CN109268427B

CN109268427B - 一种冲击载荷自适应缓冲装置

Info

Publication number: CN109268427B
Application number: CN201811065266.9A
Authority: CN
Inventors: 李强; 韩晓明; 张鹏军; 刘杰; 梁兴旺
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2018-09-13
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2038-09-13
Also published as: CN109268427A

Abstract

本发明涉及一种液压变阻尼自适应缓冲装置，具体是一种冲击载荷自适应缓冲装置。包括储气筒和缓冲筒，储气筒密封设置在缓冲筒内，储气筒内设置有活塞，活塞一侧与储气筒形成I腔，活塞另一侧设置有活塞杆，活塞杆一端伸出储气筒；储气筒和缓冲筒之间设置有浮动活塞，浮动活塞把储气筒和缓冲筒之间的腔室分为II腔和III腔，储气筒和缓冲筒之间布置有缓冲活门和复位活门，缓冲活门由缓冲活门调节装置调节缓冲活门开度，复位活门由复位活门调节装置调节复位活门开度，缓冲活门和复位活门分别与I腔连通，并在I腔上设置有与外界连通的注液装置，II腔与缓冲活门上的流液孔连通，II腔与I腔之间设置有小流液孔，缓冲筒上设置有与III腔连通的注气装置。

Description

一种冲击载荷自适应缓冲装置

技术领域

本发明涉及一种液压变阻尼自适应缓冲装置，具体是一种冲击载荷自适应缓冲装置。

背景技术

工业技术的迅速发展，使汽车、飞机等交通运输工具，航天飞机发射器、武器发射装置、电机等动力机械，都向着高速重载的方向发展，冲击振动问题已经日益为设计者们所重视。在高速重载瞬态载荷的作用下，架座和载体要承受很大的冲击载荷，这往往导致设备过于笨重，机动性和稳定性变差，影响设备的寿命和人机环境。长期以来，为了有效克服瞬态冲击振动所带来的不利影响，先后提出来被动式、主动式和半主动式等缓冲装置。缓冲装置为阻尼元件与弹性元件的组合，阻尼元件负责消耗大部分的冲击能量，弹性元件将一部分冲击能量转化成弹性势能储存起来，用于将工作部件送回工作位置，从而将瞬态高峰值的冲击载荷转化为较为平缓的长程作用，改善设备的工作环境。目前普遍使用的缓冲器主要有弹簧式和液力式两种。弹簧式缓冲器由于其弹簧刚度不能改变，固其不能适应载荷的较大范围变动，而且无论何种弹簧都会因长期负载其弹性都会降低，进而降低或丧失缓冲性能。液力缓冲器是利用液体流经小孔或缝隙时产生的阻尼来衰减载体受到的冲击载荷。目前常用的液力缓冲器的流液孔的大小一般都是固定的，不能在工作过程中调节流液孔的大小，固其在缓冲的开始阶段往往会出现一个较大的阻力峰值，而在后期提供的阻力又往往过小，造成比较大的振动。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种冲击载荷自适应缓冲装置。

本发明采取以下技术方案：一种冲击载荷自适应缓冲装置，包括储气筒和缓冲筒，储气筒密封设置在缓冲筒内，储气筒内设置有活塞，活塞一侧与储气筒形成I腔，活塞另一侧设置有活塞杆，活塞杆一端伸出储气筒；储气筒和缓冲筒之间设置有浮动活塞，浮动活塞把储气筒和缓冲筒之间的腔室分为II腔和III腔，储气筒和缓冲筒之间布置有缓冲活门和复位活门，缓冲活门由缓冲活门调节装置调节缓冲活门开度，复位活门由复位活门调节装置调节复位活门开度，缓冲活门和复位活门分别与I腔连通，并在I腔上设置有与外界连通的注液装置，II腔与缓冲活门上的流液孔连通，II腔与I腔之间设置有小流液孔，缓冲筒上设置有与III腔连通的注气装置。

