一種雙作用多級(jí)液壓缸的設(shè)計(jì)

一種雙作用多級(jí)液壓缸的設(shè)計(jì)

根據(jù)工作原理，如圖1所示，設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三個(gè)四個(gè)向流閥控制，以控制液壓池的伸展。液壓池控制單向閥保證了液壓池的伸展和收縮自由，并可以停在任何位置。通過(guò)單向流量閥調(diào)整液壓池的收縮速度，磁源溢流閥實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電壓和轉(zhuǎn)移。在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn),液壓缸活塞外伸時(shí),按照先大后小的順序,而在液壓缸活塞回縮時(shí)本應(yīng)該按先小后大的順序,可是出現(xiàn)先大后小的順序.如果在回縮過(guò)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(fù)載急劇下落,不能保證負(fù)載回落時(shí)停在任意位置的要求,實(shí)質(zhì)上此系統(tǒng)無(wú)法正常工作.本文對(duì)此系統(tǒng)出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行了研究,提出了多級(jí)雙作用液壓缸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的諸多事項(xiàng).1液壓缸的構(gòu)成由于系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度沒(méi)有過(guò)多要求,只是對(duì)推力和行程有要求,因此本系統(tǒng)參考文獻(xiàn)對(duì)液壓缸進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2a所示.此液壓缸為兩級(jí)雙作用活塞式液壓缸,主要由缸筒1、第一級(jí)活塞2和第二級(jí)活塞3構(gòu)成.第一級(jí)活塞的筒部作成雙層結(jié)構(gòu),并在外層的左端開(kāi)有徑向孔D,內(nèi)層的右端開(kāi)有徑向孔E.液壓缸的進(jìn)出油口A設(shè)在第二級(jí)活塞桿上,并在第二級(jí)活塞桿上開(kāi)有徑向孔C,C孔與B口相通.A口通過(guò)油道與液壓缸的左腔(即無(wú)桿腔)相通,B口通過(guò)油道、C孔、E孔、D孔與液壓缸的右端各腔(即有桿腔)相通,圖2b所示箭頭表示油缸上下腔與外界連接的通道.2雙功能多模壓軸的工作流分析為了分析方便,令第一級(jí)活塞左端有效面積(環(huán)形面積)為S1,右端有效面積為S1a;第二級(jí)活塞左端有效面積為S2,右端有效面積為S2a.2.1比克氏缸左端區(qū)域力相平衡的求取組合液壓缸活塞外伸時(shí)分2個(gè)階段:第一階段:由于第一級(jí)活塞和第二級(jí)活塞通過(guò)擋環(huán)連接在一起,液壓力通過(guò)2個(gè)活塞左端的面積同時(shí)推動(dòng)負(fù)載,第二級(jí)活塞相對(duì)第一級(jí)活塞靜止不動(dòng),即第一級(jí)活塞和第二級(jí)活塞一起外伸.第二階段:當(dāng)?shù)谝患?jí)活塞外伸到右端點(diǎn)時(shí),作用在第一級(jí)活塞左端有效面積的液壓力與缸筒右端作用在第一級(jí)活塞右端的力相平衡,此力平衡使第一級(jí)活塞停止運(yùn)動(dòng);作用在第二級(jí)活塞左端面積上的液壓力克服負(fù)載,推動(dòng)第二級(jí)活塞外伸運(yùn)動(dòng),直到第一級(jí)活塞缸筒的右端點(diǎn).在上述分析活塞外伸過(guò)程中,考慮到活塞的右端有效面積相對(duì)于左端面積比較小,而且外伸時(shí)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(shí)際是符合的.2.2插裝閥液壓缸工作原理從系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程發(fā)現(xiàn),活塞回縮過(guò)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(duì)影響活塞回縮順序因素進(jìn)行研究,從而確定此種液壓缸設(shè)計(jì)及應(yīng)用的原則.在這里,仍然將活塞回縮過(guò)程分成2個(gè)階段:第二級(jí)活塞回縮階段和第一級(jí)活塞回縮階段.2.2.1塞受力平衡方程在這一階段里,第一級(jí)活塞相對(duì)于缸筒不動(dòng),第二級(jí)活塞回縮.第一級(jí)活塞和第二級(jí)活塞受力分析分別如圖3a和圖3b所示.