四腔室液压缸的结构设计及其应用

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(1. 燕山大学 河北省重型机械流体动力传输与控制实验室， 河北 秦皇岛　066004； 2. 燕山大学 机械工程学院， 河北 秦皇岛　066004)

引言

随着社会的发展，液压技术也在不断发展，在各个领域的应用也得到了不断地深化。与此同时，新型、节能的液压技术备受社会青睐。随着液压技术的发展，液压设备、系统、元件也在不断地得到创新和完善。执行元件为液压缸的系统，其工作性能受液压缸性能的影响较大，在这样的液压系统中，如果液压缸没有设计好，即使系统设计得再精密巧妙，整个系统的工作性能也将会受到很大的影响，达不到预期的效果甚至使系统无法工作。因此，液压缸的性能对于液压传动系统而言具有重要意义。

由于液压缸使用场合不同，为了满足不同的工作要求，就必须依据实际情况进行设计。传统的液压缸都是2个腔室， 现在3个腔室的组合液压缸也比较普遍[1]。常用的液压系统一般都存在速度变化和载荷变化，为了实现工作需求通常都会利用液压控制阀或者变量机构进行速度控制和压力控制来实现预期效果。本研究中的液压缸通过连接数字开关阀构成的DFCU(Digital Flow Control Unit)阀块来实现控制。可得到Nm种输出力，其中N为系统的压力级个数，m为液压缸工作腔的个数[6]，即四腔室液压缸在系统提供3个压力级别情况下可输出81种力。

1　四腔室液压缸结构

图1为四腔室液压缸原理的简图。该液压缸由1个大的单作用活塞缸和1个小的单作用活塞缸组合而成。大的单作用活塞缸的活塞杆做成空心的，兼做小的单作用活塞缸的缸筒，小的单作用活塞缸的活塞杆固定在大的单作用活塞缸的底盖上，因此小的单作用活塞缸的活塞杆固定不动，缸筒进行运动。这样，该液压缸被分为qA、qB、qC、qD4个腔室，其中qA、qC腔室通高压油时，在油压的作用下液压缸产生向上的作用力使活塞杆伸出，qB、qD腔室通高压油时，在油压的作用下液压缸产生向下的作用力使活塞杆缩回。

图1　四腔室液压缸原理简图

液压缸的结构形式如图2所示。本研究设计的液压缸应用在液压挖掘机的动臂上，因此采用耳环安装方式，小活塞缸的活塞杆用螺母固定在大活塞缸的后端盖上。缸筒与前后端盖用法兰连接，前端盖与前缸盖用法兰连接，后端盖与后缸盖用法兰连接，因此需要较长的螺栓固定。

1.耳环　2.大活塞杆　3.单唇形防尘圈　4.前缸盖　5、22.斯特封 6、10、23、25.导向环　7.前端盖　8、13.法兰　9.缸筒　11.大活塞 12、26.格莱圈　14.后端盖　15.后缸盖　16.螺母　17.垫片 18.小活塞杆　19.弹性挡圈　20.卡键帽　21.卡键　24.螺塞 27.小活塞　28.锁紧垫片　29.锁紧螺母图2　四腔室液压缸

2　四腔室液压缸控制模式

这台液压缸包含4个不同面积的腔室，其面积的相对比值是27∶9∶3∶1，2个腔室使液压缸活塞杆伸出，2个腔室使液压缸活塞杆缩回，依靠3种不同压力在液压缸4个腔室中变化下可以获得34=81种不同的输出力。

本液压缸的输出力计算公式如下：

F=(pASA-pBSB+pCSC-pDSD)×φ×η

(1)

