液压缸缓冲结构的分析与计算

液压缸缓冲结构的分析与计算

中国纺织大学机械系(上海　200051)　陈冰冰　浙江大学机械系(杭州　310027)　寿松乔

　　【摘要】讨论了液压缸缓冲的应用意义和设计中存在的问题。概述了常用的各种缓冲装置的特点。以节流缓冲沟槽缓冲装置为对象,按最佳的等减速缓冲效果,推导出理想缓冲结构的数学模型,为缓冲结构的设计提供理论依据。在此基础上编写算法,利用计算机来辅助分析与计算常用的其它缓冲结构。

关键词:液压缸;缓冲结构;微积分算法

当液压缸驱动大质量的机构快速运动时,因动量大,在行程终点将会产生活塞与端盖(或缸底)剧烈的撞击现象,影响工作精度和损坏液压缸,影响液压元件和系统的寿命,危害极大。为此,一般在液压缸两端设置有缓冲装置,以缓和或防止这种撞击。活塞的运动速度达到0.03m/s时就可以考虑设置缓冲装置,当速度达到0.5m/s以上时就必须考虑缓冲装置[1]。

(1),　　(2)没有合理地选择最佳缓冲末速(终止前瞬间速度),这将会增加缓冲压力和缓冲时间,还会使活塞到位产生反弹现象[1]。

(3)缺乏最佳缓冲控制及其实施,难以达到最理想的效

果[2]。

1　常用的缓冲装置及其缓冲特性

如图1所示,带节流阀4和缓冲柱塞2的可调缓冲装置[3],当活塞3向左移动将缓冲柱塞插入缸盖1孔内时,回

最佳匹配。

图1　外加控制阀的缓冲装置(可调缓冲装置)

扩展新功能。

源的事故状态。

用上述的这些类,构造简单的控制系统是足够了,但是其无法表达选择、分程等控制算法,为此引入两个类Selector和Compounder。Selector类仪表有两个输入,还有一个高选/低选属性,能够选择两个输入中的较大或较小的作为输出,这就实现了选择控制。Compounder类仪表也有两个输入X和Y,它将两个输入的线性组合aX+bY+c作为输出,其中

a,b,c是参数,用这种仪表可以实现多种控制算法。对分程

4　结　论

用面向对象的方法构造仪表类

,这些仪表类用于DCS仿真培训系统的控制组态中,可以使控制组态标准化,条理清晰,也有利于系统的扩展。在组态中,每种仪表的组态信息用一张表来记录,所有的表都一起放入组态数据库,届时就可供仿真培训软件使用。这种方法已成功地应用于某炼油厂芳烃抽提装置的仿真培训系统开发中。

参考文献

1　俞欢军,张云华.仿真培训系统组态功能的实现.电

控制而言,若分程区间是0～0.5和0.5～1,则这样组态:两个控制阀的输入分别接到两个Compounder对象的输出,两个

Compounder对象的X输入都接分程控制器的输出,Y输入空

置,参数分别为a=2,c=-1和a=-2,c=1,由于输出有限幅,就可以得到正确的结果。从这里可以看出,两个Com2

pounder对象起的是真实控制系统中阀门定位器的作用。

子计算机与外部设备,1997,21(5):19～22.

2　IanSpencer.自学OWL程序设计21日通.北京:学苑

出版社,1994.33～34

如果出现了一种新的控制方法不能用这些类来表达,则需要从类Outputer中派生出可以表达这种方案的仪表类,利用C++的继承,这很容易做到;而如果认为仪表的分类不够细,例如要对控制阀再分类,可以从控制阀类中再派生出多个新类,这也很容易做到。所以,这种仪表类体系很适合

作者简介:

朱丹绯(1972-),男,浙江大学控制系博士研究生,主要从事计算机仿真方面的研究,已参与了数套仿真培训系统的开发,发表仿真培训系统软硬件设计方面的论文4篇。

・239・

机电工程　1999年　第5期

油只能从节流阀4流出,从而产生节流阻尼作用,增加回油腔的排油压力使活塞减速,以达到缓冲效果。此外,节流阀也可以是行程节流阀或是溢流阀。如果是采用节流阀,则工作过程中,由于节流阀的开度不能改变,减速初期有较大的缓冲制作用,减加速度也较大,从而会使初始时缓冲压力的峰值很大,同时需要的缓冲行程也较大。如果采用行程阀,可以使开度由大逐渐减小,从而减小液压冲击。如果采用溢流阀,则缓冲压力由溢流阀调定大致不变,理论上可以得到等减速的理想缓冲效果。

