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摘 要 通过对小质量高速缓冲器的模型的建立，对在这类缓冲器在缓冲的过程中的各种缓冲参数选择和计算进行相应的分析和讨论，为高速缓冲提出了建设性的建议。
关键词 高速缓冲器；模型；缓冲性能
中图分类号：TP333 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）24-0058-02
在现代工业高速发展的今天，自动化设备及机械化设备需要高速运动、精准的动作；同时对设备的平稳性、安全性要求也更加苛刻。缓冲器作为大型设备上或高速自动化设备上的安全缓冲部件或者是执行部件，所起到的作用也越来越重要了。在众多的缓冲器种类中，液压缓冲器因其具有缓冲容量大、缓冲平稳和反弹力较小的特点，已经被广泛的应用在重型机械设备、钢铁设备及港口机械上，随着液压缓冲技术的成熟和发展，缓冲器应用的领域也在不断地拓宽。
目前，在缓冲器的机理和特性研究方面，国内外的研究人员对缓冲器采用了许多的模型和很多的分析手段，其目的是分析不同因素和参数对缓冲器的影响。但是很多是对现有的产品进行分析，分析的产品的缓冲速度以常规为主。在高速缓冲器方面的论述不多，较为流行的是双级缓冲器，采取不同腔体的压力，进行顺序缓冲，以增大缓冲行程，但是此种缓冲器只是针对大质量，低速度的缓冲。对于载荷质量小、高速度的工况下，研究和分析的不多。
本文针对质量小、高速度的缓冲器，根据流体力学和热力学的理论基础出发，建立了动力学计算模型，并分析了在缓冲过程中，缓冲力的组成，并对缓冲器的缓冲参数之间的关系进行了分析讨论。通过实验验证了理论和方法的正确性，具有重要的工程应用价值。
1 液压缓冲器结构和工作原理
1-撞头；2-活塞杆；3-外缸；4-内缸；5-活塞
图1 缓冲器结构简图
缓冲器的结构如图1所示。缓冲器由撞头1，活塞杆2，外缸3，内缸4，活塞5组成。当物体撞击撞头时，活塞杆被压缩，此时在活塞和内缸上的阻尼孔使活塞右端的油流出进入左腔内时，产生了缓冲力，同时因油流经小孔时流速较大，产生紊流，使油的内能增加，将撞击物体的动能直接转换为油的内能，在油室的上腔留有部分气体，在缓冲过程中，因压缩体积变小，导致气体因压力过大，溶于液压油中，增加了液压油的压缩性，大大减小缓冲器的刚性，使缓冲过程更加柔和，使缓冲器具有更好的缓冲性能。
2 缓冲器模型建立和缓冲力分析
2.1 初始碰撞
在物体碰撞到物体时由于缓冲器的作用，实现的是非弹性碰撞，亦即在碰撞时两者粘在一起。经过碰撞之后的物体与撞头、活塞杆、活塞一起以共同的速度继续前进，经过此次碰撞，缓冲能量产生一次损失。
2.2 撞击时的动态模型
在完成了初始撞击之后，液压油因被压缩，在油流经阻尼孔的时候，形成了缓冲力，这个过程较为复杂，其系统模型如图2所示。
图2 缓冲器活塞杆运动分析图
图中，m1是撞击物体质量，m2是活塞杆整体的质，速度为撞击之后共同的速度，活塞缸具有阻尼的作用，PA是活塞上作用的缓冲力。
根据模型，建立其相应的动力学模型方程。
· （1）
在缓冲的过程中，作用在活塞上的压强为油压和气体被压缩产生的压强，因此缓冲器对撞击物体的缓冲力为阻尼孔产生的阻尼力和压缩气体的反弹力。
在物体撞击的过程中，液压油经过活塞上的多个阻尼孔，产生压力进而产生阻尼，其流量与压力之间的表达式为：
F阻尼 （2）
其中为泄流孔系数，A为活塞的受压面积，n为阻尼孔的个数，ρ 为液压油的密度。
