一种柱塞式气力缓冲器结构与性能研究

徐辉，露思宇，王希妍，王志军，孟春

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

一种柱塞式气力缓冲器结构与性能研究

徐辉，露思宇，王希妍，王志军，孟春*

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

提出一种用于起重机的新型柱塞式气力缓冲器。在对缓冲器结构分析的基础上，进行缓冲器缓冲性能实验。该气力缓冲器相对于目前市场上普遍使用的气力缓冲器显著的结构差异是：用柱塞上的换气组件和柱塞推杆上排气孔道代替了排气及换气阀门。该缓冲器结构简单、制造安装精度要求低、制造成本低。通过对缓冲器缓冲性能试验表明：柱塞式气力缓冲器的缓冲效率和衰减系数分别为46.88%和100.00%，显著高于弹簧、橡胶、弹簧-橡胶缓冲器，缓冲效率低于液压缓冲器，而衰减系数高于液压缓冲器。

起重机；柱塞式缓冲器；缓冲容量；缓冲效率；衰减系数

0 引言

桥式起重机大、小车由于其工作特点，经常发生高强度、高频率的碰撞，对起重机的安全产生影响[1-5]。缓冲器在桥式起重机中起着至关重要的安全保障作用，其作用是用来吸收起重机大车或小车运动到终点与轨端挡板相撞时[6]或两台起重机碰撞时的能量，达到减缓冲击、安全停车的目的[7-8]。目前广泛使用的缓冲器有弹簧缓冲器、摩擦缓冲器、液压缓冲器、橡胶缓冲器、聚氨酯缓冲器和气力缓冲器[9-11]。

弹簧缓冲器结构简单、适应性强，但其显著缺点是具有很强的“反弹力”，对起重机的结构影响比较大，只适用于运行速度较低的起重机；摩擦缓冲器能够使大多数摩擦转化为热能的动能，不会产生剧烈反弹，但有时可能会产生楔住现象，需要使环形弹簧内外环间维持良好的润滑状态，维护工作量较大；液压缓冲器能将全部或大部分动能转变成热能，不会产生反弹现象，但其结构较复杂，维护检修较麻烦，不宜用于碰撞频繁的场合。橡胶缓冲器能将30%～50%的动能转变成热能，不会剧烈的反弹现象，但温度适应性差，一般用于-30～+40 ℃；聚氨酯缓冲期缓冲性能好，缓冲过程平稳，但寿命较短，一般适用于-30～+60 ℃[12]。

气力缓冲器是以空气为缓冲介质，通过对空气的压缩实现吸收能量、缓冲的作用。气力缓冲器根据缓冲工作方式可分为有驱动缸类和无驱动缸类两种类型[13]。由于无驱动缸类缓冲器工作方式的缓冲是个难点，容易出现末端反弹，所以，有缸类缓冲器是气力缓冲器的主流。本文介绍一种有缸类柱塞式气压缓冲器结构，并通过实验研究其缓冲性能。

1 柱塞式气力缓冲器结构

柱塞式气力缓冲器主要结构如图1所示。它包括碰撞件柱塞推杆7和柱塞8，构成气室10及缓冲器机体的缸体5，缸体上有排气孔4，起密封作用的柱塞密封圈9(2个)和导杆密封圈12(2个)，起导向及在其中设计排气孔道3的导杆11，换气组件2，对导杆11起限位作用的导杆限位平键13和导杆限位圆环14，使柱塞复位的复位弹簧1，将缓冲器安装于起重机上的法兰盘6。

图1 缓冲器整体结构Fig.1 The overall structure of the buffer 1-复位弹簧；2-换气组件；3-排气孔道；4-排气孔；5-缸体；6-法兰盘；7-柱塞推杆；8-柱塞；9-柱塞密封圈；10-气室；11-导杆；12-导杆密封圈；13-导杆限位平键；14-导杆限位圆环

该缓冲器主要结构及性能参数为：缓冲行程0.06 m；缓冲容量604.00 Nm；最大缓冲力21 333.33 N。

柱塞式气力缓冲器的工作原理是：冲击载荷作用于柱塞推杆时，使柱塞推杆及柱塞右移，压缩密闭气室内空气，将冲击能转换成空气压力能；随着活塞的压缩，气室体积越来越小，空气压力越来越大，当柱塞压缩结束时，气室内压力最大，此时排气孔道与排气孔接通并开始排气，气室内空气压力快速降低；排气结束后，复位弹簧使柱塞推杆、柱塞、柱塞导杆恢复至冲击前的初始位置，在这个过程中，外界空气通过换气组件进入气室。

该气力缓冲器相对于目前市场上普遍使用的气力缓冲器，其显著的结构差异是：用柱塞上的换气组件和柱塞推杆上排气孔道代替了排气及换气阀门(如图2所示)。换气组件由橡胶环和金属环叠加在一起，套装在安装螺钉上，当缓冲器处于缓冲行程时，受气体压力作用，橡胶环和金属环贴紧换气孔，从而密闭了气室；缓冲器回复过程中，橡胶环和金属环与换气孔分离，外界空气通过换气孔进入气室。柱塞推杆上的排气孔道在缓冲行程接近终了时与气缸体上的排气孔接通，排出气室内的高压气体。此代替的优点是零部件的加工精度及安装精度显著降低，降低了缓冲器的制造成本。

