CN114017293A - 一种挤压油膜缓冲式液压执行机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的一种挤压油膜缓冲式液压执行机构，通过在机构柱塞上安装缓冲盘，在缓冲盘和缓冲盘底座之间有油垫。其工作原理为：当进油口A进油时，与挤压油膜腔相通的进油口B同时接通，在上下液压油压差、卸荷器弹簧力、自身重力综合作用下，柱塞向下运动，缓冲盘与凹槽之间的环形间隙形成挤压油膜，对柱塞实现缓冲。对柱塞进行运动分析和受力分析：柱塞运动到下限位时处于平衡状态，建立力的平衡方程并联立始末状态油膜厚度差的柱塞行程方程，来确定始末状态的油膜厚度。本发明提供的一种挤压油膜缓冲式液压执行机构，具有以下有益效果：有效的减小柱塞冲击，消除柱塞振荡，从而提高该机构的使用寿命和可靠性。

Description

一种挤压油膜缓冲式液压执行机构
技术领域
本发明涉及挤压油膜缓冲器领域，更具体地说，涉及一种带挤压油膜的液压执行机构。
背景技术
往复压缩机在我国石油化工行业中占有着重要的作用，应用相当广泛，目前越来越多的压缩机配套了气阀调节执行机构，该机构通过控制进气阀关闭时间来实现气缸压缩气量的调控。气阀调节执行机构为液压柱塞式，在使用过程中柱塞以极高的速度撞击顶杆，带动阀座因压叉巨大冲击力而产生冲击破坏；而且压叉与阀座之间出现多次冲击与反弹，在压叉与阀座之间形成交变应力，在交变应力的长期作用下，压叉与阀座的接触面产生疲劳破坏，大大降低了压叉和阀座的使用寿命和可靠性。由此可见，必须采取相应的措施减小压叉与阀座之间的冲击与振荡，提高压叉与阀座的使用寿命和可靠性。
挤压油膜阻尼是基于挤压油膜理论：当两平行板之间充满了油液，并且以一定速度相互靠近时，由于内部的液体不能及时排出，液体内部会产生挤压效应，并产生与平板形状有关的压力分布，该压力与平板靠近的速度有关，因而，形成平板运动的阻尼效应。油膜阻尼具有缓冲行程短、缓冲阻尼可变、缓冲力大、缓冲过程无反弹等优点，在相对较短的柱塞行程上可发挥其优点，具有良好的适应性。
本发明提出了一种挤压油膜缓冲式液压执行机构，利用挤压油膜的输出力和阻尼对柱塞末端行程进行缓冲,有效减小了柱塞冲击，提高了液压执行机构的使用寿命和可靠性。
发明内容
为了克服压叉冲击现象引起压叉和阀座使用寿命降低与可靠性下降，提出了在柱塞设置环形挤压油膜缓冲器的液压执行机构。
本发明解决上述问题采取的方案为：
一种挤压油膜缓冲式液压执行机构，其特征在于：
所述执行机构包括进油口A、O形圈、缸体一、进油口B、缸体二、漏油收集腔、漏油回收口、漏气收集腔、漏气回收口、缸体三、防尘块、防尘挡圈、顶杆、密封块、支架、密封块一、挡盖、挤压油膜腔、缓冲盘、柱塞、弹簧、液压油工作腔。
该机构通过固定螺栓与往复压缩机吸气阀阀盖固定，为了便于带有缓冲盘的柱塞的安装，特将上缸体分为缸体一和缸体二，通过螺栓与缸体三固定，缸体一中柱塞上部空间为液压油工作腔，与进油口A相通，控制着柱塞的顶出和撤回，弹簧置于液压油工作腔内，缸体二上部设有凹槽，带缓冲盘柱塞安装于凹槽内，缓冲盘与凹槽形成的空间为挤压油膜腔，与进油口B相通，缸体三挡圈下依次设有密封块一、支架、密封块、防尘块和防尘挡圈，顶杆下部凸出部分通过压盖安装于卸荷器内，上部滑设于缸体内，顶端与柱塞接触处设有漏油回收腔，并设有漏油回收口，在密封块与密封块一之间设有漏气回收腔，与漏气收集口相通。
所述柱塞与缓冲盘为一体式设计，能够有效的提高其使用寿命，缓冲盘下表面壁面设置有凸出结构，凹槽上壁面设置有凹入结构，所述的凸出结构与凹入结构相互配合，能够增强挤压效应。
应用所述的挤压油膜缓冲式液压执行机构的方法，其特征在于步骤如下：
1)初始状态为：顶杆一端通过压盖固定于卸荷器之内，另一端穿过密封块与密封块一位于缸体三挡圈处，且液压油工作腔内无油，柱塞上部弹簧处于预压缩状态，由于弹簧力的作用柱塞与顶杆接触。