在压缩的过程中，气体被压缩，产生压强的变化，导致作用在油面上的压强的变化。
在对本式的处理是减小活塞两端的轴的尺寸，这样由气体产生的压强变小，这个压力差很小。
（3）
最终的总的缓冲力为：
（4）
3 缓冲器试验结果和结论
为满足某企业的需求，缓冲器的性能参数，冲击质量3 kg，缓冲速度50 m/s，缓冲行程不大于150 mm。
在缓冲方案的处理上，采用活塞杆两端的直径相同，总的缓冲力简化为只与阻尼孔产生的力和摩擦力有关；缓冲器内采用46号液压油。减小油的粘度，使缓冲力减小，以提高高速缓冲的效果。
经过产品设计装配后，对缓冲器的性能进行了测试，测试内容为缓冲器的静态载荷曲线（见图3）和动态载荷曲线（见图4）。
通过试验数据，可以得到以下结论。
1）静态作用下，作用在缓冲器上的缓冲力为活塞和液压缸之间、活塞杆和活塞固定端的摩擦力。
2）物体在3 m/s和5 m/s时，缓冲力基本符合公式2的计算规律，说明在较小的相近速度下，泄流孔系数是基本不变的。
3）在速度高14 m/s的缓冲力与5 m/s的缓冲力不成对应的比例，说明在高速缓冲时，泄流孔系数急剧增大，导致缓冲力变小。
4）试验设施能力不足，无法对50 m/s的工件试验，但是可以推断设计基本符合要求。
参考文献
[1]白鹏英，乔军.双级气缸式弹射装置内弹道分析[J].现代防御技术，2007，35（4）：44-49.
[2]盛世超.液压流体力学[M].北京：机械工业出版社，1981.
[3]李明智.新型液气缓冲器的设计及分析[D].大连：大连海事大学，2010.
[4]章宏甲，周俊邦.金属切削机床液压传动[M].南京：江苏工业出版社，1980.
[5]日本液压气动协会.液压气动手册[M].北京：机械工业出版社，1984.
作者简介
王晓东（1964-），男，辽宁岫岩人，副教授，大学本科，硕士学位，研究方向：机械电子工程。
关键词 高速缓冲器；模型；缓冲性能
中图分类号：TP333 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）24-0058-02
在现代工业高速发展的今天，自动化设备及机械化设备需要高速运动、精准的动作；同时对设备的平稳性、安全性要求也更加苛刻。缓冲器作为大型设备上或高速自动化设备上的安全缓冲部件或者是执行部件，所起到的作用也越来越重要了。在众多的缓冲器种类中，液压缓冲器因其具有缓冲容量大、缓冲平稳和反弹力较小的特点，已经被广泛的应用在重型机械设备、钢铁设备及港口机械上，随着液压缓冲技术的成熟和发展，缓冲器应用的领域也在不断地拓宽。
目前，在缓冲器的机理和特性研究方面，国内外的研究人员对缓冲器采用了许多的模型和很多的分析手段，其目的是分析不同因素和参数对缓冲器的影响。但是很多是对现有的产品进行分析，分析的产品的缓冲速度以常规为主。在高速缓冲器方面的论述不多，较为流行的是双级缓冲器，采取不同腔体的压力，进行顺序缓冲，以增大缓冲行程，但是此种缓冲器只是针对大质量，低速度的缓冲。对于载荷质量小、高速度的工况下，研究和分析的不多。
本文针对质量小、高速度的缓冲器，根据流体力学和热力学的理论基础出发，建立了动力学计算模型，并分析了在缓冲过程中，缓冲力的组成，并对缓冲器的缓冲参数之间的关系进行了分析讨论。通过实验验证了理论和方法的正确性，具有重要的工程应用价值。
1 液压缓冲器结构和工作原理
1-撞头；2-活塞杆；3-外缸；4-内缸；5-活塞
图1 缓冲器结构简图
