 11
µ
5 ′2 (z ) [W
3 (x , y ,
中国机械工程1998年第9卷第10期
短笛型缓冲结构的高速液压缸缓冲过程的研究3
丁 凡 路甬祥
摘要 介绍采用短笛型缓冲装置的高速液压缸缓冲过程的理论分析和 试验结果。认为整个缓冲过程可分为流道断面收缩局部压力损失、锐缘节流 与阻尼孔节流、缝隙节流与部分阻尼孔节流3个阶段, 并建立了该过程的数 学模型, 利用数学模型分析了短笛缓冲柱塞结构参数对缓冲速度及缓冲腔 压力的影响。 关键词 液压系统 液压缸 缓冲过程 速度 中国图书资料分类法分类号 TH 137. 51
参考文献 1 雷天觉. 液压工程手册. 北京: 机械工业出版社, 1990. 2 盛敬超. 液压流体力学. 北京: 机械工业出版社, 1980. 3 H eber E M erritt. H ydrau lic Con tro l System. N ew
图1 缓冲过程的三个阶段
柱塞上部分未被遮盖的阻尼孔形成短管节流。假 设在整个缓冲过程中, 油液粘度和密度是不变的, 可建立各阶段的数学模型。
第一阶段断面突然收缩产生局部压力损失的 流量方程为[1, 2 ]
Q=
cf
d 2Π 4
2Θ∃ p
(1)
式中, Q 为通过缓冲孔的流量, m 3 s; cf 为流道断
导出。显然, m f 、kf 、cf 的表达式是相当复杂的, 但 要进行计算不会有太大困难。
参考文献 1 李翼祺, 潘泓, 卢松存. 参振土对基础振动的影响. 见:
第二届全国结构减震控制学术会论文集, 武汉, 1992. 2 严人觉, 王贻, 韩清宇. 动力机器弹性半空间理论概
论. 北京: 中国建筑工业出版社, 1980. 3 Sa rgand S M , Shong Z. F ree V ib ra tion of C ircu la r
个未被遮盖的阻尼孔的流量; 通过被部分遮盖的
那个阻尼孔的流量, 流量方程为
Q=
Π d ∆3∃p 12Λ(x - l0)
+
m
cq
d
2 0
Π
4
2 Θ
∃
p
+
cVA x
2 Θ
∃
p
(3)
式中, cV 为被部分遮盖的那个阻尼孔的流量系数;
A x 为被部分遮盖的那个阻尼孔的过流面积, m 2;
m 为活塞及负载等的折算质量, kg; l 为短笛形缓
式中, cd 为锐缘节流的流量系数; cq 为阻尼孔的短
管节流的流量系数; l0 为开始进入缓冲到缓冲孔
的距离, m ; d 0 为阻尼孔直径, m ; x 为活塞位移,
m ; ∆ 为缓冲柱塞与孔的间隙, m。
第三阶段, 假设被遮盖的阻尼孔无流量通过,
则流量方程包含三部分: 通过缝隙的流量; 通过m
丁 凡 副教授
高速大功率液压驱动系统中, 液压缸活塞运 动速度很高, 在结束运动前必须进行适当的制动 和缓冲, 避免产生强烈的撞击和振动, 使工作平 稳, 防止损坏传动部件, 降低噪声, 从而提高系统 的工作性能和寿命。在液压缸内部设计缓冲装置 来实现缓冲, 具有结构简单, 工作可靠, 体积小, 缓 冲性能较好的特点而被广泛应用。本文对采用短 笛型缓冲装置液压缸的缓冲过程进行理论分析与 试验研究。
y , t) W 2 (t) 等函数比值可通过式 (10) 和式 (12)
·52·
1 缓冲过程的理论分析
高速大功率液压驱动系统的液压缸活塞运动 速度很高, 可以把缓冲过程分为3个阶段: 第一阶 段, 当短笛型缓冲柱塞离缓冲孔较远时, 缓冲腔的 油液通过缓冲孔流出, 由于流道断面突然收缩, 产 生局部压力损失 (图1a) ; 第二阶段, 当缓冲柱塞离 缓冲孔较近时, 缓冲柱塞的边缘和缓冲孔的边缘 形成锐缘节流, 同时短笛缓冲柱塞上的阻尼孔形 成短管节流 (图1b) ; 第三阶段, 当缓冲柱塞进入 缓冲孔中, 则形成缝隙节流 (图1c) , 同时短笛缓冲
分成断面收缩局部 压力损失, 锐缘节 流 和 阻 尼 孔 节 流,
图 3 缓冲过程计算与试验结 果对比
缝隙节流和部分阻尼孔节流 3 个阶段和所建立的
数学模型能较正确描述缓冲的整个过程。
4 结构参数变化对缓冲过程的影响
利用所建立的数学模型, 可方便地分析短笛形 缓冲柱塞及缓冲孔的结构参数对缓冲过程的影响,
k=
2.
1p
1. 0.