进一步的，缓冲活门调节装置包括缓冲活门调节电机和缓冲活门调节丝杠；所述的缓冲活门安装在基座上，基座上还装有弹簧挡圈I和调整螺筒I，调整螺筒I中有缓冲活门调节弹簧，当缓冲活门调节电机失效时，可通过手动的方式改变缓冲活门弹簧刚度，调整螺筒I与基座之间有O形圈I密封；缓冲活门与弹簧挡圈I之间通过缓冲活门弹簧的预压力保持活门的开度，弹簧挡圈I与缓冲活门调节丝杠固连，缓冲活门调节丝杠与锥齿螺母I通过螺纹连接，锥齿螺母I可通过传动锥齿轮I在轴承I中转动，从而带动缓冲活门调节丝杠移动，进而改变缓冲活门弹簧刚度，缓冲活门调节电机通过减速箱I带动传动锥齿轮I工作。

进一步的，复位活门调节装置包括复位活门调节丝杠和复位活门调节电机；端盖上装有复位活门、弹簧挡圈II和调整螺筒II，复位活门与弹簧挡圈II之间通过复位活门弹簧的预压力保持活门开度，调整螺筒II与端盖之间有O形圈II密封，调整螺筒II中有复位活门调节弹簧，当复位活门调节电机失效时，可通过手动方式改变复位活门弹簧刚度；弹簧挡圈II与复位活门调节丝杠固连，复位活门调节丝杠与锥齿螺母II通过螺纹连接，锥齿螺母II可通过传动锥齿轮II在轴承II中转动，从而带动复位活门调节丝杠移动，进而改变复位活门弹簧刚度，复位活门调节电机通过减速箱II带动传动锥齿轮II工作。

进一步的，缓冲筒一端由端盖密封，端盖上开有与注液装置连通的孔，缓冲筒另一端设置有衬套，衬套套在缓冲筒和储气筒之间，衬套外侧设置有密封圈和紧塞套，紧塞套外侧设置有固定在缓冲筒端部的紧固端盖，紧固端盖外侧旋紧有螺盘，螺盘与紧固端盖设置有垫片I。

进一步的，活塞周侧设置有一圈活塞密封圈。

进一步的，浮动活塞上设置有浮动活塞密封圈。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.提高了液压阻尼缓冲器及其半主动缓冲系统的自适应性。由于本发明公开的集成可自适应改变活门大小的液压阻尼缓冲器及其自适应缓冲方法构成的各种半主动缓冲系统，具有受控对象后坐状况自感知、阻尼比连续可调、后坐自动控制等特性，综合体现系统的自适应缓冲功能，进一步提高系统半主阻尼缓冲的自适应性能。

2.简化基于液压阻尼器的半主动缓冲系统的复杂程度，降低系统的成本造价。运用本发明所述的集成可自适应改变活门大小的液压阻尼缓冲器及其自适应缓冲方法构成的各种半主动缓冲系统，将其应用到实际被控对象上，而没有像其他的半主动缓冲器所有的用于检测被控对象主体与承载体之间相对运动的各种传感器及电子线路，提高整个半主动缓冲系统结构的集成度和可靠性，降低系统在设备及安装与维护方面的成本造价，更容易实现半主动缓冲系统阻尼力的调节，形成被控对象的自适应控制。

3.提高基于液压阻尼器的半主动缓冲系统的可靠性、稳定性。本发明使可根据运动情况自适应改变大小的活门，避免了使用传感器及电子线路被直接暴露于各种被控对象所处的恶劣工作环境之中而受到各种外界环境（如机械碰撞、风沙雨淋等）的干扰及可能引起的缓冲器工作性能下降，从而提高缓冲器的抗外界环境的干扰能力，增强控制器的缓冲控制效果，在整体上保证并提高自适应缓冲系统的工作可靠性和稳定性，延长系统的使用寿命。

