韶关市伟光液压油缸有限公司 广东 韶关 512000
【摘 要】液压油缸缓冲结构设计的合理性关系到液压系统的正常使用性能及使用寿命，研究液压油缸的缓冲结构设计具有重要的现实意义。本文分析液压油缸前腔缓冲的结构及原理，对液压油缸缓冲结构设计进行了详细的介绍，建立了缓冲仿真模型，并通过对比确认了仿真模型的准确性，为液压油缸缓冲结构设计提供参考。
【关键词】液压油缸；缓冲结构；设计
0 引言
随着我国工程施工行业的不断发展，工程施工条件日益复杂，对工程机械的使用性能也提出了更高的要求。液压挖掘机作为工程施工中的重要机械之一，其性能直接关系到工程施工的质量及效率。而液压油缸作为液压挖掘机中非常重要的组成部分，对其缓冲结构进行合理的设计，避免产生强烈撞击和振动，确保工程施工中机械的安全、稳定运行具有十分重要的意义。基于此，笔者进行了相关介绍。
1 油缸前腔缓冲
前腔缓冲是指在油缸有杆腔与出口之间设置面积连续减小的通流流道，通过油液节流阻力建立缓冲压力，降低活塞杆运动末端速度。
1.1 前腔缓冲结构
以某型液压挖掘机油缸为例，图1所示为其前腔缓冲结构简图。在活塞杆靠近活塞一侧套装缓冲套，缓冲套靠近导向套一侧设计缓冲斜面，导向套设计轴向节流孔。缓冲套和导向套的配合间隙与导向套的节流孔共同构成缓冲阶段，油缸有杆腔与油缸出口之间有一可变节流油道。
1.2 前腔缓冲原理
在活塞杆伸出过程中，油缸有杆腔中的油液经导向套与活塞杆之间的流道流向出口，当缓冲套进入导向套时，有杆腔油液经导向套和缓冲套的配合间隙与导向套上轴向节流孔流向出口，缓冲套斜面截面积随活塞杆向左移动而逐渐减小，配合间隙对油液的阻力作用越大，活塞杆的伸出速度逐渐减小。缓冲过程中，由于节流阻力作用，有杆腔中缓冲压力较高，若缓冲结构设计不合理，极易造成缓冲压力超过设定值，严重时会出现撞缸现象并造成结构损坏。为在设计阶段准确预测油缸缓冲性能，优化缓冲结构参数，笔者通过CFD分析方法对油缸前腔缓冲性能进行仿真研究。
2 缓冲仿真模型建立
缓冲套开始进入导向套的位置为缓冲开始位置，取导向套、活塞杆、缓冲套、活塞和缸筒之间的油液为研究对象，图2所示为缓冲结构流体域几何模型。
2.1 ICEM网格划分
网格是影响仿真结果的重要因素，FLUENT仿真中所采用的网格可分为结构化网格和非结构化网格，结构化网格可以提高收敛精度，且有利于动网格的设置，通过ICEM对几何模型进行块结构化网格划分，得到质量为0.7以上的网格，如图3所示。仿真之前要对网格进行无关性检验，首先对模型进行稳态仿真，记录仿真压力，然后设置较小的网格尺寸，重新进行网格划分，最后进行稳态仿真，记录仿真压力。当增加网格数量、而仿真压力值变化很小时，可采用当前网格进行FLUENT动网格仿真。
2.2 动网格输入条件计算
为对油缸缓冲结构进行CFD动网格仿真，需要准确计算油缸运动速度并作为输入条件，依据挖掘机工作装置各铰点尺寸、油缸尺寸、质心坐标及工装装置质量对油缸进行受力分析，根据转矩平衡方程，求得油缸在缓冲过程中所受的负载力。
求得油缸负载力后，运用牛顿第二定律、能量守恒定律分析缓冲过程的运动特点，得到活塞的动态力平衡方程：
（1）
油缸缓冲腔流量连续方程：
（2）
式中：m为活塞和负载折算到活塞上的总质量；x为活塞位移；Ps为油缸大腔压力；As为活塞面积；P1为油缸缓冲腔压力；A1为油缸缓冲腔有效面积；Bp为黏性阻尼系数；F为负载力；q为缓冲腔流量；V1为缓冲腔的容积；K为油液体积弹性模量。
根据缓冲套结构特点，对缓冲过程进行分析，将缓冲过程分为3个阶段：第一阶段为缓冲起始阶段，节流孔、缓冲套的圆锥面起缓冲作用；第二阶段，缓冲套上的3个斜平面开始进入缓冲，节流孔、缓冲套的圆柱面与导向套之间的环形配合间隙、缓冲套上的3个斜平面与导向套之间的间隙起缓冲作用；第三阶段为缓冲过程末端，节流孔、缓冲套的圆柱面与导向套之间的环形配合间隙起缓冲作用。对某型号挖掘机油缸3个缓冲阶段进行仿真分析，得到缓冲速度随缓冲时间的变化关系曲线，如图4所示。
