液压缸缓冲结构和缓冲原理的研究

1-缸盖；2-单向阀；3-端盖凹缘；4-锥形柱塞； 5-活塞；6-缸体；7-压力油；8-活塞杆；9-调节螺钉

图 1 节流缓冲原理图

液压缸缓冲结构和缓冲原理的研究

李艳利 1

刘志奇 1 董 朋 2 许保亮 3 熊 喆 1

( 1.太原科技大学机械工程学院 山西太原 030024 2.燕山大学机械工程学院 河北秦皇岛 066004

3.莱芜钢铁集团有限公司型钢炼铁厂 山东莱芜 271104 )

摘 要：介绍具有不同缓冲结构的液压缸，并对不同缓冲结构液压缸的缓冲过程进行分析，建立了五种缓冲结构液压 缸在缓冲过程不同阶段的流量方程，探讨了各缓冲结构的主要结构参数对缓冲的影响规律，指出了相应缓冲结构适用 的场合，总结了设计缸内缓冲装置要考虑的一些因素。 关键字：液压缸；缓冲结构；缓冲原理 中图分类号：TH137.51

文献标志码：A

文章编号：1672-8904-（2013）06-0005-004

液压缸有时运动速度很快，当活塞运动到液压缸 两端时，会与端部发生冲击，产生噪声，严重时会引起 损坏。为了防止这种冲击，一些特定工况下应用的液 压缸上需设置缓冲装置。液压缓冲是利用油液的不 可压缩性和流动性。缓冲装置一般是基于这样的原 理：当活塞运动到接近端部时，使回油阻力增大，活塞 在回油腔受到较大的反压力或者使进油腔卸荷，降低 运动速度，从而达到避免冲击缸盖的目的。

液 压 缸 缓 冲 方 法 可 以 分 为 节 流 缓 冲 和 卸 压 缓 冲。从装置方式上也分为两种：一种是外置式缓冲液 压缸，也就是在液压系统中设置溢流阀、顺序阀、节流 阀或者蓄能器等这类流量控制装置进行缓冲，外置缓 冲的优点是，在工况变化时，容易对缓冲元件进行调 整，缺点是系统回路复杂，且缓冲效果易受系统其他 部分的影响。另一种是内置式缓冲液压缸，是在液压 缸内部设计一定的缓冲结构来实现缓冲，而不需要另 加元件，结构简单，加工和使用方便，因而得到广泛的 应用。本论文主要对内置式缓冲液压缸进行讨论。

间的节流环隙中流出，从而在封闭空间造成高压，迫 使活塞减速制动而实现缓冲。

图 1 所示为节流缓冲原理，锥形柱塞 4 进入端盖 凹缘 3 处开始减速，限制了缸体内的液压油向油口的 流量。当柱塞进入最后部位时，液压油应通过调节螺 钉 9 处的可调油口排出。缓冲器上装有一个单向阀 2 允许活塞反向时液压油能自由流入。

1 液压缸缓冲结构介绍及原理分析

内置式缓冲液压缸一般是利用与活塞相连的缓

冲柱塞和与缸体相连的缓冲孔之间的间隙，在油流过 时产生阻力，达到缓冲目的，故称之为节流缓冲。在

工作中，利用了节流阻尼的作用，当缓冲柱塞插入排 油孔口中后，使活塞与液压缸端盖之间形成封闭空 间，封闭空间中油只能从节流小孔或柱塞和排油孔之

图 1 所示为圆锥形缓冲装置，除此之外，缓冲柱 塞还有圆柱形、台阶形、抛物线形或排孔形等不同类

型，即缓冲装置会有不同的缓冲结构。这些结构中只

收稿日期：2013-08-07

作者简介：李艳利（1988-），女，硕士研究生。研究方向为流体传动与 控制。

图 4 圆锥形缓冲的缝隙节流阶段示意图

第 6 页

2013 年第 6 期

有圆柱形缓冲柱塞是固定节流缓冲，其余都是变节流

缓冲。不同缓冲装置结构及缓冲过程中油液流向示

意图见图 2，不同结构必然出现不一样的缓冲效果。

式中，C d 为锐缘节流时的流量系数；

l 0 为开始进入缓冲到缓冲孔的距离； x 为活塞位移；

δ 为缓冲柱塞与孔之间的间隙。 当缓冲柱塞进

入缓冲孔后，缓冲处于缝隙节流阶 段，该阶段的流量方程为：

é Δp δ3 ù δ3 2

q f = πd ê (1 + 1.5ε ) + ú

ë

12μ(x - l 0) 2 û 式中，μ 为油液动力粘度；

ε 为柱塞偏心比，一般这个值特别小，有些场合

分析时可以视其为 0。

2.2 圆锥形缓冲装置的流量方程

局部压力损失阶段和锐缘节流阶段的流量方程

和圆柱形的完全相同。

缝隙节流阶段，对于完全圆锥形缓冲结构，该阶 段的流量方程为：

图 2 不同缓冲装置结构及缓冲过程中油液流向示意图

2 不同缓冲装置的流量方程

按缓冲位移和对应的缓冲状态的不同将缓冲过

程划分为三个阶段：局部压力损失阶段，锐缘节流阶 段和缝隙节流阶段。以圆柱形缓冲装置为例，图 3 是 圆柱形缓冲装置缓冲过程的三个阶段。

x - l 2 0

2 πd Δp (δ1 + δ) (δ1 - δ1

+ δ) l q f =

6μ(x - l ) (2δ + 2δ - δ x - l 0 ) 0 1 1

l

对于前段是圆锥形后段是圆柱形的缓冲柱塞，如 果进入缓冲孔的仅是前段圆锥形的一部分则流量方 程相同，当进入到后段圆柱形的一部分后，流量方程 为：

πd Δp (δ1 + δ) δ 2 2

图 3 圆柱形缓冲装置缓冲过程的三个阶段示意图

q = f 2(δ + δ)

（2

x - l - l ） 6μl (δ1 + 2δ + 1

0 ) 2.1 圆柱形缓冲装置的流量方程

当缓冲柱塞离缓冲孔较远时，缓冲腔的油通过缓 冲孔流出，由于流道断面突然收缩，产生局部压力损 失，即缓冲处于局部压力损失阶段，该阶段的流量方 程为：

δ∙l

式中符号意义见图 4 所示。

2Δp ρ

πd 2

q f = C f 4

式中，C f 为流道断面突然收缩的流量系数，具体数值

根据收缩流道前后的断面积比值查表确定； d 为是缓冲孔直径；

Δp = p 1 - p 2 ，p 1 是缓冲腔压力，p 2 是排油腔压 力。 当缓冲柱塞离缓冲孔比较近时，柱塞的边缘和孔

的边缘形成锐缘节流，即缓冲处于锐缘节流阶段，该 阶段的流量方程为：

2.3 台阶形缓冲装置的流量方程

局部压力损失阶段和锐缘节流阶段的流量方程 和圆柱形的完全相同。

台阶形缓冲的缝隙节流阶段，如果有 N 个台阶进 入缓冲孔，而第 N+1 个台阶己部分进入缓冲孔，则该 阶段的流量方程为：

2Δp

ρ

(l 0 -

x ) 2

2

q f = C d πd + δ