一種雙作用多級液壓缸的設計與應用_臧克江

1、文章編號 :1008-1402(2006 04-0524-05一種雙作用多級液壓缸的設計與應用臧克江 , 蒲 紅 , 李彩花 , 胡曉平(佳木斯大學機械工程學院 , 黑龍江 佳木斯 154007摘 要 : 通過對一種雙作用多級液壓缸伸縮過程的分析 , 弄清了影響此種雙作用多級液壓缸動作順 序的幾何要素和系統(tǒng)的力學要素 , 確定了此種雙作用多級液壓缸設計原則及液壓缸正常工作的條件 , 為此 種雙作用多級液壓缸的設計及應用提供了理論依據(jù) .關鍵詞 : 液壓 ; 雙作用 ; 多級缸中圖分類號 : TH137 文獻標識碼 : A 根據(jù)工作要求設計了如圖 1所示的液壓系統(tǒng) . 系統(tǒng)由變量泵供油 , 三位

2、四通換向閥控制液壓缸的 伸縮 , 液控單向閥保證液壓缸伸縮停在任意位置 , 通過單向節(jié)流閥調節(jié)液壓缸縮回速度 , 電磁溢流閥 實現(xiàn)系統(tǒng)的調壓和卸荷 .圖 1 液壓系統(tǒng)原理圖在系統(tǒng)調試過程中發(fā)現(xiàn) , 液壓缸活塞外伸時 , 按照先大后小的順序 , 而在液壓缸活塞回縮時本應該按先小后大的順序時 , 可是出現(xiàn)按先大后小的順 序 . 如果在回縮過 程中三位四通換 向閥電磁鐵失 電 , 使三位四通換向閥處中立位置 , 出現(xiàn)大活塞快 速外伸 , 小活塞桿快速回縮 , 負載急劇下落 , 不能保 證負載回落時停在任意位置的要求 , 實質上此系統(tǒng) 不能正常工作 . 本文對此系統(tǒng)出現(xiàn)的現(xiàn)象進行了研 究 , 提出了多

3、級雙作用液壓缸設計及使用時應注意 的事項 .1 液壓缸結構設計由于系統(tǒng)對負載的運動速度沒有過多要求 , 只 是對推力和行程有要求 , 因此本系統(tǒng)參考文獻 1對液壓缸進行了機構設計 , 其機構簡圖如圖 2(a 所示 . 此液壓缸為兩級雙作用活塞式液壓缸 , 主要 由缸筒 1, 第一級活塞 2和第二級活塞 3構成 . 第一 級活塞的筒部做成雙層結構 , 并在外層的左端開有 徑向孔 D , 內層的右端開有徑向 孔 E . 液 壓缸的進 出油口 A , B 設在第二級活塞桿上 . A 口通過油道 與液壓缸的左腔 (即無桿腔 相通 , B 口通過油道 、 C 孔 、 E 孔 、 D 孔與液壓缸的右端各腔

4、 (即有桿腔 相 通 , 此液壓缸的職能符號如圖 (b 所示 .1缸筒 2第一級活塞 3第二級活塞圖 2 兩級雙作用活塞式液壓缸結構簡圖及職能符號 收稿日期 :2006-08-28- , , , , . 第 24卷 第 4期 佳 木 斯 大 學 學 報 (自 然 科 學 版 Vol . 24No . 4 2006 年 10月 Journal of Jiamusi University (Natural Science Edition Oct . 20062 液壓缸工作過程分析為了分析方便 , 令 :第一級活塞左端有效面積 (環(huán)形面積 為 S 1, 右端有效面積為 S 1a ; 第二級活塞 左端

5、有效面積為 S 2, 右端有效面積為 S 2a . 2. 1 液壓缸活塞外伸過程分析液壓缸活塞外伸時分兩個階段 :(1 第一階段 :由于第一級活塞和第二級活塞通過擋環(huán)連接在一起 , 液壓力通過兩個活塞左端的 面積同時推動負載 , 第二級活塞相對第一級活塞靜 止不動 , 即第一級活塞和第二級活塞一起外伸 .(2 第二階段 :當?shù)谝患壔钊馍斓接叶它c時 , 作用在第一級活塞左端有效面積的液壓力與缸筒 右端作用在第一級活塞右端的力相平衡 , 此平衡使 第一級活塞停止運動 ; 作用在第二級活塞左端面積 上的液壓力克服負載 , 推動第二級活塞外伸運動 , 直到第一級活塞缸筒的右端點 .在上述分析活塞外伸