3 FLUENT求解
将网格模型导入FLUENT求解器中，设定流体域为HM46液压油，温度为50℃。设置入口条件、出口条件、区域运动和网格变形，如图5所示。动网格设置时，需将速度变量编号到FLUENT解算器中的UDF程序上，常见的UDF有3种，笔者采用的是用来控制刚体运动的UDF，通过计算得出的缓冲速度随缓冲时间的变化关系编写编译型UDF，实现仿真过程中的区域运动和边界运动。网格变形类型设置为Layering，根据变形面的网格尺寸和缓冲时间，设置合适的仿真步长和仿真时间，运行仿真。
通过仿真获得缓冲压力变化曲线，将仿真结果与实测结果进行对比，如图6所示。仿真缓冲压力与实测缓冲压力变化趋势相同，误差在6MPa以内。所建立的FLUENT动态网格仿真模型准确可信。
4 某新型号液压油缸缓冲结构设计
为对相同结构形式的某新型号液压油缸缓冲结构进行优化设计，用上述仿真方法对该缓冲结构进行FLUENT动网格仿真。分别取影响缓冲性能的配合间隙和节流孔尺寸作为变量，对不同缓冲结构参数条件下的缓冲速度和缓冲压力进行仿真计算。
4.1 配合间隙对缓冲效果的影响
以铲斗油缸和斗杆油缸为例，当节流孔直径取3mm时，仿真可得配合间隙尺寸分别为0.025mm和0.048mm时的缓冲速度和缓冲压力，如图7～图10所示。
对仿真结果进行分析可知，当节流孔直径为3mm、铲斗油缸的配合间隙值增加时，其缓冲速度的变化趋势一致，缓冲压力峰值降低；当斗杆油缸的配合间隙值增加时，其缓冲速度的变化趋势一致，缓冲压力峰值增大。
4.2 节流孔对缓冲效果的影响
斗杆油缸配合间隙值为0.036mm时，仿真可得节流孔直径分别为2mm、3mm和4mm时的缓冲速度和缓冲压力，如图11、图12所示。
对仿真结果进行分析可知，当斗杆油缸配合间隙为0.036mm时，随着节流孔尺寸的增加，其缓冲速度下降趋势减慢，缓冲压力峰值先增大后减小。为了进一步研究节流孔对缓冲性能的影响，铲斗油缸和动臂油缸配合间隙保持不变，节流孔直径分别取2mm、3mm和4mm，由仿真可得：随着节流孔尺寸的增加，铲斗油缸的缓冲压力峰值先增大后减小，而动臂油缸的缓冲压力峰值则呈减小趋势。
4.3 缓冲结构设计优化
对不同配合间隙和节流孔直径条件下缓冲结构的缓冲性能进行分析可知，配合间隙和节流孔尺寸越大，节流油道的阻尼作用越小，缓冲套减速越慢，即缓冲速度下降越缓慢，缓冲结束时的活塞运动速度越大，而其缓冲压力峰值根据不同的缓冲结构呈现不同的变化趋势。根据仿真结果，对于铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸，分别选取了合适的节流孔尺寸，在配合间隙一定的波动范围内，均可实现缓冲结束时的缓冲速度小、缓冲峰值压力小的缓冲效果。
5 结语
综上所述，液压油缸缓冲结构是影响油缸结构安全与可靠性的关键因素。因此，为确保液压油缸的安全、稳定运行，必须要对液压油缸的缓冲结构进行合理的设计，从而避免油缸活塞杆与缸体产生撞击而造成结构部件损坏，保证系统的平稳工作，提高系统的工作性能及寿命。本文对液压油缸的缓冲结构系统进行了优化设计，可供类似结构设计参考借鉴。
参考文献：
[1]尹秀丽，曹常贞，周梦瑜，于慧.双作用多级液压缸的缓冲设计[J].液压气动与密封.2014（08）
[2]杨永福，鲁超.液压油缸缓冲装置设计的探讨[J].中国新技术新产品.2015（17）
论文作者:王京兴
论文发表刊物:《低碳地产》2016年13期
论文发表时间:2016/11/10
标签：网格论文; 油缸论文; 间隙论文; 压力论文; 结构论文; 活塞杆论文; 导向论文; 《低碳地产》2016年13期论文;