一种双作用多级液压缸的设计与应用_臧克江.

文章编号 :1008-1402(2006 04-0524-05一种双作用多级液压缸的设计与应用臧克江 , 蒲红 , 李彩花 , 胡晓平(佳木斯大学机械工程学院 , 黑龙江佳木斯 154007摘要 :通过对一种双作用多级液压缸伸缩过程的分析 , 弄清了影响此种双作用多级液压缸动作顺序的几何要素和系统的力学要素 , 确定了此种双作用多级液压缸设计原则及液压缸正常工作的条件 , 为此种双作用多级液压缸的设计及应用提供了理论依据 .关键词 :液压 ; 双作用 ; 多级缸中图分类号 : TH137文献标识码 : A 根据工作要求设计了如图 1所示的液压系统 . 系统由变量泵供油 , 三位四通换向阀控制液压缸的伸缩 , 液控单向阀保证液压缸伸缩停在任意位置 , 通过单向节流阀调节液压缸缩回速度 , 电磁溢流阀实现系统的调压和卸荷.图 1液压系统原理图在系统调试过程中发现 , 液压缸活塞外伸时 , 按照先大后小的顺序 , 而在液压缸活塞回缩时本应该按先小后大的顺序时 , 可是出现按先大后小的顺序 . 如果在回缩过程中三位四通换向阀电磁铁失电 , 使三位四通换向阀处中立位置 , 出现大活塞快速外伸 , 小活塞杆快速回缩 , 负载急剧下落 , 不能保证负载回落时停在任意位置的要求 , 实质上此系统不能正常工作 . 本文对此系统出现的现象进行了研究 , 提出了多级双作用液压缸设计及使用时应注意的事项 .1液压缸结构设计由于系统对负载的运动速度没有过多要求 , 只是对推力和行程有要求 , 因此本系统参考文献 [1]对液压缸进行了机构设计 , 其机构简图如图 2(a 所示 . 此液压缸为两级双作用活塞式液压缸 , 主要由缸筒 1, 第一级活塞 2和第二级活塞 3构成 . 第一级活塞的筒部做成双层结构 , 并在外层的左端开有径向孔 D , 内层的右端开有径向孔 E . 液压缸的进出油口 A , B 设在第二级活塞杆上 . A 口通过油道与液压缸的左腔 (即无杆腔相通 , B 口通过油道、 C 孔、 E 孔、 D 孔与液压缸的右端各腔 (即有杆腔相通 , 此液压缸的职能符号如图 (b 所示.1缸筒 2第一级活塞 3第二级活塞图 2两级双作用活塞式液压缸结构简图及职能符号①收稿日期 :2006-08-28- , , , , .第 24卷第 4期佳木斯大学学报 (自然科学版 Vol . 24No . 42006年 10月 Journal of Jiamusi University (Natural Science EditionOct . 20062液压缸工作过程分析为了分析方便 , 令 :第一级活塞左端有效面积 (环形面积为 S 1, 右端有效面积为 S 1a ; 第二级活塞左端有效面积为 S 2, 右端有效面积为 S 2a . 2. 1液压缸活塞外伸过程分析液压缸活塞外伸时分两个阶段 :(1 第一阶段 :由于第一级活塞和第二级活塞通过挡环连接在一起 , 液压力通过两个活塞左端的面积同时推动负载 , 第二级活塞相对第一级活塞静止不动 , 即第一级活塞和第二级活塞一起外伸 .(2 第二阶段 :当第一级活塞外伸到右端点时 , 作用在第一级活塞左端有效面积的液压力与缸筒右端作用在第一级活塞右端的力相平衡 , 此平衡使第一级活塞停止运动 ; 作用在第二级活塞左端面积上的液压力克服负载 , 推动第二级活塞外伸运动 , 直到第一级活塞缸筒的右端点 .在上述分析活塞外伸过程中 , 考虑到活塞的右端有效面积相对于左端面积比较小 , 而且外伸时有杆腔的压力比较低 , 忽略了作用在活塞右端上的液压力 , 这与实际是符合的.图 3第二级活塞回缩阶段活塞受力分析图2. 2液压缸活塞回缩过程分析从系统的调试过程发现 , 活塞回缩过程必须按照先小后大的顺序才能保证系统稳定正常工作 , 因此 , 有必要对影响活塞回缩顺序因素进行研究 , 从而确定此种液压缸设计及应用的原则 . 在这里 , 仍然将活塞回缩过程分成两个阶段 :第二级活塞回缩阶段和第一级活塞回缩阶段 .(1 第二级活塞回缩阶段 :在这一阶段里 , 第一级活塞相对于缸筒不动 ,析分别如图 3所示[2].图 4Χ1和Χ2随 P 2变化曲线图 5Χ12≥ Χ22条件下Χ1和Χ2随 P 2变化曲线第一级活塞受力平衡方程式 :p 1S 1+p 2S 2a =p 2S 1a +f 1(1 第二级活塞受力平衡方程式 :p 1S 2=p 2S 2a +F(2式 (1 ,(2 中 :p 1:无杆腔压力 ; p 2:有杆腔压力 ; F :负载 ; f 1:缸筒 1右端对第一级活塞的作用力 . 