4.集成可自适应改变活门大小的液压阻尼缓冲器及其自适应缓冲方法构成的各种半主动缓冲系统，具有机构简单，加工方便，质量轻，维修简单，可靠性高以及安全性好等特点。

附图说明

图1是本发明的一种实施结构示意图；

图2是图1实施的活门结构示意图；

图3是图1实施的活塞杆密封装置结构示意图；

图4活门结构计算减化示意图；

图5活门弹簧的

-h曲线图；

其中：1-端盖，2-缓冲活门调节装置，3-缓冲活门，4-流液孔，5-小流液孔，6-缓冲筒，7-储气筒，8-II腔，9-活塞杆，10-浮动活塞，11-III腔，12-注气装置，13-密封圈，14-活塞杆密封装置，15-垫片I，16-衬套，17-浮动活塞密封圈，18-活塞，19-活塞密封圈，20-I腔，21-复位活门，22-注液装置，23-复位活门调节装置，24-缓冲活门调节电机，25-减速箱I，26-轴承I，27-传动锥齿轮I，28-锥齿螺母I，29-缓冲活门调节丝杠，30-缓冲活门调节弹簧，31-调整螺筒I，32-O型圈I，33-基座，34-弹簧挡圈I，35-缓冲活门弹簧，36-复位活门弹簧，37-弹簧挡圈II，38-复位活门调节丝杠，39- O型圈II，40-调整螺筒II，41-复位活门调节弹簧，42-电机座，43-复位活门调节电机，44-减速箱II，45-传动锥齿轮II，46-锥齿螺母II，47-轴承II，48-垫片II，49-紧塞套，50-紧固端盖，51-密封圈，52-螺套，53-螺盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：

如图1所示，一种冲击载荷自适应缓冲装置，包括储气筒7和缓冲筒6，储气筒7密封设置在缓冲筒内，储气筒7内设置有活塞18，活塞18一侧与储气筒7形成I腔20，活塞18另一侧设置有活塞杆9，活塞杆9一端伸出储气筒；储气筒7和缓冲筒6之间设置有浮动活塞10，浮动活塞10把储气筒7和缓冲筒6之间的腔室分为II腔8和III腔11，储气筒7和缓冲筒6之间布置有缓冲活门3和复位活门21，缓冲活门3由缓冲活门调节装置2调节缓冲活门开度，复位活门21由复位活门调节电机43调节复位活门开度，缓冲活门3和复位活门21分别与I腔20连通，并在I腔20上设置有与外界连通的注液装置22，II腔8与缓冲活门3上的流液孔4连通，II腔8与I腔20之间设置有小流液孔5，缓冲筒6上设置有与III腔11连通的注气装置12。

如图2所示，缓冲活门3由缓冲活门调节装置2调节活门开度；缓冲活门调节装置2包括缓冲活门调节电机24和缓冲活门调节丝杠29；基座33上装有缓冲活门3、弹簧挡圈I34和调整螺筒I31，缓冲活门3与弹簧挡圈I34之间通过缓冲活门弹簧35的预压力保持活门的开度，调整螺筒I31与基座33之间有O形圈I32密封；弹簧挡圈I34与缓冲活门调节丝杠29固连，缓冲活门调节丝杠29与锥齿螺母I28通过螺纹连接，锥齿螺母I28可通过传动锥齿轮I27在轴承I26中转动，从而带动缓冲活门调节丝杠29移动，改变缓冲活门弹簧35刚度，缓冲活门调节电机24通过减速箱I25带动传动锥齿轮I27工作；调整螺筒I31中有缓冲活门调节弹簧30，当缓冲活门调节电机24失效时，可通过手动的方式改变缓冲活门弹簧35刚度。

如图2所示，复位活门21由复位活门调节装置23调节活门开度；复位活门调节装置23包括复位活门调节丝杠38和复位活门调节电机43；端盖1上装有复位活门21、弹簧挡圈II37和调整螺筒II40，复位活门21与弹簧挡圈II37之间通过复位活门弹簧36的预压力保持活门开度，调整螺筒II40与端盖1之间有O形圈II39密封；弹簧挡圈II37与复位活门调节丝杠38固连，复位活门调节丝杠38与锥齿螺母II46通过螺纹连接，锥齿螺母II46可通过传动锥齿轮II45在轴承II47中转动，从而带动复位活门调节丝杠38移动，改变复位活门弹簧36刚度，复位活门调节电机43通过减速箱II44带动传动锥齿轮II45工作；调整螺筒II40中有复位活门调节弹簧41，当复位活门调节电机43失效时，可通过手动方式改变复位活门弹簧36刚度。