第一級(jí)活塞受力平衡方程式:p1S1+p2S2a=p2S1a+f1(1)p1S1+p2S2a=p2S1a+f1(1)式中:p1為無(wú)桿腔壓力;S1為第一級(jí)活塞左端有效面積;p2為有桿腔壓力;S2a為第二級(jí)活塞右端有效面積;S1a為第一級(jí)活塞右端有效面積;f1為缸筒1右端對(duì)第一級(jí)活塞的作用力.第二級(jí)活塞受力平衡方程式:p1S2=p2S2a+F(2)p1S2=p2S2a+F(2)式中:S2為第二級(jí)活塞左端有效面積;F為負(fù)載.要保證第二級(jí)活塞先回縮,第一級(jí)活塞不動(dòng),則f1≥0,于是式(1)可改寫(xiě)為p1S1≥p2(S1a-S2a)(3)p1S1≥p2(S1a?S2a)(3)由式(2)可得p1=(p2S2a+F)/S2(4)令∶Ψ1=p1S1=S2aS1S2p2+S1S2F(5)Ψ2=p2(S1a-S2a)(6)將式(4)代入式(5)得Ψ1=S2aS1S2p2+S1S2F(7)在此種液壓缸設(shè)計(jì)過(guò)程中,S1和S2主要由負(fù)載所需要的推力來(lái)決定,因此,這2個(gè)參數(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以是不變的.S1a和S2a在滿足液壓缸剛度的條件下可以調(diào)整.圖4為Ψ1和Ψ2隨p2變化關(guān)系曲線.圖4a和圖4b表示了負(fù)載F和第二級(jí)活塞右端有效面積為S2a變化對(duì)Ψ1的影響;圖4c表示了(S1a-S2a)的變化對(duì)Ψ2的影響.要保證第二級(jí)活塞先回縮,必須使Ψ1≥Ψ2,從圖4d可以看出,要擴(kuò)大液壓缸的正常工作區(qū)間,可以通過(guò)增大負(fù)載F和增大第二級(jí)活塞右端有效面積為S2a的方法,也可以通過(guò)減小(S1a-S2a)的方法.若保證?Ψ1?p2≥?Ψ2?p2,則Ψ1和Ψ2隨p2的關(guān)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(jí)活塞先回縮.由?Ψ1?p2≥?Ψ2?p2可推得S2aS2≥S1aS1+S2,此表達(dá)式為在任何條件下,保證液壓缸正常工作的幾何條件.2.2.2兩級(jí)基本關(guān)系在這一階段里,第二級(jí)活塞相對(duì)于第一級(jí)活塞不動(dòng),第一級(jí)活塞回縮.第一級(jí)活塞和第二級(jí)活塞受力分析分別如圖6所示.圖中f2為第一級(jí)活塞對(duì)第二級(jí)活塞的作用力.由于在這一階段里,第二級(jí)活塞相對(duì)于第一級(jí)活塞不動(dòng),所以對(duì)第二級(jí)活塞和第一級(jí)活塞作為整體進(jìn)行受力分析,受力平衡方程式為p1(S1+S2)=p2S1a+F(8)第二級(jí)活塞受力平衡方程式如下∶p1S2+f2=p2S2a+F(9)由于f2≥0?因此?式(9)可寫(xiě)為p1S2≤p2S2a+F(10)由式(8)得p1=p2S1a+FS1+S2(11)令:Ψ3=p1S2=S2S1aS1+S2p2+S2S1+S2F(12)Ψ4=p2S2a+F(13)從圖7中可以看出,負(fù)載F、第一級(jí)活塞右端有效面積為S1a及第二級(jí)活塞右端有效面積為S2a變化對(duì)Ψ3和Ψ4影響曲線的形狀是一致的.要擴(kuò)大液壓缸的正常工作區(qū)間,可以通過(guò)采取增大負(fù)載F和增大第二級(jí)活塞右端有效面積為S2a的方法,也可以通過(guò)減小S1a的方法.若保證?Ψ4/?p2≥?Ψ3/?p2,則Ψ3和Ψ4隨p2關(guān)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(jí)活塞先回縮.由?Ψ4/?p2≥?Ψ3/?p2可推得S2a/S2≥S1a/(S1+S2),此表達(dá)式為在任何條件下,保證液壓缸正常工作的幾何條件,此結(jié)論與第二級(jí)活塞回縮階段的結(jié)論是相同的.3保證停在任意位置(1)通過(guò)對(duì)液壓缸縮回過(guò)程個(gè)的2個(gè)階段活塞受力分析,得出保證液壓缸按正常順序回縮的液壓缸幾何條件是一致的.若S2a/S2<S1a/(S1+S2)時(shí),液壓缸按正常順序回縮的p2受到p2max限制,當(dāng)p2>p2max時(shí),液壓缸不能按正常順序回縮,即液壓缸縮回時(shí)不能保證停在任意位置,系統(tǒng)工作不正常;若S2a/S2≥S1a/(S1+S2)時(shí),p2max→∞,即p2為任何值,液壓缸都能按正常順序回縮.在負(fù)載F=0時(shí),可取S2a/S2>S1a/(S1+S2).(2)從圖4d和圖7d可以看出,負(fù)載F對(duì)p2max有影響,增大負(fù)載F可以增大p2max.另外,對(duì)于在液壓缸回縮過(guò)程中負(fù)載有變化的,進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮負(fù)載變化對(duì)p2max的影響,在這種情況下,p2max不再為定值.(3)使用活塞式雙作用多級(jí)液壓缸的目的是保證液壓缸可靠回縮,并使液壓缸回縮時(shí)有