如图2所示,间隙缓冲装置,当活塞左移接近缸盖时,缓冲柱塞进入缓冲孔后,活塞与端盖之间构成封闭油腔,使油液只能从间隙挤压出去,于是排油压力升高形成缓冲压力,使活塞速度减小。图示的缓冲柱塞为圆柱形,也可以是圆锥形,阶梯圆柱形,抛物线形等其它形式。对于圆柱形来说,由于间隙是恒定不变的,类似于使用节流阀的缓冲回路初始时缓冲压力很大,缓冲压力可能达到系统压力的几倍,液压冲击很大。对于圆锥形缓冲柱塞,由于间隙是可变的,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的多。对于阶梯形缓冲柱塞,

台阶数为

2～4个,间隙每经过一个台阶就减少一次,也可以使缓冲压

图3　节流沟槽缓冲装置

装置的方法,作为设计对象,因为它不必外加控制回路,结构简单。同时缓冲压力不受单一结构参数过分影响,缓冲过程流动状态明确,只要参数设计得当,设计出曲线形节流沟槽,可以得到近乎理想的等减速缓冲效果,然后对曲线形缓冲沟槽利用算法进行简化,得出其它常见的方形,三角形等的节流沟槽,故建立节流沟槽缓冲装置的数学模型如下:

对于节流沟槽缓冲装置的缓冲过程分两个阶段,第一阶段为缓冲柱塞接近缓冲孔时,由它们构成的节流阻尼作用,如图4所示。,d,x,则得πdx=2

d4

力和减加速度变化减小,抛物线形缓冲柱塞,,

其作用。

,活塞作。第二阶段为缓冲柱塞进入缓冲孔时开始,到缓冲柱塞行程到底为止,活塞作等减速运动。如图3所示。对于简单设计时,可把第一阶段忽略。

图2　间隙缓冲装置

如图3所示,采用节流沟槽的方法,在缓冲柱塞上开有轴向节流沟槽,活塞运动使缓冲柱塞进入缓冲孔时,活塞与缸盖之间的油液只能从轴向节流沟槽流出,于是形成缓冲压力使活塞制动。节流沟槽可以是三角槽,也可以是方形槽,各种曲线的槽。方形槽由于节流面积不变,类似于圆柱形缓冲活塞与采用节流阀的缓冲装置,缓冲压力较大。对于三角槽类似于行程节流阀缓冲装置和锥形缓冲柱塞,由于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。如果曲线形节流沟槽,参数选择得当,可以得到较为理想的等减速缓冲效果。

图4　节流阻尼图

设活塞及负载的当量质量为m,活塞与缓冲柱塞面积差为A,减速过程的缓冲压力为p,速度为v,则可建立运动方程如下:

mv=-Ap

(1)

设缓冲腔的排出流量为q,则由流量连续方程得:

q=vA

(2)

对于第一阶段,活塞接近缓冲孔时的流量方程为:

q=CdA(x)

()π0≤x≤,Ax=dx+nbh0　4

(3)

2　等减速缓冲效果的数学模型

通过对常见的缓冲方法分析研究,作者对节流沟槽缓冲

・240・

式中　Cd———流量系数

n———节流沟槽数

MEEM　No.5　1999

b———节流沟槽宽度

h0———节流沟槽初始时的槽深

由式(1)、式(2)、式(3)得微分方程组

x=v

23　0≤x≤4 v=

2Cdm(πdx+nbh0)

(4)由于x=0时,v=v0,故可对微分方程组(4)求解得x=时的,v=v1。

4

对于第二阶段,由于是等减速运动,设缓冲柱塞进入缓冲孔的位移为L,等减加速度为a0得

a=- v=

=a0,v2-v21=2a0Lm

(5)