缓冲筒6一端由端盖1密封，端盖1上开有与注液装置22连通的孔，缓冲筒6另一端设置有衬套16，衬套16套在缓冲筒6和储气筒7之间，衬套16外侧设置有密封圈13和紧塞套49，紧塞套49外侧设置有固定在缓冲筒6端部的紧固端盖50，紧固端盖50外侧旋紧有螺盘53，螺盘53与紧固端盖50设置有垫片I 15。

活塞18周侧设置有一圈活塞密封圈19。浮动活塞10上设置有浮动活塞密封圈17。

本发明所述的自适应缓冲装置的核心是自适应改变大小的活门，在其他结构应经确定的情况下，活门的开度由内筒和外筒液体的压力差和弹簧控制，要实现比较理想的缓冲效果，就必须合理的选择活门弹簧。

设缓冲器提供的运动阻力为F：

式中：

-作用于活塞杆活塞上的液体压力；

-活塞杆活塞的工作面积；

-活塞杆活塞紧塞具的摩擦力；

-活塞杆紧塞具的摩擦力。

令

为活门的液压损失，则

式中：

-活门前的液体压力；

-活门后的液体压力；K-液压阻力系数；

-缓冲液的密度；

-流液孔面积；V-活塞杆的运动速度。

活门造成的液压阻力

为：

浮动活塞的受力平衡条件为：

式中：

-浮动活塞左侧受到的液体压力；

-浮动活塞的工作面积；

-浮动活塞右侧受到的气体压力；

-浮动活塞紧塞具的摩擦力；

-浮动活塞的惯性力。

令

式中：

是液流的沿程损失和局部损失所造成的液压阻力之和（不包括活门所造成的液压阻力）。

若略去浮动活塞的惯性力，整理可得缓冲器提供的运动阻力F为：

式中：A、B、C、D皆为常系数。

由运动阻力F的方程可得：

以给定的条件求出活塞杆运动速度V和活塞杆行程X的关系，那么以活塞杆行程X为自变量，可以求得K/

与X的关系。

活门的结构形式可以近似地认为是一个弹簧控制下的平底节流阀（图4），平底节流阀的阻力系数

随节流阀的开度的关系可根据机械设计手册查得。由阻力系数

计算的压力降为：

式中：

为液流通过管道D(面积为

)的流速。换算成通过流液孔

(面积为

)的流速时，阻力系数K应是：

对应一定的活门开度，阻力系数和流液孔面积的平方比有一定数值，因此可以做出

曲线。和

曲线联系起来，就可以得到所要求的活门开度h随活塞杆行程X变化的

关系。

以活门为研究对象，设活门开度为h时弹簧力为

，则活门的平衡方程为：

或

式中

为活门后到浮动活塞间的液体压力损失，所以活门平衡方程又可写为：

从上面的公式可以看出：

是缓冲器气室压力，是后座行程的函数；缓冲器结构一定时

是速度平方的函数；当由制动图作出了缓冲器变化规律

-X时，对应的

所要求的流液孔

的活门开度h应由弹簧力

来保证。在前面已经得出

和

的关系或曲线，现在又从活门平衡方程得出了弹簧力

和活塞杆行程X的关系

,因此就可以得出既满足活门平衡又满足阻力规律要求的弹簧力

对应的活门开度h，这就是我们所需要的弹簧力的特性线。

对于实际的弹簧，其弹簧力为：

式中

-弹簧初力；

-弹簧刚度系数。

上面由阻力规律，运动方程，阻力方程与活门平衡方程及变化的阻力系数所得出的

-h关系通常是一条曲线，因此需要作出一条直线，使其与曲线的误差最小，并根据这条直线所给出的

及

来设计弹簧（图5）。当载荷比较大时，活门弹簧的簧力要求比较大，为使结构紧凑，所以在这种情况下一般采用蝶形弹簧。