缓冲器的结构如图1所示。缓冲器由撞头1，活塞杆2，外缸3，内缸4，活塞5组成。当物体撞击撞头时，活塞杆被压缩，此时在活塞和内缸上的阻尼孔使活塞右端的油流出进入左腔内时，产生了缓冲力，同时因油流经小孔时流速较大，产生紊流，使油的内能增加，将撞击物体的动能直接转换为油的内能，在油室的上腔留有部分气体，在缓冲过程中，因压缩体积变小，导致气体因压力过大，溶于液压油中，增加了液压油的压缩性，大大减小缓冲器的刚性，使缓冲过程更加柔和，使缓冲器具有更好的缓冲性能。
2 缓冲器模型建立和缓冲力分析
2.1 初始碰撞
在物体碰撞到物体时由于缓冲器的作用，实现的是非弹性碰撞，亦即在碰撞时两者粘在一起。经过碰撞之后的物体与撞头、活塞杆、活塞一起以共同的速度继续前进，经过此次碰撞，缓冲能量产生一次损失。
2.2 撞击时的动态模型
在完成了初始撞击之后，液压油因被压缩，在油流经阻尼孔的时候，形成了缓冲力，这个过程较为复杂，其系统模型如图2所示。
图2 缓冲器活塞杆运动分析图
图中，m1是撞击物体质量，m2是活塞杆整体的质，速度为撞击之后共同的速度，活塞缸具有阻尼的作用，PA是活塞上作用的缓冲力。
根据模型，建立其相应的动力学模型方程。
· （1）
在缓冲的过程中，作用在活塞上的压强为油压和气体被压缩产生的压强，因此缓冲器对撞击物体的缓冲力为阻尼孔产生的阻尼力和压缩气体的反弹力。
在物体撞击的过程中，液压油经过活塞上的多个阻尼孔，产生压力进而产生阻尼，其流量与压力之间的表达式为：
F阻尼 （2）
其中为泄流孔系数，A为活塞的受压面积，n为阻尼孔的个数，ρ 为液压油的密度。
在压缩的过程中，气体被压缩，产生压强的变化，导致作用在油面上的压强的变化。
在对本式的处理是减小活塞两端的轴的尺寸，这样由气体产生的压强变小，这个压力差很小。
（3）
最终的总的缓冲力为：
（4）
3 缓冲器试验结果和结论
为满足某企业的需求，缓冲器的性能参数，冲击质量3 kg，缓冲速度50 m/s，缓冲行程不大于150 mm。
在缓冲方案的处理上，采用活塞杆两端的直径相同，总的缓冲力简化为只与阻尼孔产生的力和摩擦力有关；缓冲器内采用46号液压油。减小油的粘度，使缓冲力减小，以提高高速缓冲的效果。
经过产品设计装配后，对缓冲器的性能进行了测试，测试内容为缓冲器的静态载荷曲线（见图3）和动态载荷曲线（见图4）。
通过试验数据，可以得到以下结论。
1）静态作用下，作用在缓冲器上的缓冲力为活塞和液压缸之间、活塞杆和活塞固定端的摩擦力。
2）物体在3 m/s和5 m/s时，缓冲力基本符合公式2的计算规律，说明在较小的相近速度下，泄流孔系数是基本不变的。
3）在速度高14 m/s的缓冲力与5 m/s的缓冲力不成对应的比例，说明在高速缓冲时，泄流孔系数急剧增大，导致缓冲力变小。
4）试验设施能力不足，无法对50 m/s的工件试验，但是可以推断设计基本符合要求。
参考文献
[1]白鹏英，乔军.双级气缸式弹射装置内弹道分析[J].现代防御技术，2007，35（4）：44-49.
[2]盛世超.液压流体力学[M].北京：机械工业出版社，1981.
[3]李明智.新型液气缓冲器的设计及分析[D].大连：大连海事大学，2010.
[4]章宏甲，周俊邦.金属切削机床液压传动[M].南京：江苏工业出版社，1980.
[5]日本液压气动协会.液压气动手册[M].北京：机械工业出版社，1984.
作者简介
王晓东（1964-），男，辽宁岫岩人，副教授，大学本科，硕士学位，研究方向：机械电子工程。