步进式新型缓冲液压油缸结构及其性能研究

许传斌 胡世全 王少忠 陶庆华

摘要：为了充分满足重载、突变载荷以及高频的作业需求，本文针对性设计了步进式新型缓冲液压油缸，其具备节流功能与缓冲腔密封结构，属于新型端面贴合式的高性能缓冲油缸。缓冲期间可以平稳运行，且压力峰值较小，性能明显更为优越。

关键词：步进式；缓冲液压；油缸结构；性能

前言

长期在高频、重载以及突变载荷情况下，挖掘机与混凝土泵车为了满足标准作业性能要求，必须使用高性能缓冲油缸。外控式缓冲油缸结构更为复杂且安装空间较大，动态响应频率较低，没有得到广泛采用。设备运行期間往往采用体积小、结构简单且内设缓冲装置的高性能缓冲油缸。油缸可以利用配合间隙密封与节流缓冲腔内的液压油，顺利完成缓冲。但这种油缸结构对缓冲孔与缓冲柱塞的要求较高，配合间隙较小，因此需要更高的加工精度。在缓冲期间，受配合间隙、长度以及节流槽通流面积等因素的影响，无法有效优化其缓冲性能。同时，受重载因素的影响，反复插入柱塞也极易导致磨损失效问题。在此基础上，本文分析了分离节流与密封功能的缓冲结构，研制了新型的端面贴合式缓冲油缸。

1.缓冲结构与工作原理

1.1缓冲结构

端面贴合式缓冲装置具备大缓冲套2与小缓冲套6，活塞杆缓冲部位与各缓冲套之间采用了间隙配合结构，且可以实现相对滑动。技术人员将多条轴向均匀分布于可相对滑动的活塞杆上，并将缓冲套回位弹簧3与5设置于活塞与缓冲套之间，在小弹簧5作用下，小缓冲套6紧卡7左端面，在大弹簧3作用下，大缓冲套2靠紧活塞杆大缓冲部位的轴肩端面。具体见下图1。

1.2缓冲原理

运行时，活塞杆1向右移动，端盖8肩部端面与小缓冲套6端面贴合时，活塞右边会形成高压缓冲腔10，之后缓冲结构开始运行。活塞杆1继续向右移动，缓冲腔内的油液会受到挤压，压力升高，在缓冲腔压力作用下，小缓冲套6紧密贴合在端盖8的上缓冲节流槽中。之后活塞杆1继续右移，小弹簧5继续呗压缩，且随着缓冲行程的增大，缓冲节流槽截面逐渐减小。受缓冲腔高压油阻力的影响，活塞杆1速度减慢，使得缓冲作用趋于均匀。当活塞杆1接近终点时，速度逐渐减为零，缓冲腔内压力减小至零，缓冲过程结束，油缸开始制动。

油缸开始反启动时，活塞开始向左移动，端盖8油孔开始流入油液，在压缩弹簧的作用下，小缓冲套6向左移动小段距离，打开端盖8与小缓冲套6的贴合端面，此时活塞杆1快速启动。在小弹簧5作用下，小缓冲套6也开始复位启动。相较柱塞插入式的缓冲装置，此缓冲方式可以实现缓冲腔的密封与节流，提升了设备的缓冲性能与可靠性，降低了加工精度。

2.液压油缸结构参数对缓冲的影响

2.1缓冲效果

在最短时间与缓冲行程内，油缸内缓冲装置确保活塞保持合理负加速度，将初速度减小至适当值，这便是油缸缓冲效果。期间合理的负加速度保持在一定范围内，反映了缓冲腔压力的数值。圆柱形缓冲柱塞与排油孔之间的环形缝隙保持不变，柱塞接近缓冲孔口时，油液因缓冲会产生较大的减速度与缓冲压力，缓冲压力会达到几倍的系统压力。在设计期间，技术人员应做好节流柱塞与节流孔配合间隙参数的设定工作。当节流孔与节流柱塞的配合间隙较大时，缓冲装置缓冲效果减小，因此缓冲装置应具备较高的装配精度与加工精度，且更多适用于低速小负载情况下。