2)当液压油通过进油口A进入液压油工作腔，在液压力的作用下推动柱塞沿液压油工作腔中心轴线向下运动，同时进油口B接通，液压油进入挤压油膜工作腔，所述的带缓冲盘的柱塞安装于缸体二内部，缓冲盘的下平面有凸出结构，缓冲盘下部凹槽平面设置有凹入结构，缓冲盘的下平面与凹槽平面之间充满液压油，当柱塞向下运动时，挤压油膜内的流体质点互相挤压，而产生了升高的压强将油液挤向四周，产生了液体的径向流动，压强升高产生了与柱塞运动方向相反的反推力。在初始时刻形成的油膜为初始油膜，该油膜厚度为δ1，经过液压油工作腔液压力、卸荷器内弹簧力、自身重力以及油膜阻尼力的综合作用下，经过一定时间，柱塞运动到下限位，在柱塞运动到下限位时形成的挤压油膜，这个油膜为最终挤压油膜，厚度为δ2。此时，顶杆带动卸荷器，完成顶开吸气阀阀片工作，工作时间为顶出时间Δt。
3)当液压油工作腔内液压油回流，液压油工作腔内压力降低，在卸荷器内弹簧力作用下，顶杆向柱塞方向撤回，推动柱塞向液压油工作腔内弹簧方向运动，当卸荷器内弹簧恢复预压缩量时，撤回完成，恢复初始状态。
4)重复步骤2)-3)。
柱塞缓冲盘与凹槽之间形成挤压油膜腔，当柱塞向下运动时，两平行平面间隙内油液分子互相挤压，导致油液内部产生压力，将两平面间隙内的油液推向四周，产生径向流动；柱塞的速度越大，两平面之间的空间变化梯度就越大，液体被推动的速度就越快，间隙内油液内部的压力也越高，柱塞所受的阻尼力就越大，阻碍柱塞的运动。
所述的挤压油膜缓冲式液压执行机构，柱塞的运动过程为：柱塞从初始位置开始，在液压力、弹簧力、自身重力的作于下，具有向下的加速度，且柱塞速度急剧增加，随后，随着挤压油膜的阻尼迅速增大，阻碍柱塞的运动，柱塞减速，直至运动到最终挤压油膜位置时，在液压力、弹簧力、自身重力与阻尼力的合力为零，柱塞处于受力平衡状态，速度减为零。与之接触的顶杆的速度随之减小，使得卸荷器压叉对阀座的冲击减小。
所述的挤压油膜缓冲式液压执行机构，柱塞半径为r1，缓冲盘半径为r2，柱塞运动速度为vz，柱塞的行程为H，实时油膜厚度为δ，挤压油膜的厚度δ1和δ2的设计过程如下：
1)确定顶出时间Δt
设压缩机的转速为n，工作周期
Figure BDA0003313256980000031
应保证顶出时间的合理范围为总周期的
Figure BDA0003313256980000032
则顶出时间
Figure BDA0003313256980000033
2)确定柱塞的重力G、所受的液压力FP、阻尼力FB和弹簧力Fx
设机构上控制腔面积为As，工作压力为Ps，则油压力FP＝Ps*As。
设带缓冲盘柱塞质量为m，柱塞的重力G＝mg。
设卸荷器内弹簧预压缩量为x1，顶出完成时的压缩量为x2，弹簧刚度系数为k，动力粘度为μ，则弹簧力Fx＝kx1+kx2。
油膜内部的油液流动层流流动以及挤压油膜的轴向挤压产生的流量与沿径向压差流动流量相等，径向变量为r，确定油膜阻尼力
Figure BDA0003313256980000034
Figure BDA0003313256980000035
当柱塞运动到下限位时，柱塞所受的油压力和自身重力之和等于卸荷器内弹簧力和阻尼力之和。
FP+G＝Fx+FB
3)根据确定的顶出时间Δt和柱塞位于下限位时处于受力平衡状态以及柱塞行程来设计挤压油膜的厚度δ1和δ2。
初始挤压油膜厚度δ1与最终挤压油膜厚度δ2之差为柱塞的行程H,故通过以下方程组即可计算挤压油膜初始厚度和最终厚度。
Figure BDA0003313256980000041
上式中各字母意义代表如下：
r1：柱塞半径；
r2：缓冲盘半径；
r：径向变量；
t：时间；
H：柱塞行程；
δ：实时油膜厚度；
δ1：初始挤压油膜厚度；
δ2：最终挤压油膜厚度；
Δt：顶出时间；
T：工作周期；
n：工作转速；
G:柱塞重力；
FP：液压力；
Fx:弹簧力
FB:阻尼力；
