伸缩式双作用液压缸在液压系统中应用与分析

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伸缩式双作用液压缸是-种多级液压缸。伸缩级数-般为 2～6级.其特点是行程长而缩回后的长度短。

在给定的空间内能实现比单级液压缸更长的行程 。适用于安装空间受到限制但行程要求却很长的设备中。

1 伸缩式双作用液压缸的结构特点下面以环卫机械中常用的三级推滑板液压缸为例，说明伸缩式双作用液压缸的工作原理。如图 1所示，它由缸筒、-级缸活塞杆、二级缸活塞杆、三级缸活塞杆等组成，A油 口位置可根据液压缸的安装方式合理布置。当压力油从 A油口进入液压缸无杆腔时，由于作用面积的不同。按由大到小顺序 ，-级缸活塞杆在压力油的作用下首先带着二级缸活塞杆、三级缸活塞杆伸出。当-级缸活塞杆伸出到位后，二级缸活塞杆在压力油的作用下.带着三级缸活塞杆伸出。当二级缸活塞杆伸出到位后，三级缸活塞杆开始伸出，整个伸出过程，B油口回油。反之，当B油口进油时，A油口回油，压收稿日期：2012-05-16作者简介：陈善坤(1979-)，男，安徽合肥人，工程师，学士 ，主要从事液压元件的设计与开发。

力油首先进入三级缸有杆腔，先是三级缸活塞杆缩回，再二级缸活塞杆，最后-级缸活塞杆依次缩回。伸缩式双作用液压缸的结构特点 .决定了活塞杆伸出顺序是从大到小，相应的推力也是从大到小，而伸出速度则是由慢变快，空载缩回顺序则是从蓄塞杆到大活塞杆依次缩回。

伸缩式双作用液压缸的推拉力和伸缩速度的计算与单级液压缸类似，但由于各级液压缸承压的有效作用面积不同，因而各级的推拉力和伸缩速度也不同，应分别计算。

1-缸筒 2--级缸活塞杆 3-二级缸活塞杆 4-三级缸 活塞杆图 1 伸 缩式双 作用液压 缸结构原理 图三级缸活塞杆伸出和缩 回时产生的推力和拉力分别为：[D P-(D - 。]J，7 (1)4-'tr[D2p-( - 。] (2)51液压 气动 与 密封/2013年 第 01期式中 p--进油压力；P。--回油压力；D--缸筒内径；活塞杆直径；叼 --机械效率。

活塞杆伸出速度 和缩回速度 分别为： 1TD 1T(D -d )式中 p--进油流量；卵. - 容积效率。

活塞杆缩回和伸出运动的速比D为：Q鲁 ㈤wD如图 1所示，D120mm，d100mm鲁(4)由式(1)、式(2)可以看出，当 Pn越小时，活塞杆伸出和缩回时产生的推力 和拉力 就越大；另外 ，由式(3)可以看出，当d越大时，速比 就越大，即活塞杆缩回速度 就越快，活塞杆弯曲稳定性也越好，这个特点符合大多数工作机械的作业要求，所以这种液压缸在环卫和矿山等机械中广为应用。但速比 -般不宜过大，否则无杆腔回油流量增加过大，引起回油流速过高会形成很大的背压，即回油压力P 就很高。但也不宜过校否则活塞杆直径相对于缸筒内径太细.油缸稳定性差 。

