大型升降舞台上高速大功率液压油缸缓冲结构的设计及仿真分析

高速大功率液压系统中，液压缸液压油缸活塞的运动速度很快，会在行程终端时产生强烈的冲击、噪声甚至机械碰撞，所以，在结束运动前必须进行适当的制动和缓冲，以保证系统平稳可靠工作，提高其工作性能和使用寿命。一般来说，当油缸活塞的运行速度达到0.2 m/s时，须为油缸设计缓冲装置。缓冲装置的工作原理是：当活塞到达行程终端前一定距离内，封闭缸体内的油液，被封闭的油液产生适当的缓冲压力作用在活塞上，多余油液通过节流缝隙或节流孔排出，使活塞的惯性力与油液压力相抵消，以达到活塞减速制动的目的。缓冲装置的形式主要有节流缓冲和卸压缓冲两种[3]，而大型升降舞台的液压油缸由于其速度高、惯性大，一般采用节流缓冲的形式。

图1为液压缸液压油缸 节流型缓冲的简化模型。其原理为：在缓冲活塞未进入缸底内孔L0之前，液压缸液压油缸的回油直接回油箱；缓冲活塞进入缸底内孔L0之后，回油时必须经过缓冲节流器f才能回到油箱，由于节流器f的阻尼作用，液压缸液压油缸内的压力升高，导致活塞的运动速度降低，对活塞的运动起缓冲作用，以免发生碰撞。

图1 液压缸节流型缓冲模型

缓冲装置的设计对油缸至关重要，否则，容易造成油缸在缓冲行程内速度不可控、活塞到位反弹及窜动的现象，难以达到理想的效果。因此，不但需要选择合理的缓冲方式，还需要进行精确的参数匹配。缓冲装置设计的本质为：根据已知的活塞运动速度v0、活塞与负载的质量m以及缓冲行程L0确定能够产生等减速效果的节流槽过流面积。

设节流槽的过流面积为Af，缓冲腔的压力为pj，则：

式中：q——缓冲过程中通过节流口的流量；

Aj——缓冲活塞的面积；

Cd——节流孔节流系数；

v——缓冲过程中活塞的运动速度；

ρ——液压油的密度。

则：

如果要求等减速，即要求加速a=const，则：

当a为常量时，缓冲腔的压力pj为常量。结合式（2）、式（4），可以得到能产生等减速效果的节流槽过流面积表达式：

式中：a——活塞运行的加速度；

x——活塞运行的位移；

F——油缸的负载；

p1——有杆腔的压力；

A1——有杆腔的面积；

从式（5）可以看到，节流面积Af与位移x为函数关系，这是一个典型的抛物线方程，即要实现等减速缓冲，缓冲活塞须是一个抛物线的椎体。等减速缓冲的速度变化和能力吸收都是均匀的，缓冲过程平稳，是理想的缓冲方式，但抛物线的加工困难，因此，实际工程中常用圆柱形环形间隙节流缓冲（图2）、圆锥形环形间隙节流缓冲（图3）和三角槽节流缓冲（图4）来近似代替。

图2 圆柱形环形间隙节流缓冲

图3 圆锥形环形间隙节流缓冲

图4 三角槽节流缓冲

针对上述三种缓冲结构，分别建立数学模型进行仿真分析。设缓冲区最左端为位移原点，活塞从右至左运动，通过计算机仿真，对三种缓冲方式进行分析，其结果分别如图5、图6、和图7所示。从仿真分析的结果可看出：

图5 圆柱形环形间隙节流缓冲仿真结果

图6 圆锥形环形间隙节流缓冲仿真结果

图7 三角槽节流缓冲仿真结果

• 圆柱形环形间隙节流缓冲：由于间隙是恒定不变的，属于固定节流缓冲，即类似于使用节流阀的缓冲回路。由于初始时过流面积突变，缓冲压力很大，缓冲压力可能达到系统压力的几倍，活塞出现很大的负加速度，会引起很大的惯性冲击和压力冲击，缓冲效果不明显。因此，这种缓冲结构一般适用于简单、轻载和低速的油缸。
• 圆锥形环形间隙节流缓冲：间隙是可变的，类似于用行程阀的缓冲装置，由于间隙是由大逐渐变小的，缓冲压力峰值要比圆柱形小得多。活塞运动至缓冲区时速度逐渐降低后再急速降低，缓冲时间较短。
• 三角槽节流缓冲：沟槽截面积逐渐增加，缓冲较为均匀，冲击力小，制动位置精度高。活塞运动至缓冲区时速度逐渐降低，缓冲时间长，基本可实现等减速缓冲，缓冲效果好。

由仿真分析结果可知，将三角槽的缓冲方式代替抛物线式缓冲，并精确匹配参数，可以使活塞与缸盖间的缓冲力逐渐增大，基本可实现等减速的缓冲效果，使活塞平稳运行，并减少与缸盖撞击的风险，满足设计及使用要求。