Ps：工作压力；
μ：动力粘度；
p(r)：压力；
g：重力加速度；
综上所述的缓冲盘与缸内凹槽形成的挤压油膜，缓冲盘下端面与缸内凹槽上端面相互平行，挤压油膜厚度均匀，挤压油膜内部压力与柱塞运动速度成正比，与油膜厚度的三次方成反比，当柱塞运动到下限位时，环形挤压油膜的厚度为最终厚度，最终油膜厚度的大小对缓冲作用起着决定性作用，在设计与工作时应严格保证该厚度，柱塞即将运动到下限位时的油膜厚度越薄，阻尼力迅速增大，柱塞的速度迅速减小，缓冲效果越好，能够减小冲击,但过小易发生干磨檫，应大于油液中杂质颗粒尺寸的两倍。
附图说明
图1为液压机构结构图；
图2为缓冲油膜原理图；
图3为柱塞始末状态图；
图4为柱塞受力图；
附图标记说明：
1：进油口A
2：O形圈
3：缸体一
4：进油口B
5：缸体二
6：漏油回收腔
7：漏油回收口
8：漏气回收腔
9：漏气回收口
10：缸体三
11：防尘块
12：防尘挡圈
13：顶杆
14：密封块
15：支架
16：密封块一
17：挡盖
18：挤压油膜腔
19：缓冲盘
20：柱塞
21：弹簧
22：液压油工作腔
23：凹槽
24：凸出结构
25：凹入结构
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明进行进一步说明：
实施例：一种挤压油膜缓冲式液压执行机构，呈分体式柱状结构，图1为该液压机构结构图，包括缸体一(3)、缸体二(5)、缸体三(10)、柱塞(20)、缓冲盘(19)、顶杆(13)、液压油工作腔(22)、挤压油膜腔(18)，共同组成挤压油膜缓冲结构，漏油回收口(7)和漏气回收口(9)分别与漏油回收腔(6)和漏气回收腔(8)相通，弹簧(21)的压缩力使得柱塞(20)与顶杆(13)接触，该装置常常用于往复压缩机工作。缸体通过螺栓与往复压缩机吸气阀阀盖固定，液压油通过进油口A(1)进入液压油工作腔(22)，推动柱塞(20)沿液压油工作腔中心轴线向下运动，同时进油口B(4)接通，缸体二(5)上部开有凹槽(23)，带缓冲盘的柱塞安装于凹槽内。缓冲盘下平面与凹槽上平面之间为挤压油膜腔(18)，带缓冲盘柱塞的运动就在两平面之间形成了挤压油膜，可以为柱塞即将达到下限位时减速，柱塞运动到下限位后，速度减小为零，完成顶出动作，之后液压油工作腔内液压油回流，液压油工作腔内压力降低，在卸荷器内弹簧作用下，顶杆推动柱塞向上运动，当柱塞返回到初始位置时完成一次工作循环。
图2为缓冲油膜原理图，根据此模型进行环形挤压油膜缓冲器的阻尼力EB的推导。做了线面两个假设：A)径向间隙较油膜度h小的多，液压油没有从径向间隙中流出，挤压油膜的油液流动为沿半径方向的放射状源流动：B)由于油膜厚度很小，油膜内部的油液流动层流流动。根据连续性原理：圆形挤压油膜的轴向挤压产生的流量与沿径向压差流动流量应相等。
图3为柱塞始末状态图，柱塞(20)置于凹槽(23)内，柱塞缓冲盘下平面与凹槽平面的间隙为挤压油膜腔(18)，与进油口B相接，缓冲盘下表面壁面设置有凸出结构(24)，凹槽上壁面设置有凹入结构(25)，所述的凸出结构与凹入结构相互配合，能够增强挤压效应。左侧为初始状态，此时，挤压油膜的厚度为初始挤压油膜厚度δ1，当提供工作压力之后，在受上部液压力、卸荷器内弹簧力、自身重力以及挤压油膜阻尼力的综合作用下，经过一定时间，柱塞运动到下限位，即右侧所示的末状态，挤压油膜的厚度为最终挤压油膜厚度δ2，柱塞的行程为H,此时柱塞(20)完全顶出，柱塞的速度减小为零，是一个静止状态，根据此状态柱塞的受力平衡来确定初始挤压油膜厚度δ1与最终挤压油膜厚度δ2。
图4是柱塞受力图，为图3右侧所示状态的受力分析图，当柱塞运动到下限位时，柱塞(20)速度减小到零达到平衡状态，柱塞在液压力FP、阻尼力FB、弹簧力Fx、自身重力G的综合作用下达到平衡状态。
本发明实施例中挤压油膜的厚度δ1和δ2的设计流程主要包括：