各腔室的面积如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：φ—— 为液压缸的负载效率，一般取

φ=0.5～0.7

η—— 为液压缸的总效率，一般取

η=0.7～0.9

d—— 为小活塞杆直径

δC—— 为C腔壁厚

三种压力依次用字母表示为高压(H)、中压(M)、低压(L)。其压力控制模式为HHHH、HMMH、HMMM、HLHH、HLMH……MHHH、MHMH、MHMM、MMHH、MMMH……LHHH、LMHH、LMMH、LMMM、LLHMH……LLLL等81种控制模式。4个腔室分别用A、B、C、D表示，对其控制模式进行编码，3个压力分别用1、2、3表示，例如A腔连接高压(H)，B腔连接中压(M)，C腔连接低压(L)，D腔连接低压(L)，控制模式为HMLL可编码为3211。各控制模式编码的输出力如表1，负值表示液压缸缩回时油压对活塞产生的力。

表1　各控制模式编码下的输出力

(续表)

(续表)

(续表)

各控制模式编码的输出力从大到小依次分布如图3所示，可以看出四腔室液压缸的输出力基本上呈阶梯式输出，其波动较小。因此可以看出四腔室液压缸在变负载工况下，可使输出力与负载相适应减小能量损失，减小震动。

3　四腔室液压缸的控制及其应用

图4为连接液压缸与三种不同压力管线的DFCU阀块，此DFCU阀块由27个液压高速开关阀构成，A腔与各个压力级间安装4个液压高速开关阀，B腔与各个压力级间安装2个液压高速开关阀,C腔与各个压力级间安装2个液压高速开关阀,D腔与各个压力级间安装1个液压高速开关阀。安装不同规格的阀来实现流量控制，以减小能量损失。由它们来决定各腔室与各压力管线的连接与否。液压高速开关阀通过 PWM 信号控制，使阀芯打开与截止的时间比例不同(即占空比不同)来调节流量。利用接受或产生数字信号的计算机控制，不仅提高了控制的精度和稳定性，而且明显地降低了成本。

图5为四腔室液压缸液压控制系统简图，改变工作腔的压力即可产生不同的压力组合，从而使液压缸输出不同的力。

图4　 DFCU数字流体控制单元

图5　四腔室液压缸液压控制系统简图

一般情况下，在液压缸的速度和对外作用力变化时，需要调节供油压力和供油量或设计较为复杂的速度变换液压回路和负载变换液压回路，这样存在如下问题：增加设备成本，增加设备重量，增加液压系统的故障点，浪费液压能源，增加操作维护的困难，速度和负载变换稳定性差。

多腔室液压缸联合数字控制流体单元DFCU阀块，在变负载的工况下得到应用。在海洋动力产业上，利用波浪能转换为动力能再转换为电能，应用多腔室液压缸可实现高效率的波浪能吸收。在石油工业中的抽油机上，由于抽油杆的上升和下降过程中提升重量的不同，负载力不断变化；在液压挖掘机动臂系统中，由于提升角度的不断变化，负载力也在不断地变化。各种存在先小力输出后大力输出的液压系统中，如机床液压系统、推土机液压系统、铲运机液压系统等。还有在一些特殊的场合，例如升降舞台是大剧院配套设备，为给演员提供更好的艺术平台，给观众带来更好的视觉效果，有其特殊要求：必须保证动作平稳，因舞台承载人数不定，限载重量不定，场景需求不定， 另外承

载舞台的液压缸随着起升和下落过程中叉架角度的不断变化，其负载力也在不断变化，但是液压系统必须严格控制载荷变化对速度产生的干扰，而且从使用要求上，必须确保机械无冲击的平滑稳定运行。因此在这些特殊的场合，多腔室液压缸的应用将起到非常大的作用也会带来更好的效果。

4　结论

该液压缸具有4个腔室，活塞杆做成空腔兼做可移动缸体，通过改变工作腔室的组合以实现不同的受压面积，从而在系统提供的压力下产生不同的输出力，以适应变负载工况下的特殊要求。四腔室液压缸的应用不但可以提高效率，还可以节省空间和能源，使设备工作运行平稳，与使用比例阀控制伺服油缸的系统相比，降低了成本。本液压缸的设计也对相关近似产品的设计提供了积极的借鉴意义。

参考文献：

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