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 0660043.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 2q f = πd ê (1 + 1.5ε ) + úë12μ(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 02 πd Δp (δ1 + δ) (δ1 - δ1+ δ) l q f =6μ(x - l ) (2δ + 2δ - δ x - l 0 ) 0 1 1l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)（2x - l - l ） 6μl (δ1 + 2δ + 10 ) 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 ρπd 2q 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：2Δpρ(l 0 -x ) 22q f = C d πd + δ图 5 台阶形缓冲的缝隙节流阶段示意图图 7 排孔形缓冲的缝隙节流阶段示意图图 6 抛物线形缓冲的缝隙节流阶段示意图第 7 页2013 年 11 月 李艳利，等：液压缸缓冲结构和缓冲原理的研究πd Δp 短管节流，该阶段的流量方程为：q f =Né ùπd Δp δ3πd 22Δp x - l 0 -∑l i ú q f = + （MC q + C A ） 0 ê Nl 12μ(x - l 0)4 d ρ 12μl ê∑ i i = 1+ ú êi = 1 δ (1 + 1.5ε ) 3 2 δ (1 + 1.5ε 32) úûi i + 1 式中，A 为被遮盖的阻尼孔还未被遮盖部分的面积；d 0 为阻尼孔直径；δ 为缓冲柱塞与缓冲孔之间的间隙； x - l 0 为缓冲柱塞深入柱塞孔中的长度。

排孔形缓冲的缝隙节流见图 7 所示。

ë 式中符号意义见图 5 所示。

2.4 抛物线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，如果已有一部 分抛物线缓冲柱塞进入缓冲孔，该阶段的流量方程 为：3 各主要结构参数对缓冲的影响规律3.1 缓冲效果分析缸内缓冲装置的缓冲效果的综合指标就是其使活塞在最短时间和缓冲行程内以合理的负加速度把 初速度减小到适当值。

这里的合理的负加速度指缓 冲腔的压力峰值不超过某个理想值。

负加速度的值 间接地反映了缓冲腔压力的值。

对于圆柱形缓冲柱塞，其与排油孔之间形成的环 形缝隙是恒定不变的。

当缓冲柱塞接近缓冲孔口时， 液流受到突然限制，因而这种缓冲开始时，往往产生 很高的缓冲压力和很大的减速度，其最大缓冲压力可 达系统压力的几倍。

它设计的关键参数是节流柱塞 与节流孔的配合间隙。

如果节流柱塞与节流孔的偏 心过大，甚至不小于节流间隙时，缓冲装置就会失去 其缓冲功效，所以这种缓冲装置对液压缸的加工精 度，装配精度及其使用情况等等有很高的要求，而且 一般只能用在低速小负载的工况下。

对于台阶形缓冲柱塞，当其进入缓冲孔时，随着 缓冲行程的增加，缓冲柱塞与缓冲孔之间的环形缝隙 越来越小，使得缓冲压力和减速度相对变化较小，活 塞近似作等减速运动，因而减小了制动活塞所要求的 缓冲压力，也减小了活塞的制动时间。

这种缓冲柱塞 比圆柱形柱塞缓冲效果要好，不但峰值低，制动时间 也短，适用于较高速度得到缓冲。

对于圆锥形缓冲柱塞，它的缓冲作用类似于行程 节流阀所起的缓冲作用，它和缓冲孔之间行成的环形 间隙是可变的，所以就没有圆柱形缓冲柱塞那么大的 压力峰值，但当缓冲柱塞的圆柱部分进入缓冲孔的瞬 间，也会出现相对较高的压力峰值。

在设计的时候，2πd Δp (a l 1 + δ)(a l 1 + δ - a x - l 0 ) q f =12μ(x - l )0 式中符号意义见图 6 所示。

2.5 排孔形缓冲装置的流量方程局部压力损失阶段的流量方程和圆柱形的完全 相同。

锐缘节流阶段，除缓冲柱塞与孔的边缘处有流 量通过外（系锐缘节流），短笛形柱塞上的 N 个孔也有 流量（系阻尼孔节流）通过，形成短管节流，该阶段的 流量方程为：22Δp ρé πd 0 ù 2 (l 0 -x ) + δ q f = êC d πd ë 2+ C q N ú 4 û 式中，C d 为锐缘节流时的流量系数；C q 为阻尼孔流量系数。

缝隙节流阶段，除缓冲柱塞与缓冲孔的间隙有缝 隙流动外，未进入缓冲孔的缓冲柱塞上的 M 个阻尼孔 及被遮盖了一部分的那个阻尼孔都有流量通过，形成第8 页2013 年第6 期其缓冲行程和圆锥角是最重要的结构参数，要视工况而定。

不过它和圆柱型缓冲装置相比具有较好的对中性能，可以避免由不对中而引起的缓冲失效的情况。

对于抛物线形的缓冲柱塞，如果其曲线的参数选择得当，可以得到非常近似的等减速和几乎不变的缓冲压力，但由于它的曲线较复杂、加工困难，因而限制了它的使用。

对于排孔形缓冲柱塞，它有一排阻尼孔，随着缓冲行程的增加，阻尼孔的通流面积不断减小，这种缓冲柱塞所产生的缓冲压力和减速度几乎保持不变，而且它的缓冲特性可利用液流在阻尼孔中流动的有关公式进行计算，因而可以准确地加以预测，它一般用于活塞速度非常高的场合。

3.2 各主要结构参数对缓冲的影响规律通过对不同缓冲结构流量方程的参数进行分析，得到了如下结构参数变化对缓冲效果，主要是缓冲速度和缓冲腔压力的影响规律：1）圆柱形缓冲柱塞与缓冲孔的间隙δ越小，缓冲速度在进入缝隙节流的时候突变就越大，缓冲末速度则越小，缓冲时间越长，但是缓冲腔压力峰值也会越高。