第一步：测量***结构相关尺寸和相关系数，如下表所示：
结构参数名称 符号 大小
转速/r/min n 375
柱塞半径/mm r<sub>1</sub> 7
缓冲盘半径/mm r<sub>2</sub> 15
柱塞质量/Kg m 1
工作压力/MPa P<sub>s</sub> 6
柱塞行程/mm H 3
卸荷器内弹簧预压缩量/mm x<sub>1</sub> 4.5
柱塞运动后弹簧压缩/mm x<sub>2</sub> 7.5
卸荷器内弹簧弹性系数N/m k 75000
重力加速度/m/s<sup>2</sup> g 10
上控制器腔面积/mm<sup>2</sup> A<sub>s</sub> 150
动力粘度/s*N/mm<sup>2</sup> μ 0.13*10<sup>-6</sup>
第二步：依上表数据，计算顶出时间和柱塞所受的阻尼力
顶出时间
Figure BDA0003313256980000071
油压力FP＝Ps*As＝6*106*150*10-6＝900N
重力G＝mg＝1*10＝10N
弹簧力Fx＝kx1+kx2＝75000*4.5*10-3+750003*10-3＝562.5N
当柱塞运动到下限位时
FP+G＝Fx+FB
故阻尼力FB＝FP+G-Fx＝900+10-562.5＝347.5N
第三步：确定初始厚度δ1和最终挤压油膜厚度δ2
Figure BDA0003313256980000081
解以上方程，δ1＝3.11，δ2＝0.11。在本实施例中，确定初始挤压油膜厚度为3.11mm，最终挤压油膜厚度为0.11mm。
综上所述，缸内缓冲盘平面和环形凹槽(23)平面之间形成挤压油膜腔(18)，平面与平面相互平行，挤压油膜各部分厚度均匀，应保证初始油膜厚度δ1为3.11mm和柱塞运动到下限位时挤压油膜的最终厚度δ2为0.11mm，初始油膜厚度δ1与最终厚度δ2之间的一段距离为柱塞的行程H，缓冲盘下表面壁面设置有凸出结构(24)，凹槽上壁面设置有凹入结构(25)，所述的凸出结构与凹入结构相互配合，能够增强挤压效应。
本发明提供的一种挤压油膜缓冲式液压执行机构结构简单，采用的环形挤压油膜阻尼，对于柱塞即将运动到下限位时具有有效的减速作用，将在一定程度上减轻压叉对卸荷器的撞击力，提高可靠性和使用寿命。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种挤压油膜缓冲式液压执行机构，其特征在于：
所述的液压机构呈分体式柱状结构，包括进油口A(1)、O形圈(2)、缸体一(3)、进油口B(4)、缸体二(5)、漏油收集腔(6)、漏油回收口(7)、漏气收集腔(8)、漏气回收口(9)、缸体三(10)、防尘块(11)、防尘挡圈(12)、顶杆(13)、密封块(14)、支架(15)、密封块一(16)、挡盖(17)、挤压油膜腔(18)、缓冲盘(19)、柱塞(20)、弹簧(21)、液压油工作腔(22)；
将上缸体分为缸体一(3)和缸体二(5)，通过螺栓与缸体三(10)固定，缸体一(3)中柱塞(20)上部空间为液压油工作腔(22)，与进油口A(1)相通，控制着柱塞(20)的顶出和撤回，弹簧(21)置于液压油工作腔(22)内，缸体二(5)上部设有凹槽(23)，带缓冲盘柱塞(20)安装于凹槽(23)内，缓冲盘(19)与凹槽形成的空间为挤压油膜腔(18)，与进油口B(4)相通，缸体三(10)挡圈下依次设有密封块一(16)、支架(15)、密封块(14)、防尘块(11)和防尘挡圈(12)，顶杆(13)下部凸出部分通过压盖安装于卸荷器内，上部安装于缸体内，顶端与柱塞(20)接触处设有漏油收集腔(6)，并设有漏油回收口(7)，在密封块(14)与密封块一(16)之间设有漏气回收腔(8)，与漏气收集口相通(9)。