则通过节流沟槽的流量

q=CdA(L)

()

,AL=b

(6)

由式(2)、式(5)、式(6)得h与L的关系为

h=

=bCdb

ρ1/2

(v21-2a0L)ma0

3　理想节流沟槽的简化算法

由于得到的是理想节流沟槽是抛物线形,在加工上不太方便,其使用受到限制。要想得到一般的方形槽或三角形槽的节流沟槽,就需要进行简化。截流面积。(1)′,:

l,h′=

∫hLdL=c

c

图5　计算程序框图

参考文献

1　李纪仁.油缸的缓冲装置.机械技术.1984,(3):34～38.

2　朱华兴.液压系统最佳缓冲控制及其实施方法.机床

LL

c

dLlc

(2)对于简化成n段方形槽时,设第i段的节流沟槽槽深

为h

(i)

,则得:

h

(i)

=

hL/l

lnc

L

lnc

c

×ndL

与液压,1988,(5):26～29.

3　李玉琳主编.液压元件与系统设计.

北京:北京航空

(

3)对于简化成三角槽时,设三角槽中点的槽深为方形

航天大学出版社,1991,172～175.

4　许福玲,陈光明主编.液压与气压传动.北京:机械工

槽的槽深h′,倾角为θ,则得:

2

θ=tg

hLdL

c

业出版社,1997,67～68.

5　方平.500KV操纵系统的缓冲仿真研究.[硕士学位

lc

2

4　缓冲结构设计的程序流程

由于数学模型中的第一阶段需要节流沟槽初始时的槽深h0,但h0要从第二阶段的h2L的关系式中求得。故只能先设v1=v0,初算h2L的关系来求得h0,再进行迭代计算进行设计。其设计计算的算法和程序流程如图5示。

论文].浙江大学,1994.

作者简介:

陈冰冰,获硕士学位,讲师,1992年毕业于浙江大学机械系液压专业。现任教于上海中国纺织大学机械系,并在攻读现代高级制造技术方向的博士学位。主要从事于液压传动及控制,计算机辅助设计等工作。

机电工程　1999年　第5期

・241・

液压缸缓冲结构的分析与计算

中国纺织大学机械系(上海　200051)　陈冰冰　浙江大学机械系(杭州　310027)　寿松乔

　　【摘要】讨论了液压缸缓冲的应用意义和设计中存在的问题。概述了常用的各种缓冲装置的特点。以节流缓冲沟槽缓冲装置为对象,按最佳的等减速缓冲效果,推导出理想缓冲结构的数学模型,为缓冲结构的设计提供理论依据。在此基础上编写算法,利用计算机来辅助分析与计算常用的其它缓冲结构。

关键词:液压缸;缓冲结构;微积分算法

当液压缸驱动大质量的机构快速运动时,因动量大,在行程终点将会产生活塞与端盖(或缸底)剧烈的撞击现象,影响工作精度和损坏液压缸,影响液压元件和系统的寿命,危害极大。为此,一般在液压缸两端设置有缓冲装置,以缓和或防止这种撞击。活塞的运动速度达到0.03m/s时就可以考虑设置缓冲装置,当速度达到0.5m/s以上时就必须考虑缓冲装置[1]。

(1),　　(2)没有合理地选择最佳缓冲末速(终止前瞬间速度),这将会增加缓冲压力和缓冲时间,还会使活塞到位产生反弹现象[1]。

(3)缺乏最佳缓冲控制及其实施,难以达到最理想的效

果[2]。

1　常用的缓冲装置及其缓冲特性

如图1所示,带节流阀4和缓冲柱塞2的可调缓冲装置[3],当活塞3向左移动将缓冲柱塞插入缸盖1孔内时,回

最佳匹配。

图1　外加控制阀的缓冲装置(可调缓冲装置)