6、過程中 , 考慮到活塞的右 端有效面積相對于左端面積比較小 , 而且外伸時有 桿腔的壓力比較低 , 忽略了作用在活塞右端上的液 壓力 , 這與實際是符合的 .圖 3 第二級活塞回縮階段活塞受力分析圖2. 2 液壓缸活塞回縮過程分析從系統(tǒng)的調試過程發(fā)現(xiàn) , 活塞回縮過程必須按 照先小后大的順序才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定正常工作 , 因 此 , 有必要對影響活塞回縮順序因素進行研究 , 從而確定此種液壓缸設計及應用的原則 . 在這里 , 仍 然將活塞回縮過程分成兩個階段 :第二級活塞回縮 階段和第一級活塞回縮階段 .(1 第二級活塞回縮階段 :在這一階段里 , 第一級活塞相對于缸筒不動 , 析分別如圖 3所

7、示2.圖 4 1和 2隨 P 2變化曲線圖 512 22條件下 1和 2隨 P 2變 化曲線 第一級活塞受力平衡方程式 :p 1S 1+p 2S 2a =p 2S 1a +f 1(1 第二級活塞受力平衡方程式 :p 1S 2=p 2S 2a +F(2式 (1 ,(2 中 :p 1:無桿腔壓力 ; p 2:有桿腔壓力 ; F :負載 ; f 1:缸筒 1右端對第一級活塞的作用力 . 要保證第二級活塞先回縮 , 第一級活塞不動 , 則 f 1 0, 于是式 (1 可改寫為 :p 1S 1 p 2(S 1a -S 2a (3由式 (2 可得 :p 1=p 2S 2a +FS 2(4令 :1=p 1S

8、 1=S 2a S 1S 2p 2+S 1S 2F(5 2=p 2(S 1a -S 2a (6將 (4 式代入 (5 式得 :1=S 2a S 1S 2p 2+S 1S 2F(7, S 和 525第 4期 臧克江 , 等 :一種雙作用多級液壓缸的設計與應用需要的推力來決定 , 因此 , 這兩個參數(shù)在設計過程中可以是不變的 . S 1a 和 S 2a 在滿足液壓缸剛度的 條件下可以調整 . 圖 4為 1和 2隨 p 2變化關系 曲線 . 圖 4(a 和圖 4(b 表示了負載 F 和第二級活 塞右端有效面積為 S 2a 變化對 1的影響 ; 圖 4(c 表示了 (S 1a -S 2a 的變化對 2

9、的影響 . 要保證第 二級活塞先回縮 , 必須使 1 2, 從圖 4(d 可以 看出 , 要擴大液壓缸的正常工作區(qū)間 , 可以通過采 取增大負載 F 和增大第二級活塞右端有效面積 S 2a 的方法 , 也可以通過減小 (S 1a -S 2a 的方法 . 若保證 1 p 2 2p 2則 1和 2隨 p 2關系如 圖 5所示 . 從圖中可以看出 , 在任何條件下都可以 滿足第二級活塞先回縮 .由1p 2 2 p 2可推得 S 2a S 2 S 1a S 1+S 2, 此表達 式為在任何條件下 , 保證液壓缸正常工作的幾何條 件 .(2 第一級活塞回縮階段在這一階段里 , 第二級活塞相對于第一級活塞

10、 不動 , 第一級活塞回縮 . 第一級活塞和第二級活塞 受力分析分別如圖 6所示 . 圖中 f 2為第一級活塞對 第二級活塞的作用力 .圖 6 第一級活塞回縮階段活塞受力分析圖由于在這一階段里 , 第二級活塞相對于第一級 活塞不動 , 所以對第二級活塞和第一級活塞作為整 體進行受力分析 , 受力平衡方程式如下 :p 1(S 1+S 2=p 2S 1a +F (8 第二級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 可寫成 :p 1S 2 p 2S 2a +F (10由式 (8 得 :p 1=p 2S 1a +F S 12(1