要保证第二级活塞先回缩 , 第一级活塞不动 , 则f 1≥ 0, 于是式 (1 可改写为 :p 1S 1≥ p 2(S 1a -S 2a(3由式 (2 可得 :p 1=p 2S 2a +FS 2(4令 :Χ1=p 1S 1=S 2a S 1S 2p 2+S 1S 2F(5 Χ2=p 2(S 1a -S 2a (6将 (4 式代入 (5 式得 :Χ1=S 2a S 1S 2p 2+S 1S 2F(7, S 和 525第 4期臧克江 , 等 :一种双作用多级液压缸的设计与应用需要的推力来决定 , 因此 , 这两个参数在设计过程中可以是不变的 . S 1a 和 S 2a 在满足液压缸刚度的条件下可以调整 . 图 4为Χ1和Χ2随 p 2变化关系曲线 . 图 4(a 和图 4(b 表示了负载 F 和第二级活塞右端有效面积为 S 2a 变化对Χ1的影响 ; 图 4(c 表示了 (S 1a -S 2a 的变化对Χ2的影响 . 要保证第二级活塞先回缩 , 必须使Χ1≥ Χ2, 从图 4(d 可以看出 , 要扩大液压缸的正常工作区间 , 可以通过采取增大负载 F 和增大第二级活塞右端有效面积 S 2a 的方法 , 也可以通过减小 (S 1a -S 2a 的方法 . 若保证Χ1 p 2≥ Χ2p 2则Χ1和Χ2随 p 2关系如图 5所示 . 从图中可以看出 , 在任何条件下都可以满足第二级活塞先回缩 .由Χ1p 2≥ Χ2 p 2可推得S 2a S 2≥ S 1a S 1+S 2, 此表达式为在任何条件下 , 保证液压缸正常工作的几何条件 .(2 第一级活塞回缩阶段在这一阶段里 , 第二级活塞相对于第一级活塞不动 , 第一级活塞回缩 . 第一级活塞和第二级活塞受力分析分别如图 6所示 . 图中 f 2为第一级活塞对第二级活塞的作用力.图 6第一级活塞回缩阶段活塞受力分析图由于在这一阶段里 , 第二级活塞相对于第一级活塞不动 , 所以对第二级活塞和第一级活塞作为整体进行受力分析 , 受力平衡方程式如下 :p 1(S 1+S 2=p 2S 1a +F (8 第二级活塞受力平衡方程式如下 :p 1S 2+f 2=p 2S 2a +F (9 由于f 2≥ 0, 因此 , 式 (9 可写成 :p 1S 2≤ p 2S 2a +F (10由式 (8 得 :p 1=p 2S 1a +FS 12 (11 令 :Χ3=p 1S 2=21a S 1+S 2p 2+2S 1+S 2F (12 Χ4=p 2S 2a +F(13图 7为Χ3和Χ4随 p 2变化关系曲线 .从图中可以看出 , 负载 F , 第一级活塞右端有效面积 S 1a 及第二级活塞右端有效面积 S 2a 变化对Χ3和Χ4影响曲线的形状是一致的 .要扩大液压缸的正常工作区间 , 可以通过采取增大负载 F 和增大第二级活塞右端有效面积 S 2a 的方法 , 也可以通过减小 S 1a 的方法 .若保证Χ4 p 2≥ Χ3p 2则Χ3和Χ4随 p 2关系如图 8所示 . 从图中可以看出 , 在任何条件下都可以满足第二级活塞先回缩 .由Χ4 p 2≥ Χ3 p 2可推得S 2a S 2≥ S 1a S 1+S 2, 此表达式为在任何条件下 , 保证液压缸正常工作的几何条件 , 此结论与第二级活塞回缩阶段的结论是相同的 .图 8Χ42≥ Χ32条件下Χ3和Χ4随 p 2变化曲线 3系统故障分析前面提到的液压系统中液压缸参数为 :第一级活塞的活塞直径为 140mm , 活塞杆外径为 120mm ; 为 , 为526佳木斯大学学报 (自然科学版2006年70mm . 经计算可得 :S 1=103. 62cm 2, S 1a =40.82cm 2, S 2=50. 24cm 2, S 2a =11. 78cm 2.S 2a S 2=50. 24=0. 22, S 1a S 1+S 2=103. 62+50. 24=0. 26, 所以得 2a S 2<1a S 1+S 2由于此液压缸的活塞尺寸不满足 S 2aS 2≥S 1aS 1+S 2, 因此其正常工作受到区域的限制 , 图 9为负载 F =2KN 时此液压缸回缩时第二级活塞回缩阶段工作曲线图 . 从图中可以看出 , 此液压缸正常工作的 p 2范围为 0~8MPa , 而系统的实际工作压力为 14MPa , 因而出现第一级活塞先缩回问题 . 