液压缸负载敏感制动阀的技术研究

发布时间：2020-10-09 13:49

　　液压传动技术在机械传动领域发展极为迅速,其中液压缸作为液压系统的执行元件,能够将液压工作介质的压力能转化为机械能,实现机械零部件的往复线性运动。当工作中的液压缸需要在其行程的任意位置停止运行时,由于存在负载和液压缸活塞的惯性力,会导致液压冲击现象产生。液压系统内部的冲击往往伴随振动和噪声,对系统的正常工作有着明显影响,严重的液压冲击会破坏液压设备,发生机械事故。所以,研究和改善液压缸的制动过程和制动形式,对液压缸的缓冲制动具有重要意义。当前对液压缸采用的缓冲制动方式主要分为缸内缓冲制动和缸外缓冲制动两种方式,其中,液压缸缸内缓冲制动方式存在一定的局限性,其缓冲过程只在液压缸端部进行,无法对液压缸在任意行程位置的制动进行缓冲处理;而液压缸缸外缓冲制动方式是通过溢流阀等控制元件或蓄能器等辅助元件的功能,实现液压缸在行程的任意位置缓冲制动,应用范围仅局限于负载质量不大、液压缸运行速度较低的场合。本文针对液压缸在高速重载工况下的缓冲制动情况,设计新的缓冲制动阀结构及其回路。首先,文章对液压冲击现象进行了研究总结,就液压缸的缓冲制动方式参考了国内外诸多研究成果,同时结合负载敏感技术,联合已有的液压控制元件,提出了新的液压缸负载敏感制动阀回路。该制动阀回路在液压系统出现突然断电或需要液压缸在任意位置停止运行时,能够实现液压缸的快速平稳制动,并且在液压缸的两个方向上制动效果相同,简化了整体液压系统结构,此外,当制动过程结束,缸外缓冲回路能够锁定液压缸自由运动,从而保证液压系统的安全性和稳定性。之后,文章阐述并设计了负载敏感制动阀的整体结构,根据具体工况参数选择制动阀的结构方案为内部集成阀结构,对构成制动阀的液压元件进行了设计和选型,其中电磁换向阀和液动换向阀采用现有的产品型号,其余的液压阀则进行了设计和三维模型搭建,重点设计并计算了负载敏感阀的阀芯结构。在制动阀的结构确定后,对该阀所在的工作环境进行数学模型推导,并利用MATLAB/Simulink软件搭建仿真模型。通过对仿真结果的分析,负载敏感制动阀在能够在较短的时间内完成液压缸的缓冲制动,整个缓冲过程中没有发生严重液压冲击现象,缓冲效果良好。为验证所设计制动阀的实用性,利用MATLAB/Simulink软件在不同的工作参数条件下对制动阀的缓冲制动效果进行进一步仿真分析。仿真分析结果显示,一定范围内当液压缸负载质量以及活塞初速度变更之后,负载敏感制动阀对液压缸的缓冲效果依然良好,系统整体的结构合理,能够满足不同工况下的缓冲制动要求。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH137
【部分图文】：

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(d)抛物线型 (e)短笛型图 1-1 缸内缓冲装置结构示意图Fig.1-1 Cylinder inner buffer device structure schematic diagram目前对液压缸缸内缓冲制动方式的研究有很多，陈登民，李永奇压缸缸内缓冲制动的机理，采用数学模型建立圆柱型柱塞缓冲装据处理和验证，发现圆柱型柱塞缓冲装置需要处理好柱塞与节流间隙，当该间隙很小时，液压缸缓冲制动过程初期会在液压缸内液压冲击；而过大的间隙配合，会延长液压缸缓冲制动时间而且等[17]详细阐述了阶梯型柱塞缓冲装置，研究结果证明带有阶梯节流孔能够形成可变的节流面积，可以快速地对高压油液进行节的液压缸缓冲制动需求。李艳利，刘志奇[18]的文章介绍了短笛型状柱塞上的一系列节流短孔进行节流缓冲，实验结果显示，短笛现更加理想液压缸缓冲制动效果。孟尧等人[19]从结构参数出发，

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得到了良好的液压缸缓冲过程，由于复合型缓冲装置对加工和装配，相应地增加了该液压缸的生产成本，目前还不利于推广应用。浙江大学工大学武晓凤[26]各自提出了优化的复合型缓冲装置，借助数据模型分析了动机理，结果显示，搭配了新的复合型缓冲装置的液压缸，缓冲过程中出较小，液压缸能够在无硬冲击的情况下平稳制动。析总结国内外诸多文献，液压缸缸内缓冲制动方式存在一定的局限性，缓压缸端部进行，而当液压缸需要在任意位置停止运行时，缸内缓冲制动装缸活塞进行制动作用。液压缸缸外缓冲制动压缸缸外缓冲制动方式主要在液压缸运行主油路上并联缓冲回路，通过溢件或蓄能器等辅助元件的功能，实现液压缸在行程的任意位置缓冲制动。度快，易于实现，应用广泛。当前常用的液压缸缸外缓冲方式主要涉及以)溢流阀缓冲回路[27]。图 1-2 为溢流阀缓冲回路示意图。

缓冲回路,顺序阀

都并联有单向阀，在液压缸高压腔卸压的同时，另一侧行补油，杜绝液压缸吸空现象。回路被应用于液压缸牵引机构[28]和液压马达[29]的缓冲制然而溢流阀本身具有压力超调特性，开启溢流阀瞬间的20%[30] [31]，影响液压缓冲制动的平稳性；而且溢流阀缓单向阀并联，增大了液压系统的复杂程度和安装维修成缓冲回路。顺序阀缓冲回路简化了缓冲结构[32]，图 1-3 为为：利用顺序阀为液压缸缓冲高压腔提供背压，避免液对液压缸进行缓冲制动，其并联的单向阀和可调节流阀充油液。液压缸主回路上的换向阀在制动时，会瞬间切高压油液全部作用在顺序阀上，原油路也会出现高压情压系统正常运行，所以顺序阀缓冲回路不适合高速重载

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