台阶形缓冲柱塞进入缓冲孔时，随着行程的增加，缓冲孔与缓冲柱塞之间的缝隙会越来越小，缓冲压力也开始减小，活塞开始减速运动，制动时间减少。因此，相较圆柱形柱塞，台阶形缓冲柱塞具备更好的缓冲效果，可以在短时间内得到高速度的缓冲。

圆锥形缓冲柱塞的缓冲作用类似于节流阀缓冲作用，且环形间隙可以改变，且当缓冲柱塞圆柱瞬间进入缓冲孔时会出现较大的压力。因此，技术人员设计期间应充分重视圆锥角与缓冲形成参数。

2.2结构参数对缓冲的影响

一是圆柱形缓冲柱塞与缓冲孔间隙越小，活塞进入缝隙节流的突变越大，缓冲时间越长，压力峰值越大。但这种缓冲装置会出现刚性冲击，效果较差。二是台阶形缓冲柱塞运行期间，台阶间隙减小会增大缓冲腔压力峰值，降低缓冲速度，反之亦然。为了确保缓冲腔压力变化平稳，设计人员应合理设计其间隙，减小缓冲末速度，降低刚性冲击，适用于高速液压缸活塞缓冲过程。三是减小圆锥形缓冲柱塞锥角，可以减小缓冲末速度，增大缓冲腔内压力峰值，但这种柱塞结构却并不合理，没有得到有效应用。四是抛物线缓冲柱塞系数，随着系数减小，缓冲末速度也会减小，缓冲腔内的压力峰值随之增大。且能量吸收与减速缓冲速度变化呈均匀程度，缓冲过程比较平稳，属于理想的缓冲方法。

3.优化缓冲结构

油缸缓冲性能的设计关键在于节流槽，其可以节流缓冲腔液压油。

3.1节流槽结构设计

在整个缓冲过程中，缓冲装置应确保缓冲压力的恒定性，期间活塞减速度为常数。且计算发现，为了确保节流槽实现匀减速缓冲运动，节流槽深度应由活塞开始向两端逐渐加大，且深度变化为抛物线规律。但设计抛物线节流槽流程复杂，加工难度较大，因此文章中简化处理其运行结构。

3.2缓冲性能分析

技术人员优化了斜面式节流槽结构尺寸，提升了油缸的缓冲性能。优化时技术人员分析了缓冲压力与缓冲时间，建立了油缸仿真模型。优化分析后，技术人员获得了最优缓冲性能下缓冲油缸节流槽的结构尺寸。

4.应用研究

4.1缓冲性能分析

优化分析缓冲结构，本文研究了新型的步进式端面贴合缓冲油缸，并对缓冲性能进行了试验分析。同等工况条件下，比较进口KYB油缸缓冲性能曲线与新型缓冲油缸缓冲性能曲线。

比较发现，两个缓冲油缸具备大致相同的缓冲时间，且缓冲峰值压力相对较低25%，整个缓冲过程中，油缸没有出现抖动现象，缓冲效果良好。

4.2可靠性分析

在本缓冲装置中，活塞杆与缓冲套之间保持滑动配合方式，选择不同摩擦副配对材料、硬度差以及表面处理方式等因素进行正交试验，发现“硬/硬”配对的摩擦副耐磨性更大，且可以在表面处理活塞杆与缓冲套后，提升了装置的摩擦性能。同时，将平衡油槽浮动支撑技术应用至活塞杆，在缓冲套配合处设置环形平衡油槽，改善了摩擦副的润滑情况。通过近百万次的试验发现，在模拟工况下，缓冲装置并未出现磨损问题。

结束语

本文在研究缓冲液压油缸结构时改变了节流与密封功能集于一体的缓冲设计方法，采用了分离缓冲腔节流与密封功能的设计方法，结合节流缓冲技术，研制了端面贴合式高性能缓冲油缸，在降低加工精度的基础上提高了缓冲性能，具备更大的可靠性。

参考文献：

[1]周伟杰.浅谈液压油缸缓冲装置的设计[J].黑龙江科学.2013（10）

[2]汪春晖，王伟晓.基于ANSYS的挖掘机液压油缸结构设计[J].液压与气动. 2012（12）

[3]魏忠永，赵鸿飞，刘伟，徐兵，杨华勇.高压断路器液压操动机构油缸缓冲过程仿真与试验[J].农业机械学报.2010（06）