在此过程中 , 若使换向阀回到中立位置 , 由于换向阀中位机能为 Y 型 , 所以 p2=0, 使液压缸的工作状态又进入正常工作区 , 因此出现了大活塞快速外伸 , 小活塞杆快速回缩 , 负载急剧下落 , 不能保证负载回落时停在任意位置的现象.图 9液压缸回缩时第二级活塞回缩阶段工作曲线图图 10修改后的液压系统原理图为了达到设计的预期要求 , 若重新设计制造液压缸是比较麻烦的 , 通过反复实验 , 考虑了液压缸回程过程中负载 F 变化的影响 , 对液压缸回程过程中工作压力 p 2进行了限制 , 系统做了如图 10所示的更改 , 液压缸回程过程中工作压力 p 2=4MPa , 系统可以正常工作 . 换向阀处中立位置时 , 液压泵在低压下运行 .4结论通过对一种活塞式双作用多级液压缸工作过程分析 , 详细讨论了影响此种活塞式双作用多级液压缸工作状态的液压缸几何因素和系统压力因素 , 主要得到以下几条结论 :(1 通过对液压缸回缩过程的两个阶段活塞受力分析 , 得出保证液压缸按正常顺序回缩的几何条件是一致的 . 若 2a S 2<1aS 1+S 2时 , 液压缸按正常顺序回缩的 p 2受到 p 2ma x 限制 , 当 p 2>P 2ma x 时 , 液压缸不能按正常顺序回缩 , 即液压缸回缩时不能保证停在任意位置 , 系统工作不正常 ; 若 S 2aS 2≥S 1aS 1+S 2时 , p 2max ※ ∞, 即 p 2为任何值 , 液压缸都能按正常顺序回缩 . 在负载 F =0时 , 可取 S 2aS 2>S 1aS 1+S 2.(2 从图 4(d 和图 7(d 可以看出 , 负载 F 对 P 2max 有影响 , 增大负载 F 可以增大p 2max . 另外 , 对于在液压缸回缩过程中负载有变化的 , 进行系统设计要考虑负载变化对 p2max 的影响 , 在这种情况下 , p 2max 不再为定值 .(3 使用活塞式双作用多级液压缸的目的是保证液压缸可靠回缩 , 并使液压缸回缩时有一定的速度 . 但由于为了保证液压缸的强度和刚度要求 , 一般情况下 , 无杆腔与有杆腔的活塞有效面积比较大 , 造成液压缸回缩时回油流量较大 , 无杆腔形成较高背压 , 要想保证液压缸回缩时有一定的速度 , 必须在设计系统时 , 考虑油路的尺寸 , 以通过减小 p 1降低 p 2, 使液压系统的工作点落在正常工作区间内 , 同时有利于系统节能 . 参考文献 :[1]刘会国 . 双作用伸缩式液压缸 [J ]. 液压与气动 , 2003, 9:62. 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At the same times , it makes the process of appraisal more objective , overall and reasonable .Key words : AHP method ; predominant industry ; choice appraisal(上接 511页To Promote Digital Campus ' s Development withData Mining TechnologyYUE Xiao -ting(Dongbei University of Finance &EconomicsA bstract : This paper studies the relation between digital campus and data mining technology . Based on the r e -quirement analysis , some data mining technologies like decision trees , association rules , clustering , and regressanaly -sis are applied to digital campus , which brings forward a new suggestion for digital campus ' s development .Key words : digital campus ; data mining528佳木斯大学学报 (自然科学版 2006年。