四腔室液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

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(1. 燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島　066004； 2. 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 秦皇島　066004)

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，液壓技術(shù)也在不斷發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了不斷地深化。與此同時(shí)，新型、節(jié)能的液壓技術(shù)備受社會(huì)青睞。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓設(shè)備、系統(tǒng)、元件也在不斷地得到創(chuàng)新和完善。執(zhí)行元件為液壓缸的系統(tǒng)，其工作性能受液壓缸性能的影響較大，在這樣的液壓系統(tǒng)中，如果液壓缸沒有設(shè)計(jì)好，即使系統(tǒng)設(shè)計(jì)得再精密巧妙，整個(gè)系統(tǒng)的工作性能也將會(huì)受到很大的影響，達(dá)不到預(yù)期的效果甚至使系統(tǒng)無法工作。因此，液壓缸的性能對(duì)于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)而言具有重要意義。

由于液壓缸使用場(chǎng)合不同，為了滿足不同的工作要求，就必須依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的液壓缸都是2個(gè)腔室， 現(xiàn)在3個(gè)腔室的組合液壓缸也比較普遍[1]。常用的液壓系統(tǒng)一般都存在速度變化和載荷變化，為了實(shí)現(xiàn)工作需求通常都會(huì)利用液壓控制閥或者變量機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度控制和壓力控制來實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。本研究中的液壓缸通過連接數(shù)字開關(guān)閥構(gòu)成的DFCU(Digital Flow Control Unit)閥塊來實(shí)現(xiàn)控制?？傻玫絅m種輸出力，其中N為系統(tǒng)的壓力級(jí)個(gè)數(shù)，m為液壓缸工作腔的個(gè)數(shù)[6]，即四腔室液壓缸在系統(tǒng)提供3個(gè)壓力級(jí)別情況下可輸出81種力。

1　四腔室液壓缸結(jié)構(gòu)

圖1為四腔室液壓缸原理的簡(jiǎn)圖。該液壓缸由1個(gè)大的單作用活塞缸和1個(gè)小的單作用活塞缸組合而成。大的單作用活塞缸的活塞桿做成空心的，兼做小的單作用活塞缸的缸筒，小的單作用活塞缸的活塞桿固定在大的單作用活塞缸的底蓋上，因此小的單作用活塞缸的活塞桿固定不動(dòng)，缸筒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這樣，該液壓缸被分為qA、qB、qC、qD4個(gè)腔室，其中qA、qC腔室通高壓油時(shí)，在油壓的作用下液壓缸產(chǎn)生向上的作用力使活塞桿伸出，qB、qD腔室通高壓油時(shí)，在油壓的作用下液壓缸產(chǎn)生向下的作用力使活塞桿縮回。

圖1　四腔室液壓缸原理簡(jiǎn)圖

液壓缸的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。本研究設(shè)計(jì)的液壓缸應(yīng)用在液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂上，因此采用耳環(huán)安裝方式，小活塞缸的活塞桿用螺母固定在大活塞缸的后端蓋上。缸筒與前后端蓋用法蘭連接，前端蓋與前缸蓋用法蘭連接，后端蓋與后缸蓋用法蘭連接，因此需要較長的螺栓固定。

1.耳環(huán)　2.大活塞桿　3.單唇形防塵圈　4.前缸蓋　5、22.斯特封 6、10、23、25.導(dǎo)向環(huán)　7.前端蓋　8、13.法蘭　9.缸筒　11.大活塞 12、26.格萊圈　14.后端蓋　15.后缸蓋　16.螺母　17.墊片 18.小活塞桿　19.彈性擋圈　20.卡鍵帽　21.卡鍵　24.螺塞 27.小活塞　28.鎖緊墊片　29.鎖緊螺母圖2　四腔室液壓缸

2　四腔室液壓缸控制模式

這臺(tái)液壓缸包含4個(gè)不同面積的腔室，其面積的相對(duì)比值是27∶9∶3∶1，2個(gè)腔室使液壓缸活塞桿伸出，2個(gè)腔室使液壓缸活塞桿縮回，依靠3種不同壓力在液壓缸4個(gè)腔室中變化下可以獲得34=81種不同的輸出力。

本液壓缸的輸出力計(jì)算公式如下：

F=(pASA-pBSB+pCSC-pDSD)×φ×η

(1)

各腔室的面積如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：φ—— 為液壓缸的負(fù)載效率，一般取

φ=0.5～0.7

η—— 為液壓缸的總效率，一般取

η=0.7～0.9

d—— 為小活塞桿直徑

δC—— 為C腔壁厚

三種壓力依次用字母表示為高壓(H)、中壓(M)、低壓(L)。其壓力控制模式為HHHH、HMMH、HMMM、HLHH、HLMH……MHHH、MHMH、MHMM、MMHH、MMMH……LHHH、LMHH、LMMH、LMMM、LLHMH……LLLL等81種控制模式。4個(gè)腔室分別用A、B、C、D表示，對(duì)其控制模式進(jìn)行編碼，3個(gè)壓力分別用1、2、3表示，例如A腔連接高壓(H)，B腔連接中壓(M)，C腔連接低壓(L)，D腔連接低壓(L)，控制模式為HMLL可編碼為3211。各控制模式編碼的輸出力如表1，負(fù)值表示液壓缸縮回時(shí)油壓對(duì)活塞產(chǎn)生的力。

表1　各控制模式編碼下的輸出力

(續(xù)表)

(續(xù)表)

(續(xù)表)

各控制模式編碼的輸出力從大到小依次分布如圖3所示，可以看出四腔室液壓缸的輸出力基本上呈階梯式輸出，其波動(dòng)較小。因此可以看出四腔室液壓缸在變負(fù)載工況下，可使輸出力與負(fù)載相適應(yīng)減小能量損失，減小震動(dòng)。