2
7V
T
1p
0
1
14A
2 0
(8)
式中, p 0 为蓄能器预充油压力, Pa; V T 为蓄能器的
容积, m 3; p 为蓄能器的气体压力, Pa。
缓冲腔 V 1 及容腔 V 2 流量方程为
pαV 1
V1
Βe
=
(A 1 +
q1
d 2Π) 4
xα-
Q
(9)
式中, Βe 为油液的弹性模量, N m 2。
廖道训 男, 1935年生。华中理工大学 (武汉市 430074) 机械科 学与工程学院教授、博士生导师。主要研究领域有机械系统的动 力学、振动与控制、机械系统的动态设计理论与方法。发表论文99 篇。 金卫军 黄其柏 武汉市 430074 华中理工大学
短笛型缓冲结构的高速液压缸缓冲过程的研究—— 丁 凡 路甬祥
pαV 2
V2
Βe
=
Q+
q2 d42Πxα-
cdVA V
2Θp V 2 (10)
式中, V 1、V 2 为缓冲腔及容腔的容积, m 3; A V 为换 向阀阀口过流面积, m 2; cdV 为换向阀阀口流量系 数。
由于缓冲过程压力的变化较大, Βe 值将随压 力变化而变化[3], 这在计算中是必须考虑的。缓冲
3 国家自然科学基金资助项目 (59175198) 收稿日期: 1997—10—05
µ m f =
T
(W
2 2
(
t)
2)
=
Θ5 2 (z ) dx dy dz +
8 11
µΘ5 2 (z )
[ 5W
3 (x , y , 5t
t)
]2
[W
2 2
(
t)
]dx dy dz
(18)
8 12
µ kf = U
量小于由式 (2) 计算的第二阶段的流量即可认为
缓冲进入缝隙节流和部分阻尼孔节流的第三阶
段, 由式 (2)、式 (3) 经整理得
x ≥ Θ∃p ∆2 + l0
(5)
12 2 Λcq
式中, Λ 为油液的动力粘度, Pa s。
当然这两个过渡点的进一步确定和在两个阶
段间是否存在过渡区, 还待作进一步研究。 以 差动液压缸为例, 讨论高速大功率液压驱
面突然收缩的流量系数; Θ为油液密度, kg m 3;
∃p 为压差, 即 ∃p = p V 1 - p V 2, Pa; d 为缓冲孔直
径, m。
第 二阶段, 通过锐缘节流和 n 个阻尼孔的流
量方程为
Q = cd d Π ( l0 - x ) 2 + ∆2
2Θ∃p +
cqn
d
2 0
Π
4
2Θ ∃ p
(2)
(6)
式中, p s 为供油压力, Pa; p V 1 为缓冲腔V 1 的压力, Pa; p V 2 为容腔 V 2 的压力, Pa。
对于液压缸
动作不频繁, 活塞 高速运动所需的
瞬时大流量液压
油主要靠蓄能器
供油的差动液压
缸 系 统 ( 图 2b) , 蓄能器排油推动
活塞运动的作用
相当于一个预压 缩的刚度为 k 的 弹簧 (图 2 虚线所
的初始位置到进入缓冲时的距离, m ; Βc 为活塞及
负载等的折算粘性阻尼系数, N s m ; A 0、A 1 为有
杆腔、缓冲腔油压有效面积, m 2; F 为负载力, N。
式 (6)、式 (7) 中, 局部损失阶段 q1 = 1, q2 =
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0, 锐缘节流和缝隙节流阶段 q1 = 0, q2 = 1。气体 弹簧刚度
·54·
中国机械工程1998年第9卷第10期
图 4 缓冲腔压力峰值的计算和试验结果比较
可寻求到能获得最佳缓冲效果的结构参数。以阻尼 孔直径 d 0 变化为例, 分析对活塞的缓冲速度 (图
图 5 阻尼孔直径变化对缓冲速度及缓冲腔压力的影响
5a) 及缓冲腔压力 (图 5b) 的影响如下: ① 缓冲腔 压力变化曲线中第一个压力峰值(图 3、图 5b) 是锐 缘节流阶段所产生的, 说明锐缘节流对活塞缓冲速 度的下降有明显的作用 (图 3、图 5a)。②当阻尼孔 直径太小(图5曲线3) , 将产生较高的缓冲腔压力峰 值, 缓冲过程与圆柱型相似。③当阻尼孔直径太大 (图5曲线1) , 则第三阶段的缓冲作用不明显, 只是 到所有的阻尼孔全部进入缓冲孔之后, 缓冲过程突 然转为纯缝隙节流, 出现一个很高的压力峰值, 速 度很快下降至零, 并产生振荡。
8 11
µ
Θ5 2 (z )
[
5W
3 (x , 5t
y,
t)
52W
3 (x , y , 5t2
t)
W
2 2
(
t)
]dx
dy
dz
+
8 12
µ
1
E -
Λ2 {
5 ′2 (z ) [W 2 ( t) W 2 ( t) ]dx dy dz +
8 11
µ
5 ′2 (z ) [W
3 (x , y ,
中国机械工程1998年第9卷第10期
短笛型缓冲结构的高速液压缸缓冲过程的研究3
丁 凡 路甬祥
摘要 介绍采用短笛型缓冲装置的高速液压缸缓冲过程的理论分析和 试验结果。认为整个缓冲过程可分为流道断面收缩局部压力损失、锐缘节流 与阻尼孔节流、缝隙节流与部分阻尼孔节流3个阶段, 并建立了该过程的数 学模型, 利用数学模型分析了短笛缓冲柱塞结构参数对缓冲速度及缓冲腔 压力的影响。 关键词 液压系统 液压缸 缓冲过程 速度 中国图书资料分类法分类号 TH 137. 51
