液压缸终端缓冲作用原理

引言

终端缓冲是很多液压缸的重要组成部分，被广泛应用，历史久远，也是几乎所有液压教科书必讲的。可是，至今，中国很多液压教科书，包括一些近年已出第 3、第 4 版的教科书，以及一些关于液压缸的所谓专著，对其作用原理还在叙述，终端缓冲装置“产生很大的阻力，使工作部件受到制动而逐渐降低运动速度”。笔者认为，这一叙述太肤浅了！

1）这一叙述缺乏液压专业素养。阻力算得了什么，液压（传动）技术就是为克服阻力而生的，几亿 N，甚至几十亿 N 的阻力也是液压技术可以克服的。液压缸的运动速度不会因为阻力而自动降低。

2）对液压缸而言，是流量决定速度。要改变液压缸的运动速度，就必须改变进出液压缸的流量。缓冲过程也不例外。

3）缓冲产生的阻力，必须也只能通过压力来影响流量。

4）进出液压缸的流量是由其它液压元件（泵、阀）控制的，所以，所控流量对压力变化的敏感性就是一个关键的因素。

5）液压缸所处的回路、相关元件工作参数的设定都会影响流量的压力敏感性。因此，相同的缓冲装置在不同的回路中得到的缓冲效果就可能不同。

6）对小学生可以说，有了轮子，汽车就可以动了。但对机械专业的大学生，这样说，就太肤浅了。至少应该介绍说，发动机点火后曲轴发生的旋转，通过变速箱、离合器，传递到轮子，汽车才会运动。所以，同样，“阻力导致缓冲”的叙述对液压专业的学生也太肤浅了。

如所周知，很多国产液压元件与世界先进水平相比，主要的差距不是在理论、原理和结构，而是在细节，做不到完美。如果没有搞清楚缓冲的本质，各种影响因素，总是抱着大而化之，不求甚解，差不多的心态，那原理古老的终端缓冲也是做不完美的。笔者在德国工作期间所做的一个改进，超越了世界大牌产品，获得同事领导一致赞许，沿用 20 余年，就是基于对缓冲本质的领悟。

深入追寻本质的过程，也是一条重要的通向创新之路，为此，撰此文。

为了深入分析影响缓冲效果的因素，本文用“刚性”、“柔性”来描述液压元件所控制的流量对压力变化的敏感性。

液压缸，既可以是缸筒固定，活塞杆运动，也可以是活塞杆固定，缸筒运动。所以， 以下，泛称液压缸运动。

1.问题描述

液压缸高速运动至终端时，如不减速，活塞撞击端盖，就会有噪声，也可能会损坏端盖连接等。为减缓撞击，常设置缓冲装置。

（1）缓冲装置的结构形式

缓冲装置的结构形式很多：节流口固定、可变、可调等等。缓冲腔形状大致可分两类（见图 1）。其工艺特点不同，但作用原理相似。

a）柱形缓冲腔  b）环形缓冲腔 图 1 不同结构形式的终端缓冲装置

1—液压缸体 2—活塞 3—出口腔 4—端盖 5—缓冲腔 6—缓冲头

以下解释以图 1a 为例。

缓冲头 6 的外径比缓冲腔 5 的内径只略小一点。当缓冲头进入缓冲腔之后，缓冲腔中的液压油必须通过两者间极小的缝隙（缓冲间隙）排出。因此，会对活塞的运动产生阻力。

问题是：产生了阻力，工作部件是否一定会降低速度？缓冲过程是怎样的？受哪些因素影响？

（2）比较理想的缓冲过程

比较理想的缓冲过程应大致如图 2 所示。

图 2 理想缓冲过程

X—活塞位移实测曲线 XC—缓冲行程 v—速度实测曲线 vCmax—允许撞击速度 tC—缓冲时间  

1—缓冲开始点 2—缓冲结束点

1）活塞位移实测曲线在进入缓冲时和整个缓冲过程中无明显折点。

因为位移曲线的折点意味着速度有突变，即减（加）速度极大，缓冲腔压力极高， 会感觉到有撞击和噪声，可能大大超过许用压力，甚至损坏端盖连接等。

2）实际撞击速度低于允许撞击速度。

运动速度不可能通过缓冲降到零。因为，速度为零，意味着从缓冲腔流出的流量为零，则节流口造成的压降为零，能形成的阻力也就为零。所以，只要驱动腔压力和负载力为正，无论缓冲行程多长，都不可能使速度降到零。另外，端盖连接也是能够承受一定程度的撞击的，所以，只要缓冲最终速度，也即实际撞击速度，低于某个允许撞击速度Cmax 即可。

3）在满足以上要求的前提下，

– 缓冲行程 XC 越短越好，因为这意味着缓冲腔较短，端盖较薄，重量较轻；

– 缓冲时间 tC 越短越好，因为这意味着工作周期较短，生产效率较高。

2.基础知识

液压缸在稳态运动时有两个基本因果关系。

（1）负载（力）决定压力

这里的负载，指的是通过活塞杆作用于活塞上的所有负载力的合力，加上活塞密封件运动时伴有的摩擦力，以下以 F 表示。

负载是因，压力是果。

以下以 A 腔是驱动腔，有正负载力为例进行分析。

1）如果背压可以忽略的话（见图 3），则驱动腔压力

pA = F/AA

式中 AA——驱动腔有效作用面积。

图 3 背压可忽略

2）如果背压要考虑的话（见图 4），则驱动腔压力

pA =（F + pBAB）/AA

式中 AB——腔 B 作用面积；

pB——腔 B 压力。

图 4 有背压

无论是 F 增大还是 pB 增大，首先导致的直接后果也都只是 pA 增大。

（2）流量决定速度

1）单作用缸（见图 5）在稳态运动时的速度

v=q/A

图 5 单作用缸

2）双作用缸运动时，有两个流量：进口流量与出口流量（见图 6），在稳态时的速度

v=qA/AA = qB/AB

图 6 双作用缸

进出液压缸的流量是因，速度是果。只要流量不变，速度就不会变；要改变速度就必须改变流量！

3）如果速度v在瞬间与流量 q 不对应，则相应腔的压力 p 会变化，变化速率

dp/dt =（q-vA）E/V

式中 A——该腔作用面积；

V——该腔容积；

E——液压油弹性模量。

压力变化，导致作用在活塞上的力不平衡，带来加速度，引起速度改变。

在速度v改变期间，还要考虑包括工作部件在内的所有运动部件的质量 m 的惯性。

以上这些因果关系，在缓冲过程中同样存在。因此，缓冲效果与进出液压缸的流量的特性息息相关。

3.流量控制的压力敏感性：刚性与柔性

进出液压缸的流量，是由其它液压元件（泵、阀）控制的，对压力变化的敏感性不同，姑且将之分为刚性和柔性。

所控流量，如果基本不随压力变化而变化，可算作刚性的；如果会随压力变化而明显变化，则可算作柔性的。

有以下一些情况。

（1）流量源（泵源）