活塞式混凝土泵液压缸缓冲装置性能分析及仿真计算

王吴光

（无锡商业职业技术学院机电技术学院，江苏无锡 214153）

活塞式混凝土泵液压缸缓冲装置性能分析及仿真计算

王吴光

（无锡商业职业技术学院机电技术学院，江苏无锡 214153）

活塞式混凝土泵被广泛应用于现代建筑施工中，文章介绍了液压缸缓冲装置的工作原理，通过数学计算得到了增加缓冲装置后系统压力降低的数学模型，根据该数学模型，在软件中进行仿真计算，对比仿真数据得出缓冲装置能够有效降低泵送液压系统在换向工作过程中产生的压力冲击。

活塞式混凝土泵；缓冲装置；性能分析;仿真计算

混凝土泵以其泵送量高、劳动强度低、工作效率高、输送距离远等优点，被广泛应用于现代建筑施工中。其中活塞式混凝土泵因泵送高度高、压力大、距离远，故占据混凝土泵的绝大多数。但这种泵工作时，活塞在到达止点时会存在瞬时的压力峰值，对系统产生冲击，导致整个泵送机构产生强烈的噪声，影响液压系统某些元件的使用寿命和系统密封性能。为了解决这一问题，笔者尝试在液压缸活塞上装配缓冲装置，并通过仿真和理论计算对其进行检验。

一、液压缸缓冲装置工作原理

带缓冲装置的液压缸如图1所示，在活塞右侧端面加装了复位弹簧3和弹簧座4，并且在活塞杆5靠近活塞的端部开了A、B两个节流孔。其中弹簧座4可以在活塞杆上轴向滑动，并且弹簧座4与液压缸内壁之间有非常小的径向间隙。

系统的压力冲击主要是因为活塞以一定的速度与缸体发生刚性碰撞后，活塞在很短的时间内反向运行，使得液压系统油压瞬间增大，从而产生液压冲击。到达止点前，活塞的瞬时速度越高，活塞与缸壁碰撞反向运动时系统产生的压力冲击就越强。若想降低压力冲击，则应该降低活塞在换向前的运行速度。为了保证泵送量不大幅度降低，故而降低活塞接近止点时的速度。

图1 带缓冲装置的液压缸

为了防止活塞到达右止点时与缸体发生刚性碰撞，当活塞接近右止点时弹簧座4先与缸体6相接触，活塞在左腔高压作用下继续右移，迫使封闭在活塞2与弹簧座4之间的液压油从节流孔A、节流孔B以及弹簧座4与缸体6之间的径向间隙经活塞杆内部油道流到缓冲座的右侧，同时弹簧座沿活塞杆轴向移动。由于节流孔A、节流孔B尺寸很小以及径向间隙很小，油液在流过时会产生阻尼力，将活塞的一部分动能转化成液压油的内能，迫使活塞运动减速，使其在与缸体发生碰撞时速度明显下降，以此来降低液压系统的压力冲击。

当活塞杆上的节流孔B被弹簧座4封闭后，活塞2与弹簧座4之间的液压油只能从节流孔A和弹簧座4与缸体6之间的径向间隙经活塞杆内部油道流到缓冲座的右侧，同时弹簧座沿活塞杆继续移动，使得由弹簧座、活塞、缸体以及活塞杆形成的空间容积进一步减小。由于通流面积减小，所以活塞右移时受到更大的阻尼力，活塞将产生更大的负值加速度，即减速更快。

当活塞杆上的节流孔A被弹簧座封闭后，活塞与弹簧座之间的液压油只能从弹簧座与缸体之间的径向间隙经活塞杆内部油道流到缓冲座的右侧。由于通流面积进一步减小，节流效果达到最大，活塞达到最大减速。

当弹簧座与活塞的右端面接触后，活塞与弹簧座就形成了一个相互接触的整体，并与缸体接触，缓冲过程终结。但由于此前缓冲装置的作用，使得活塞的运动速度已经得到一定程度的降低，所以此时活塞与缸体发生碰撞后所产生的压力冲击会有所降低。