2.根据权利要求1所述的挤压油膜缓冲式液压执行机构，在缓冲盘(19)下平面设有凸出结构(24)，在凹槽(23)平面设有与凸出结构相应的凹入结构(25)，凸出结构与凹入结构的配合，用以增强挤压效应。
3.根据权利要求1所述的挤压油膜缓冲式液压执行机构，其运动特征在于：
1)初始状态为：顶杆(13)一端通过压盖固定于卸荷器之内，另一端穿过密封块(14)与密封块一(16)位于缸体三(10)挡圈处，且液压油工作腔(22)内无油，柱塞(20)上部弹簧(21)处于预压缩状态，由于弹簧力的作用柱塞(20)与顶杆(13)接触；
2)当液压油通过进油口A(1)进入液压油工作腔(22)，在液压力的作用下推动柱塞沿液压油工作腔中心轴线向下运动，同时进油口B(4)接通，液压油进入挤压油膜工作腔(22)，所述的带缓冲盘的柱塞安装于缸体二内部，缓冲盘(19)的下平面与凹槽(23)平面之间充满液压油，当柱塞(20)向下运动时，挤压油膜内的流体质点互相挤压，而产生了升高的压强将油液挤向四周，产生了液体的径向流动，压强升高产生了与柱塞运动方向相反的反推力；在初始时刻形成的油膜为初始油膜，该油膜厚度为δ1，经过液压油工作腔(22)液压力、卸荷器内弹簧力、自身重力以及油膜阻尼力的综合作用下，经过一定时间，柱塞运动到下限位，在柱塞运动到下限位时形成的挤压油膜，这个油膜为最终挤压油膜，厚度为δ2；此时，顶杆(13)带动卸荷器，完成顶开吸气阀阀片工作，工作时间为顶出时间Δt；
3)当液压油工作腔(22)内液压油回流，液压油工作腔内压力降低，在卸荷器内弹簧力作用下，顶杆(13)向柱塞(20)方向撤回，推动柱塞向弹簧(21)方向运动；
4)重复步骤2)-3)。
4.根据权利要求1所述的挤压油膜缓冲式液压执行机构，其特征在于采用挤压油膜进行缓冲；柱塞(20)半径为r1，缓冲盘(19)半径为r2，柱塞(20)运动速度为vz，柱塞(20)的行程为H，实时油膜厚度为δ，初始挤压油膜厚度δ1与最终挤压油膜厚度δ2设计方法如下：
1)确定顶出时间Δt
设压缩机的转速为n，工作周期
Figure FDA0003313256970000021
应保证顶出时间的合理范围为总周期的
Figure FDA0003313256970000022
则顶出时间
Figure FDA0003313256970000023
2)确定柱塞(20)的重力G、所受的液压力FP、阻尼力FB和弹簧力Fx
设机构上控制腔面积为As，工作压力为Ps，则油压力FP＝Ps*As；
设带缓冲盘柱塞质量为m，柱塞的重力G＝mg；
设卸荷器内弹簧预压缩量为x1，顶出完成时的压缩量为x2，弹簧刚度系数为k，则弹簧力Fx＝kx1+kx2；
根据油膜厚度很小，油膜内部的油液流动层流流动以及挤压油膜的轴向挤压产生的流量与沿径向压差流动流量相等，径向变量为r，确定油膜阻尼力
Figure FDA0003313256970000024
Figure FDA0003313256970000025
3)根据确定的顶出时间Δt和柱塞(20)位于下限位时处于受力平衡状态以及柱塞行程来设计挤压油膜的厚度δ1和δ2；
初始挤压油膜厚度δ1与最终挤压油膜厚度δ2之差为柱塞(20)的行程H；当柱塞运动到下限位时，柱塞所受的油压力和自身重力之和等于卸荷器内弹簧力和阻尼力之和；故通过以下方程组即可计算挤压油膜初始厚度和最终厚度；
Figure FDA0003313256970000026
上式中各字母意义代表如下：
r1：柱塞半径；
r2：缓冲盘半径；
r：径向变量；
t：时间；
H：柱塞行程；
δ：实时油膜厚度；
δ1：初始挤压油膜厚度；
δ2：最终挤压油膜厚度；
Δt：顶出时间；
T：工作周期；
n：工作转速；
G:柱塞重力；
FP：液压力；
Fx:弹簧力
FB:阻尼力；
Ps：工作压力；
μ：动力粘度；
p(r)：压力；
g：重力加速度。
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