液压缸缓冲器解析与应用

1.液压缸缓冲器的基本类型

常见的液压缸缓冲器有四种基本形式：柱形柱塞、锥形柱塞、阶梯形柱塞、排孔形柱塞^【12】。

（1）柱形柱塞缓冲器（见图3-3a）

属于定截面变缓冲压力形式。优点是结构简单、加工方便、成本低；缺点是在缓冲初始段产生的缓冲压力很大，可达缓冲压力的几倍，但最后不起什么作用，平均缓冲压力低，缓冲效果差。

（2）锥形柱塞缓冲器（见图3-3b）

属于变截面变缓冲压力形式。优点是结构简单、加工方便、最大缓冲压力较柱形柱塞缓冲器低；缺点是接近缓冲行程终点处产生的缓冲压力很大，使缓冲效果不太稳定。

（3）阶梯形柱塞缓冲器（见图3-3c）

属于变截面定缓冲压力形式。优点是结构简单、加工方便、缓冲压力大致稳定，缓冲制动时间较短、适于大批量生产；缺点是设计计算复杂且误差较大，往往要根据试验结果对原始设计做出多次修正。定型前的试制费工、费时。

（4）排孔形柱塞缓冲器（见图3-3d）

属于变截面定缓冲压力形式。优点是缓冲压力几乎恒定，缓冲压力的计算较为准确，试验后的局部改进容易，缓冲效果好；缺点是在柱塞上开孔较多，加工成本较高。

（5）辅助活塞缓冲器（见图3-3e）

图3-3 缓冲器结构形式示意图

这种缓冲器的原理和别的原理不同，一方面靠排油截面变化产生的背压力来缓冲，另一方面靠辅助活塞截面差产生的差动力来缓冲，作用相似于一个二级油缸。优点是缓冲压力低较稳定，有利于分闸过程的迅速启动；缺点是结构复杂、成本高、修正设计费工费时。它仅限于在常充压差动式液压缸中作合闸缓冲器。

（6）复合结构缓冲器（见图3-3f）

2.缓冲器的设计计算

（1）缓冲压力的一般计算公式

在油缸缓冲器的设计中，关键是对缓冲腔内缓冲压力的计算。假设缓冲过程中缓冲腔内缓冲压力所产生的流体能全部吸收断路器运动部分的全部机械能。由能量方程式：

E_g=E_y+E_d±E_f≤E_h （3-16）

E_y=（p₁A₁-p₂A₂）S （3-17）

E_f=±FS （3-19）

E_h=pAS （3-20）

式中 E_g——由驱动力，断路器运动部分等具有的全部机械能；

E_h——缓冲腔内缓冲压力产生的流体能；

E_y——驱动活塞的液压能；

E_d——所有运动部分折算到活塞上的动能；

E_f——所有折算到活塞上的重力、摩擦力产生的能量；

p₁——液压油的驱动压力；

A₁——驱动腔活塞的有效作用面积；

p₂——回油背压力；

A₂——回油腔压力对活塞的有效作用面积；

S——活塞的缓冲行程；

m——折算到活塞上的有关运动部分（包括油液）的归化质量；

v_t——活塞的末速度；

v₀——活塞在缓冲前瞬间的初速度；

F——折算到活塞上的一切归化外力；

p——缓冲腔内的缓冲压力；

A——缓冲压力在活塞上的有效作用面积。将上列诸式联立求解得

因为活塞的平均减速度

所以有：

式（3-21）、式（3-22）为计算缓冲压力的通式。

1）定节流截面变缓冲压力计算：

这类缓冲器（见图3-3a）的最大缓冲压力（发生在活塞缸进入缓冲段内的瞬时缓冲压力）：

p_max值可用调节节流面积或节流间隙的大小来改变，其值不应超过油缸的最大容许压力。

缓冲器的环状缝隙高度：

式中 n——最大减速度a₀与平均减速度a的比值a₀/a，可取n=2～4；

d——缓冲柱塞直径；

η——液压油的动力粘度。(www.xing528.com)