11、1 令 :3=p 1S 2=21a S 1+S 2p 2+2S 1+S 2F (12 4=p 2S 2a +F(13圖 7 為 3和 4隨 p 2變化關系曲線 .從圖中可以看出 , 負載 F , 第一級活塞右端有效面積 S 1a 及第二級活塞右端有效面積 S 2a 變化對 3和 4影響曲線的形狀是一致的 .要擴大液壓缸的 正常工作區(qū)間 , 可以通過采取增大負載 F 和增大 第二級活塞右端有效面積 S 2a 的方法 , 也可以通過 減小 S 1a 的方法 .若保證 4 p 2 3p 2則 3和 4隨 p 2關系如 圖 8所示 . 從圖中可以看出 , 在任何條件下都可以 滿足第二級活塞先回縮 .由

12、 4 p 2 3 p 2可推得 S 2a S 2 S 1a S 1+S 2, 此表達 式為在任何條件下 , 保證液壓缸正常工作的幾何條 件 , 此結論 與第二級活塞回縮 階段的結論是 相同 的 .圖 842 32條件下 3和 4隨 p 2變化曲線 3 系統(tǒng)故障分析前面提到的液壓系統(tǒng)中液壓缸參數(shù)為 :第一級活塞的活塞直徑為 140mm , 活塞桿外徑為 120mm ; 為 , 為526佳 木 斯 大 學 學 報 (自 然 科 學 版 2006年70mm . 經(jīng) 計 算 可 得 :S 1=103. 62cm 2, S 1a =40.82cm 2, S 2=50. 24cm 2, S 2a =11.

13、 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 21a S 1+S 2由于 此 液 壓 缸 的 活 塞 尺 寸 不 滿 足 S 2aS 2S 1aS 1+S 2, 因此其正常工作受到區(qū)域的限制 , 圖 9為 負載 F =2KN 時此液壓缸回縮時第二級活塞回縮 階 段工作曲線圖 . 從圖中可以看出 , 此液壓缸正常 工作的 p 2范圍為 08MPa , 而系統(tǒng)的實際工作壓 力為 14MPa , 因而出現(xiàn)第一級活塞先縮回問題 . 在 此過程中 , 若使換向閥回到中立位置 , 由于換向閥 中位機能為

14、 Y 型 , 所以 p 2=0, 使液壓缸的工作狀 態(tài)又進入正常工作 區(qū) , 因此出現(xiàn)了 大活塞快速外 伸 , 小活塞桿快速回縮 , 負載急劇下落 , 不能保證負 載回落時停在任意位置的現(xiàn)象 .圖 9 液壓缸回縮時第二級活塞回縮階段工作曲線圖圖 10 修改后的液壓系統(tǒng)原理圖 為了達到設計的預期要求 , 若重新設計制造液壓缸是比較麻煩的 , 通過反復實驗 , 考慮了液壓缸回程過程中負載 F 變化的影響 , 對液壓缸回程過 程中工作壓力 p 2進行了限制 , 系統(tǒng)做了如圖 10所 示的 更 改 , 液 壓 缸 回程 過 程 中 工 作 壓 力 p 2=4MPa , 系統(tǒng)可以正常工作 . 換向閥處中

15、立位置時 , 液壓泵在低壓下運行 .4 結 論通過對一種活塞式雙作用多級液壓缸工作過 程分析 , 詳細討論了影響此種活塞式雙作用多級液 壓缸工作狀態(tài)的液壓缸幾何因素和系統(tǒng)壓力因素 , 主要得到以下幾條結論 :(1 通過對液壓缸回縮過程的兩個階段活塞 受力分析 , 得出保證液壓缸按正常順序回縮的幾何條件是一致的 . 若 2a S 2P 2ma x 時 , 液 壓缸不能按正常順序回縮 , 即液壓缸回縮時不能保證停 在 任 意 位 置 , 系 統(tǒng) 工 作 不 正 常 ; 若 S 2aS 2S 1aS 1+S 2時 , p 2max , 即 p 2為任何值 , 液壓缸都能按正常順序回 縮 . 在 負載