该缓冲器设计缓冲容量为640 J，缓冲行程为60 mm，最大缓冲力为21.33 kN。

图2 换气组件与排气孔道Fig.2 Ventilation components and exhaust ports1-换气组件；2-排气孔道

2 柱塞式气力缓冲器缓冲性能

2.1 缓冲性能测试方法

利用珠海三思计量仪器有限公司生产的高性能智能电子万能试验机对缓冲器进行压力实验，分别通过力传感器和位移传感器测出试验力的大小和柱塞的位移，并得到载荷与位移关系曲线图。共进行3次试验，取3次试验平均值绘制缓冲曲线，如图3所示。通过分析缓冲曲线，采用“方格法”计算缓冲元件的性能评价指标：缓冲容量、缓冲效率和衰减系数[14]，计算方法见公式(1)～(3)。

E=S1-S2。

(1)

式中：E为缓冲容量；S1为压缩曲线与位移轴所围面积；S2为回复曲线与位移轴所围面积。

(2)

式中：ηE为缓冲效率，%；S3为最大缓冲力与缓冲行程构成的长方形面积，N·m。

(3)

式中：φE-衰减系数。

2.2 结果与分析

2.2.1 缓冲曲线

通过缓冲曲线图3可以看出，压缩曲线可分为3个阶段：缓冲阶段、排气阶段与回复阶段。缓冲阶段曲线并未呈现出理想状态下气体压力-容积的变化形态。这是由于缓冲器零部件众多，存在微量漏气和运行阻力变化等因素，导致在气体压缩阶段，即缓冲阶段曲线1呈现曲折上升形态，压缩终了时最大载荷为21 330N，此时，排气通路接通，气室内高压气体迅速排出，气室内压力迅速下降，排气阶段曲线2呈直线下降形态。

图3 试验缓冲曲线Fig.3 The curve of buffer test1-缓冲阶段；2-排气阶段；3-回复阶段

气力缓冲器相对于其他类型缓冲器的显著特点有两个，一是缓冲阶段终了时，气室内高压气体迅速排出，没有出现阀门(或溢流阀)型排气在此时出现的高压反弹情况；二是回复阶段曲线载荷为0，在缓冲曲线中表现在回复阶段曲线与位移轴线重合，本实验中，虽然存在复位弹簧，但由于复位弹簧刚性系数很小，在缓冲曲线中仍表现出回复阶段曲线与位移轴线重合，如图3所示。

2.2.2 缓冲特性

根据图2，采用方格法计算缓冲特性指标，结果为：缓冲容量600 J；缓冲效率46.88%；衰减系数100%。由于制造、安装精度问题，缓冲容量只达到设计的93.75%，但其偏差未超过10%，是可以接受的。导致缓冲容量为达到设计能力的原因可能是：①缓冲器密封件磨合时间短；②试验中，万能电子试验机运行速度低，冲击速度慢；③实验中缓冲器竖直放置，导致了进气孔处平垫片密封不严密。

相对于以弹簧、橡胶、弹簧-橡胶、液压各类型缓冲器，该柱塞式气力缓冲器的缓冲效率和衰减系数显著高于弹簧、橡胶、弹簧-橡胶等缓冲器[14-15]；缓冲效率低于液压缓冲器[16-18]，而衰减系数高于液压缓冲器(见表1)。液压缓冲器虽然缓冲效率很高，但制造安装要求精度高，而本文的柱塞式气压缓冲器安装精度要求低，且兼有衰减系数高于液压缓冲器的优点。鉴于本文柱塞式气压缓冲器的缓冲特性，可省去复杂的缓冲器电子控制系统[19-20]。

表1 缓冲性能比较

3 结论

本文提出了一种用于起重机的新型柱塞式气压缓冲器，通过对缓冲器结构和性能的分析得出如下结论：

(1)柱塞式气压缓冲器结构简单，制造安装精度要求低，制造成本低。

(2)柱塞式气压缓冲器的缓冲效率和衰减系数分别为46.9%和100%，显著高于弹簧、橡胶、弹簧-橡胶缓冲器；缓冲效率低于液压缓冲器，而衰减系数高于液压缓冲器。综合制造安装精度要求，柱塞式气压缓冲器优于其他各类型缓冲器。

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Study on Structure and Performance ofA Plunger Pneumatic Buffer

Xu Hui，Huang Fanyu，Lu Siyu，Wang Xiyan，Wang Zhijun，Meng Chun*

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

This paper presented a new type of plunger pneumatic buffer for the crane.The buffer performance test was carried out on the base of the analysis of the buffer structure.Compared to the commonly used pneumatic buffers in current market，the significant structural difference is that the ventilation component on plunger and exhaust ports on plunger push rod are replaced by exhaust and ventilation valve respectively.The plunger pneumatic buffer has the advantages of simple structure，low accuracy requirements for manufacture and installation as well as low manufacturing cost.The results of buffer performance test showed that the efficiency and attenuation coefficient of the buffer was 46.88% and 100.00% respectively，which were better than buffers with spring，rubber and spring-rubber.The efficiency of the proposed buffer is lower than hydraulic buffer，but the attenuation coefficient is relatively higher.

Crane；plunger type buffer；buffer capacity；buffer efficiency；attenuation coefficient

2016-07-26

徐辉，硕士研究生。研究方向：森林工程。

*通信作者：孟春，博士，副教授。研究方向：森林工程。

徐辉，露思宇，王希妍，等.一种柱塞式气力缓冲器结构与性能研究[J].森林工程，2017，33(4)：55-57.

TH 137.5

A

1001-005X(2017)04-0055-03

E-mail：504973901@qq.com