2）变节流截面恒减速缓冲器计算^【12】：

假定在整个缓冲过程中活塞减速度始终不变且在运动终止瞬间活塞速度v_t=0（见图3-4）。

由伯努力方程式和液流连续性方程式可得瞬时节流截面

式中 v_xi——缓冲过程中某点S_xi时的瞬时速度；

S_x——缓冲过程中的瞬时缓冲距离；

A_ji——相应于S_x时的节流截面积；

μ——流量系数，0.62～0.8，视D/d情况选取；

γ——液压油的重度；

Δp——节流孔（或缝隙）前后的压力差，Δp=p-p₂；

如果A≫A_ji，则v_xi≪v_ji，此时可有下式：

（2）按给定的速度特性曲线设计缓冲器

一般设计液压操动机构的液压缸缓冲器时，液压缸活塞的v-t（或v-S）曲线（从断路器动触头折算到液压缸活塞上）都是事先给定的。根据给定的速度特性曲线（见图3-4），缓冲器可如下计算。

1）将缓冲时间坐标t（或缓冲行程坐标S）分成多个时间间隔Δt_i（或ΔS_i），计算出每个间隔内的平均减速度a及平均速度v_c，相应的缓冲距离S_c（或时间t_c）；

2）求出对应于S_c的缓冲压力p及Δp

图3-4 速度特性曲线

将每个间隔计算完后，找出最大缓冲压力来校核油缸强度；

3）求出对应于S_c的瞬时节流面积

将上述计算结果整理排列，即得按v-t（或v-S）曲线随S变化的变节流面积缓冲器。

图3-5 缓冲压力测试孔

（3）缓冲压力测试

在大操作功场合，除了合理分配加/减速行程搭配外，为了使冲击能量和剩余能量尽可能的减小，工作缸的缓冲特性一定要好。一般来说，缓冲特性要同时考虑机械特性缓冲段的尽量圆滑和最大缓冲压力的限制。这会影响到构件的承载能力及断路器的燃弧区间，故应进行严格的测试。高压断路器液压操动机构动态压力测试系统能直接测试出液压机构配断路器操作时整个过程的动态压力值，直接测出机构在缓冲阶段的最大压力，并可将机构的压力与储能器的压降对应测试出来。

动态压力测试装置总体分为两部分，一部分为信号的采集部分，另一部分为信号的转换及数据的输出部分。

1）采用四通道数字存储示波器采集信号，缓冲压力测试数据采集是在液压机构的合闸缓冲区及分闸缓冲区分别开出分闸缓冲压力及合闸缓冲压力测试孔（见图3-5），通过压力传感器将压力信号传入液压操动机构测试仪中。

系统压力测试数据采集部分是将压力传感器与常高压端的高压连接器相连，位移传感器固定在机构上，传感器端部与碟簧的上支撑环相接，通过传感器将压力信号及位移信号传入液压机构缓冲压力测试仪（见图3-6）。

2）信号的转换及数据的输出部分：压力信号及位移信号传入液压机构测试仪后，通过测试仪将信号转换后输出到数字存储示波器中，示波器（见图3-7）与电脑连接将图形及数据输出，通过电脑软件得到测试需要的数据值及数据曲线。

示波器所拍图形及电脑编辑后的数据及曲线分别如图3-8～图3-11所示。

图3-6 液压机构缓冲压力测试仪

图3-7 液压机构缓冲压力数字存储示波器

图3-8 示波器采样所得的分闸压力、缓冲压力及位移曲线

图3-10 示波器采样所得的合闸压力、缓冲压力及位移曲线

3.液压机构工作缸液压锁（防慢分装置）

工作缸液压锁如图3-12所示。

图3-9 电脑分析后所得的分闸压力、缓冲压力及位移曲线

图3-11 电脑分析后所得的分闸压力、缓冲压力及位移曲线

图3-12 工作缸液压锁

1—弹簧 2—液压锁销 3—工作缸体 4—运行螺钉 5—组合密封圈 6—压盖螺钉 7—压盖 8—检修螺钉