2 问题及解决措施(1)由于安装空间的限制和工况的要求，伸缩式双作用液压缸的外径-般不宜做的太大，活塞杆弯曲稳定性要求良好 ，所以活塞杆直径 d较大，决定了伸缩式双作用液压缸的速比 较大，-般为 2.34～5(单级液压缸的速比 -般为 1.33～2)。而在液压系统设计中，设计人员大都是按泵的流量进行选择的，忽略了由速比引起回油流量的增加。液压缸级数越多，影响越大，系统背压的增加也就越大，从而出现了液压缸缩回时，速度过快，拉力很小，却又消耗功率，引起系统发热，液压缸伸出时，速度又较慢等现象。如果能在伸缩式双作用液压缸速比 较大的情况下，降低系统背压，即降低回油压力P。，又能提高其伸出速度，就可解决功率消耗，52系统发热等问题，因此对液压系统进行了改进设计，原理如图2所示。当电磁换向阀 10、11处于左位时，活塞杆伸出，此时由双联泵 5双泵合流供油，提升了液压缸的伸出速度，调速阀 13可对液压缸的进油进行调节，使液压缸的伸出速度可控。当电磁换向阀 1O处于右位时，活塞杆缩回，此时由双联泵 5单泵供油 ，液压缸的缩回速度不会过快。调速阀 12可调节液压缸的缩回速度。同时高压油通往液控单向阀 15的控制 口，将液控单向阀 15打开，使其反向流通 ，无杆腔的回油-路经液控单向阀 15和节流阀 14回油箱，另-路液压油可经电磁换向阀 10，经 T口回油箱 ，降低了系统背压 ，即解决了功率消耗，系统发热等问题≮流阀 14可调节背压，防止缩回太快而在无杆腔产生真空，引起系统振动和噪声 。

1-油箱 2、3-吸油过滤器 4-空气过滤器 5-双联泵 6、7-溢流阀8，9-单向阀 10、11-电磁换向阀 12、13-调速阀 14-节流阀15-液控单向阀 16-管式溢流阀 17-伸缩式双作用液压缸图 2 液压传动 系统原理图(2)由于系统设计人员的忽视，伸缩式双作用液压缸在使用中。还要防止系统响应速度引起的有杆腔油路被堵 ，尤其在液压缸工作过程中，避免回油单向阀或换向阀卡住等情况的发生。如果有杆腔回油路被堵了，活塞两端要达到力的平衡，而液压缸无杆腔有效作用面积总是大于有杆腔有效作用面积，因此，在液压缸的有杆腔就会产生增压效应。

如图 1所示，以三级推滑板油缸为例，当三级活塞杆伸出过程中，回油路被堵。由流体力学静压传递原理∩知：lAl 孚 n2pl (5)(D -d )式中 p--进油压力；Hydraulics Pneumatics& Seal 0.01.2013A--无杆腔有效作用面积：P --有杆腔增压压力；A --有杆腔有效作用面积；由式(4)可知 3.27，当进油压力p12MPa时，有杆腔增压压力P，pP-3.27x12MPa52.32MPa由式(5)可以看出，增压比等于速比D，由于伸缩式双作用液压缸速比 较大，所以有杆腔增压大，很容易导致缸筒涨缸(产生塑性变性)，这对伸缩式双作用液压缸的使用是极为不利的。因此在液压系统的设计中，如图2所示，在液压缸的有杆腔管路处增加了管式溢流阀 l6，当有杆腔回油路被堵 ，有杆腔油液产生增压时，-旦增压压力达到管式溢流阀的设定压力后。溢流阀 l6开始溢流，从而可靠地避免了缸筒涨缸 .保护了伸缩式双作用液压缸。

(上接 第 50页 )时间/min图 2 液压系统能量变化曲线图2显示系统正常工作 15min时，液压系统能量趋于定值 38 99210。H发 散，系统发热量和散热量相等。

此时进行散热面积的计算 ：将测量值代入式(6)并加上 20%的修正系数 ，得正常工作时系统发热功率 ：H发24kW，由式(7)计算匹配的散热面积：A 5m2。

4 仿真按上面计算结果，为该装置增加散热器，在此之前利用 Matlab对系统温度变化进行仿真.结果如图 3、图4所示 。

时间/rain 时间/min图 3 系统能量变化速率 Itt线 图 4 系统温度变化 曲线图3显示随着系统趋向热平衡状态，系统温度变化速率与时间线性相关 ，呈减小变化，系统达到热平衡时，变化率趋向于零。图4显示增加散热器后，系统正常工作时，其温度将随时间线性增加，平衡时温度小于70℃，满足设计要求∩以按照计算数值增设散热器。

5 结论对散热器散热面积的计算 ，常用的理论计算方法3 结论针对液压传动系统中选用伸缩式双作用液压缸作为执行元件时，出现的种种故障，笔者提出了以上解决措施，并且已成功应用于实际工作中，取得很好的效果。