扩展新功能。

源的事故状态。

用上述的这些类,构造简单的控制系统是足够了,但是其无法表达选择、分程等控制算法,为此引入两个类Selector和Compounder。Selector类仪表有两个输入,还有一个高选/低选属性,能够选择两个输入中的较大或较小的作为输出,这就实现了选择控制。Compounder类仪表也有两个输入X和Y,它将两个输入的线性组合aX+bY+c作为输出,其中

a,b,c是参数,用这种仪表可以实现多种控制算法。对分程

4　结　论

用面向对象的方法构造仪表类

,这些仪表类用于DCS仿真培训系统的控制组态中,可以使控制组态标准化,条理清晰,也有利于系统的扩展。在组态中,每种仪表的组态信息用一张表来记录,所有的表都一起放入组态数据库,届时就可供仿真培训软件使用。这种方法已成功地应用于某炼油厂芳烃抽提装置的仿真培训系统开发中。

参考文献

1　俞欢军,张云华.仿真培训系统组态功能的实现.电

控制而言,若分程区间是0～0.5和0.5～1,则这样组态:两个控制阀的输入分别接到两个Compounder对象的输出,两个

Compounder对象的X输入都接分程控制器的输出,Y输入空

置,参数分别为a=2,c=-1和a=-2,c=1,由于输出有限幅,就可以得到正确的结果。从这里可以看出,两个Com2

pounder对象起的是真实控制系统中阀门定位器的作用。

子计算机与外部设备,1997,21(5):19～22.

2　IanSpencer.自学OWL程序设计21日通.北京:学苑

出版社,1994.33～34

如果出现了一种新的控制方法不能用这些类来表达,则需要从类Outputer中派生出可以表达这种方案的仪表类,利用C++的继承,这很容易做到;而如果认为仪表的分类不够细,例如要对控制阀再分类,可以从控制阀类中再派生出多个新类,这也很容易做到。所以,这种仪表类体系很适合

作者简介:

朱丹绯(1972-),男,浙江大学控制系博士研究生,主要从事计算机仿真方面的研究,已参与了数套仿真培训系统的开发,发表仿真培训系统软硬件设计方面的论文4篇。

・239・

机电工程　1999年　第5期

油只能从节流阀4流出,从而产生节流阻尼作用,增加回油腔的排油压力使活塞减速,以达到缓冲效果。此外,节流阀也可以是行程节流阀或是溢流阀。如果是采用节流阀,则工作过程中,由于节流阀的开度不能改变,减速初期有较大的缓冲制作用,减加速度也较大,从而会使初始时缓冲压力的峰值很大,同时需要的缓冲行程也较大。如果采用行程阀,可以使开度由大逐渐减小,从而减小液压冲击。如果采用溢流阀,则缓冲压力由溢流阀调定大致不变,理论上可以得到等减速的理想缓冲效果。

如图2所示,间隙缓冲装置,当活塞左移接近缸盖时,缓冲柱塞进入缓冲孔后,活塞与端盖之间构成封闭油腔,使油液只能从间隙挤压出去,于是排油压力升高形成缓冲压力,使活塞速度减小。图示的缓冲柱塞为圆柱形,也可以是圆锥形,阶梯圆柱形,抛物线形等其它形式。对于圆柱形来说,由于间隙是恒定不变的,类似于使用节流阀的缓冲回路初始时缓冲压力很大,缓冲压力可能达到系统压力的几倍,液压冲击很大。对于圆锥形缓冲柱塞,由于间隙是可变的,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的多。对于阶梯形缓冲柱塞,

台阶数为

2～4个,间隙每经过一个台阶就减少一次,也可以使缓冲压

图3　节流沟槽缓冲装置

装置的方法,作为设计对象,因为它不必外加控制回路,结构简单。同时缓冲压力不受单一结构参数过分影响,缓冲过程流动状态明确,只要参数设计得当,设计出曲线形节流沟槽,可以得到近乎理想的等减速缓冲效果,然后对曲线形缓冲沟槽利用算法进行简化,得出其它常见的方形,三角形等的节流沟槽,故建立节流沟槽缓冲装置的数学模型如下:

对于节流沟槽缓冲装置的缓冲过程分两个阶段,第一阶段为缓冲柱塞接近缓冲孔时,由它们构成的节流阻尼作用,如图4所示。,d,x,则得πdx=2

d4

力和减加速度变化减小,抛物线形缓冲柱塞,,

其作用。

,活塞作。第二阶段为缓冲柱塞进入缓冲孔时开始,到缓冲柱塞行程到底为止,活塞作等减速运动。如图3所示。对于简单设计时,可把第一阶段忽略。

图2　间隙缓冲装置

如图3所示,采用节流沟槽的方法,在缓冲柱塞上开有轴向节流沟槽,活塞运动使缓冲柱塞进入缓冲孔时,活塞与缸盖之间的油液只能从轴向节流沟槽流出,于是形成缓冲压力使活塞制动。节流沟槽可以是三角槽,也可以是方形槽,各种曲线的槽。方形槽由于节流面积不变,类似于圆柱形缓冲活塞与采用节流阀的缓冲装置,缓冲压力较大。对于三角槽类似于行程节流阀缓冲装置和锥形缓冲柱塞,由于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。如果曲线形节流沟槽,参数选择得当,可以得到较为理想的等减速缓冲效果。

图4　节流阻尼图

设活塞及负载的当量质量为m,活塞与缓冲柱塞面积差为A,减速过程的缓冲压力为p,速度为v,则可建立运动方程如下:

mv=-Ap

(1)

设缓冲腔的排出流量为q,则由流量连续方程得:

q=vA

(2)

对于第一阶段,活塞接近缓冲孔时的流量方程为:

q=CdA(x)

()π0≤x≤,Ax=dx+nbh0　4

(3)

2　等减速缓冲效果的数学模型

通过对常见的缓冲方法分析研究,作者对节流沟槽缓冲

・240・

式中　Cd———流量系数

n———节流沟槽数

MEEM　No.5　1999

b———节流沟槽宽度

h0———节流沟槽初始时的槽深

由式(1)、式(2)、式(3)得微分方程组

x=v

23　0≤x≤4 v=

2Cdm(πdx+nbh0)

(4)由于x=0时,v=v0,故可对微分方程组(4)求解得x=时的,v=v1。

4

对于第二阶段,由于是等减速运动,设缓冲柱塞进入缓冲孔的位移为L,等减加速度为a0得

a=- v=

=a0,v2-v21=2a0Lm

(5)

则通过节流沟槽的流量

q=CdA(L)

()

,AL=b

(6)

由式(2)、式(5)、式(6)得h与L的关系为

h=

=bCdb

ρ1/2

(v21-2a0L)ma0

3　理想节流沟槽的简化算法

由于得到的是理想节流沟槽是抛物线形,在加工上不太方便,其使用受到限制。要想得到一般的方形槽或三角形槽的节流沟槽,就需要进行简化。截流面积。(1)′,:

l,h′=

∫hLdL=c

c

图5　计算程序框图

参考文献

1　李纪仁.油缸的缓冲装置.机械技术.1984,(3):34～38.

2　朱华兴.液压系统最佳缓冲控制及其实施方法.机床

LL

c

dLlc

(2)对于简化成n段方形槽时,设第i段的节流沟槽槽深

为h

(i)

,则得:

h

(i)

=

hL/l

lnc

L

lnc

c

×ndL

与液压,1988,(5):26～29.

3　李玉琳主编.液压元件与系统设计.

北京:北京航空

(

3)对于简化成三角槽时,设三角槽中点的槽深为方形

航天大学出版社,1991,172～175.

4　许福玲,陈光明主编.液压与气压传动.北京:机械工

槽的槽深h′,倾角为θ,则得:

2

θ=tg

hLdL

c

业出版社,1997,67～68.

5　方平.500KV操纵系统的缓冲仿真研究.[硕士学位

lc

2

4　缓冲结构设计的程序流程

由于数学模型中的第一阶段需要节流沟槽初始时的槽深h0,但h0要从第二阶段的h2L的关系式中求得。故只能先设v1=v0,初算h2L的关系来求得h0,再进行迭代计算进行设计。其设计计算的算法和程序流程如图5示。

论文].浙江大学,1994.

作者简介:

陈冰冰,获硕士学位,讲师,1992年毕业于浙江大学机械系液压专业。现任教于上海中国纺织大学机械系,并在攻读现代高级制造技术方向的博士学位。主要从事于液压传动及控制,计算机辅助设计等工作。

机电工程　1999年　第5期

・241・