二、液压缸缓冲装置性能分析

为了分析缓冲装置的性能，将活塞头部进行放大，并在图中标识出计算过程中要使用的标号，如图2所示。

图2 缓冲装置结构

为了简化计算，忽略诸如油液的可压缩性、弹簧座移动时所受到的摩擦力、油液温度升高后粘度降低等次要因素的影响，在分析计算缓冲装置性能之前，同样需要对模型进行简化，简化后的模型如图3所示。

图3 缓冲装置计算模型

活塞杆和弹簧座的相对位置发生变化时，活塞上所受到阻尼力并不相等，因此在不同时刻活塞的减速度也不相等。以弹簧座与缸体相接处为基准，设活塞的位移为S。

从弹簧座的右端面与缸体接触开始到弹簧座的左端面与活塞接触，弹簧座相对于活塞运动的轴向距离为L1+L2+L3，这期间活塞的运动速度从S0降至S3。

其中，L1、L2、L3是弹簧座相对于活塞运动的3段轴向距离；

dA—节流孔A直径；

μ—油液动力粘度；

La—节流孔A的长度；

dh—液压缸内直径；

Δ—弹簧座与液压缸的单边间隙；

L—弹簧座唇边的长度。

式（2）中，m—活塞杆总成的质量。

设活塞向左运动距离为S后静止，此时液压势能的增量为：

其中，K—油柱及配管系统的综合刚度；

A—液压缸活塞面积；

pe—换向前瞬间平衡状态时液压缸内的压力。由式（3）可以算得压力增量为：A-pe

可知与无缓冲装置相比，系统压力降低量为：

联立式（1）和（4）可知，装配缓冲装置后液压系统的压力降低为：

三、带缓冲装置泵送系统建模仿真

通过上述理论分析得到增加液压缓冲装置后系统压力降低的数学模型，根据该数学模型，在软件中建立模型进行仿真计算。

仿真数据（见表1）对比结果表明，当泵送系统无缓冲装置时，低负载、高泵送量模式下活塞到达止点时的压力峰值为32MPa，60s内活塞运行了9.66次；在高负载、低泵送量模式下活塞到达止点时的压力峰值为29.1MPa，60s内活塞运行了6.27次；当系统中有缓冲装置时，低负载、高泵送量模式下活塞到达止点时的压力峰值为27.2MPa，60s内活塞运行了9.86次；在高负载、低泵送量模式下活塞到达止点时的压力峰值为26.6MPa，60s内活塞运行了6.32次。带有缓冲装置的泵送系统在低负载、高泵送量模式下工作时，活塞到达止点的压力峰值比无缓冲装置时的压力峰值降低了15%（若将溢流阀的压力升高，可能压力峰值降低得会更多）；带有缓冲装置的泵送系统在高负载、低泵送量模式下工作时，活塞到达止点的压力峰值要比没有缓冲装置时压力峰值降低8.6%。说明当泵送系统配置缓冲装置时，系统产生的冲击压力比没有缓冲装置时的压力要小，缓冲装置能够有效降低泵送液压系统在换向工作过程中产生的压力冲击。

表1 有无缓冲装置泵送系统仿真结果对比

四、结语

本文通过理论计算和仿真分析，证明混凝土泵液压缸加装缓冲装置可有效降低泵送系统的压力冲击，降低噪声，延长液压系统某些元件使用寿命和系统密封性。

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（编辑：林钢）

Piston Concrete Pump Hydraulic Cylinder Buffer:Performance Analysis and Simulation Calculation

WANG Wu-guang
（School of Mechanical and Electrical Technology,Wuxi Institute of Commerce,Wuxi 214153，China）

Piston concrete pumps are widely used in modern construction projects.This paper first introduces the working principle of the hydraulic cylinder buffer device,and then by mathematical calculation gets a mathematical model with system pressure reduced after increasing hydraulic buffer devices.According to this mathematical model,it does simulation calculation with software,and,by comparing the simulation data,it comes to the conclusion that the buffer device can effectively reduce the pressure impact caused by the pumping hydraulic system working in different directions.

piston concrete pump;buffer;performance analysis;simulating calculation

TU 64

A

1671-4806（2017）03-0090-03

2017-04-06

王吴光（1981—），男，江苏无锡人，实验师，研究方向为机械设计、模具设计。