3　四腔室液壓缸的控制及其應(yīng)用

圖4為連接液壓缸與三種不同壓力管線的DFCU閥塊，此DFCU閥塊由27個(gè)液壓高速開關(guān)閥構(gòu)成，A腔與各個(gè)壓力級(jí)間安裝4個(gè)液壓高速開關(guān)閥，B腔與各個(gè)壓力級(jí)間安裝2個(gè)液壓高速開關(guān)閥,C腔與各個(gè)壓力級(jí)間安裝2個(gè)液壓高速開關(guān)閥,D腔與各個(gè)壓力級(jí)間安裝1個(gè)液壓高速開關(guān)閥。安裝不同規(guī)格的閥來實(shí)現(xiàn)流量控制，以減小能量損失。由它們來決定各腔室與各壓力管線的連接與否。液壓高速開關(guān)閥通過 PWM 信號(hào)控制，使閥芯打開與截止的時(shí)間比例不同(即占空比不同)來調(diào)節(jié)流量。利用接受或產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的計(jì)算機(jī)控制，不僅提高了控制的精度和穩(wěn)定性，而且明顯地降低了成本。

圖5為四腔室液壓缸液壓控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，改變工作腔的壓力即可產(chǎn)生不同的壓力組合，從而使液壓缸輸出不同的力。

圖4　 DFCU數(shù)字流體控制單元

圖5　四腔室液壓缸液壓控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

一般情況下，在液壓缸的速度和對(duì)外作用力變化時(shí)，需要調(diào)節(jié)供油壓力和供油量或設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的速度變換液壓回路和負(fù)載變換液壓回路，這樣存在如下問題：增加設(shè)備成本，增加設(shè)備重量，增加液壓系統(tǒng)的故障點(diǎn)，浪費(fèi)液壓能源，增加操作維護(hù)的困難，速度和負(fù)載變換穩(wěn)定性差。

多腔室液壓缸聯(lián)合數(shù)字控制流體單元DFCU閥塊，在變負(fù)載的工況下得到應(yīng)用。在海洋動(dòng)力產(chǎn)業(yè)上，利用波浪能轉(zhuǎn)換為動(dòng)力能再轉(zhuǎn)換為電能，應(yīng)用多腔室液壓缸可實(shí)現(xiàn)高效率的波浪能吸收。在石油工業(yè)中的抽油機(jī)上，由于抽油桿的上升和下降過程中提升重量的不同，負(fù)載力不斷變化；在液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂系統(tǒng)中，由于提升角度的不斷變化，負(fù)載力也在不斷地變化。各種存在先小力輸出后大力輸出的液壓系統(tǒng)中，如機(jī)床液壓系統(tǒng)、推土機(jī)液壓系統(tǒng)、鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)等。還有在一些特殊的場(chǎng)合，例如升降舞臺(tái)是大劇院配套設(shè)備，為給演員提供更好的藝術(shù)平臺(tái)，給觀眾帶來更好的視覺效果，有其特殊要求：必須保證動(dòng)作平穩(wěn)，因舞臺(tái)承載人數(shù)不定，限載重量不定，場(chǎng)景需求不定， 另外承

載舞臺(tái)的液壓缸隨著起升和下落過程中叉架角度的不斷變化，其負(fù)載力也在不斷變化，但是液壓系統(tǒng)必須嚴(yán)格控制載荷變化對(duì)速度產(chǎn)生的干擾，而且從使用要求上，必須確保機(jī)械無沖擊的平滑穩(wěn)定運(yùn)行。因此在這些特殊的場(chǎng)合，多腔室液壓缸的應(yīng)用將起到非常大的作用也會(huì)帶來更好的效果。

4　結(jié)論

該液壓缸具有4個(gè)腔室，活塞桿做成空腔兼做可移動(dòng)缸體，通過改變工作腔室的組合以實(shí)現(xiàn)不同的受壓面積，從而在系統(tǒng)提供的壓力下產(chǎn)生不同的輸出力，以適應(yīng)變負(fù)載工況下的特殊要求。四腔室液壓缸的應(yīng)用不但可以提高效率，還可以節(jié)省空間和能源，使設(shè)備工作運(yùn)行平穩(wěn)，與使用比例閥控制伺服油缸的系統(tǒng)相比，降低了成本。本液壓缸的設(shè)計(jì)也對(duì)相關(guān)近似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了積極的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉珂，馬青芳.三腔組合液壓缸的結(jié)構(gòu)[J].液壓工業(yè)，1991,(2)：32-33.

[2]張路軍，潘偉，顧心懌,等.XXJ300/500液壓蓄能修井機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].液壓與氣動(dòng)，2001，(12)：12-13.

[3]張路軍，謝恒述.組合液壓缸節(jié)能液壓抽油機(jī)的研究[J].液壓與氣動(dòng)，2008,(12)：63-64.

[4]雷天覺.新編液壓工程手冊(cè)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[5]許賢良，韋文述.液壓缸及其設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[6]MATTI L．Digital Fluid Power-state of the Art：The Twelfth Scandinavian International Conference on Fluid Power[C]．Finland：Tampere，2011.

[7]Rico H，Morten K，Enrique V．Discrete Displacement Hydraulic Power Take-off System for the Wavestar Wave Energy Converter[C]．Energies,2013.

[8]Dell A，Marcus C，Erik N，et al．Investigation of a Digital Hydraulic Actuation System on an Excavator Arm：The 13th Scandinavian International Conference on Fluid Power[C]．Sweden：Link?ping，2013.