16、 F =0時 , 可 取 S 2aS 2S 1aS 1+S 2.(2 從圖 4(d 和圖 7(d 可以看出 , 負載 F 對 P 2max 有影響 , 增大負載 F 可以增大 p 2max . 另外 , 對于在液壓缸回縮過程中負載有變化的 , 進行系統(tǒng)設 計要考慮負載變化對 p 2max 的影響 , 在這種情況下 , p 2max 不再為定值 .(3 使用活塞式雙作用多級液壓缸的目的是 保證液壓缸可靠回縮 , 并使液壓缸回縮時有一定的 速度 . 但由于為了保證液壓缸的強度和剛度要求 , 一般情況下 , 無桿腔與有桿腔的活塞有效面積比較 大 , 造成液壓缸回縮時回油流量較大 , 無桿腔形成 較高

17、背壓 , 要想保證液壓缸回縮時有一定的速度 , 必須在設計系統(tǒng)時 , 考慮油路的尺寸 , 以通過減小 p 1降低 p 2, 使液壓系統(tǒng)的工作點落在正常工作區(qū) 間內 , 同時有利于系統(tǒng)節(jié)能 . 參考文獻 :1 劉會國 . 雙作用伸縮式液壓缸 J . 液壓與氣動 , 2003, 9:62. 2 孫偉 , 張麗萍 . 同步二級伸縮液壓缸的研究 J . 機床與液壓 ,2006(2 :135-136.Design and Application of a Double Acting Telescopic Hydraulic Cylinder, H 527第 4期 臧克江 , 等 :一種雙作用多級液壓缸的

18、設計與應用(College of Mechanical Engineering , Jiamus i University , Jiamusi 154007, China A bstract : In this paper , geometric element of hydraulic cylinder and mechanics element of hydraulic system were made clear , which can affect action order of double acting telescopic hydraulic cylinder based on

19、analysis of flex pr ocess . And design principle and natural work condition of hydraulic cylinder were ascertained . It provide theor y gist for design and application of double acting telescopic hydraulic cylinder .Key words : hydraulic ; double acting ; telescopic cylinder(上接 506頁 參考文獻 :1 Erich Ga

20、nm , et al . Design Patterns Elements of Reus able Object _Ori -ented Soft ware M . 北京 :機械工業(yè)出版社 , 2000.2 鄒娟 , 田玉敏 . 軟件設 計模式 的選擇 與實 現(xiàn) J . 計 算機 工程 ,2004, 30(10 :79-81.3 周小健 , 余東 梅 , 張聚 禮 . 基于 設計模 式的軟 件體系 結構 研究 J . 甘肅工業(yè)大學學報 , 2003,(12 .4 曾志 明 , 朱江 , 張立立 , 鐘耳順 . 設計模 式在可復用 GIS 軟件開 發(fā)中的應用 J . 計算機工程 , 2006,

21、 32(7 :67-68.The Application of Design Pattern in ReusableMIS Software DevelopmentCH EN Li -yan , L U Xing -fe ng(College of Computer Science and Technology , Heilongjiang University , Harbin 150080, China A bstract : This paper presents the importance of design pattern in reusable MIS software deve

22、lopment , Three typical design patterns , Adapter , Factory and Bridge pattern , which are implemented in MI S software development ar e elaborated .Key words : design pattern ; MIS software development ; reusable software(上接 508頁 參考文獻 :1 蘇東水 . 產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟學 M . 北京 :高等教育出版社 , 2000, 287. 2 王威 , 崔明明 . 復雜系 統(tǒng)評估

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24、at predominant industry occupies in domestic econo -my . With those main elements which effect the production . The author applies AHP method to compose and assemble the predominant from different levels of the economic efficiency , the economical scale , the technology advancement , the industrial connection and so on , and arrays the choice systems of