在选择弹簧参数时，必须先对上面计算所得的

-h曲线进行分析，首先是看按

-h曲线设计弹簧有没有困难，对阻力规律和活门结构尺寸需要进行什么修改。譬如由

-h曲线表明的弹簧初力较大，而刚度较小，由此选择的弹簧的轴向长度太长，或对应的最大阻力

点的活门开度

较小，则可以考虑改变阻力变化规律；如果最大弹簧力过高，将会使弹簧的横向尺寸过大，可以适当减小活门孔径D。从活门平衡方程可以看出，弹簧力

是孔径D的平方的函数。弹簧初力

应大于弹簧装配时的预压力，以减小活门的撞击。经过反复调整，以便取得比较合适的弹簧参数。

从实验知道，活门式的缓冲装置，在运动开始阶段有一个阻力尖峰。它主要是由于液体，活门及浮动活塞的惯性引起的，尤其是活门的惯性影响较大，应为在缓冲加速阶段，活门惯性力使活门前的液压有一个比较大的增量。这些在建立活门平衡方程时是没有考虑的。为了减小阻力尖峰，在设计活门时，应该在满足强度的情况下，尽量减轻活门的重量。

本发明所公开的集成可变大小流液孔的液压阻尼缓冲器自适应反后坐方法如下：

1.缓冲器的活塞杆外端和外筒分别连接在工作部件和载体上。

2.工作时，工作部件带动活塞杆一起运动，活塞杆上的活塞压缩I腔中的液体，使I腔内的压力增大，与外筒内的液体形成压力差，此时复位活门关闭，缓冲活门打开，液体流经缓冲活门进入外筒，推动浮动活塞向后运动压缩 III腔内的气体并存储复位能量。缓冲活门开度的大小取决于内筒和外筒液体的压力差和弹簧刚度的大小。流经活门的液流速度越高，流动损失就越大，活门两边的液体压力差也越大，因此活门开度也越大。而流液孔面积增大后，使流液损失减小，因而活门两边液体压力差减小，又会使活门开度变小。这样在缓冲过程中，活门开度是自动调节的，使得运动阻力的变化趋于平缓，这是其他缓冲装置难以实现的。

3. 后坐到位后，在气腔III气压的作用下，推动浮动活塞压缩II腔内的液体，使缓冲活门关闭，同时推开复位活门，液体流入内筒，推动活塞及活塞杆复位。

辅助可变大小流液孔，主要有两个作用；

（1）调节运动过程中内外筒之间的液体压力差，进而辅助控制以实现阻力平台效应和复位运动的平稳性；

（2）控制缓冲装置的自适用性，使其满足不同设备和运动情况下都能实现阻力平台效应。

Claims

1.一种冲击载荷自适应缓冲装置，其特征在于：包括储气筒（7）和缓冲筒（6），储气筒（7）密封设置在缓冲筒内，储气筒（7）内设置有活塞（18），活塞（18）一侧与储气筒（7）形成I腔（20），活塞（18）另一侧设置有活塞杆（9），活塞杆（9）一端伸出储气筒；储气筒（7）和缓冲筒（6）之间设置有浮动活塞（10），浮动活塞（10）把储气筒（7）和缓冲筒（6）之间的腔室分为II腔（8）和III腔（11），储气筒（7）和缓冲筒（6）之间布置有缓冲活门（3）和复位活门（21），缓冲活门（3）由缓冲活门调节装置（2）调节缓冲活门开度，复位活门（21）由复位活门调节装置（23）调节复位活门开度，缓冲活门（3）和复位活门（21）分别与I腔（20）连通，并在I腔（20）上设置有与外界连通的注液装置（22），II腔（8）与缓冲活门（3）上的流液孔（4）连通，II腔（8）与I腔（20）之间设置有小流液孔（5），缓冲筒（6）上设置有与III腔（11）连通的注气装置（12）；

所述的缓冲活门调节装置（2）包括缓冲活门调节电机（24）和缓冲活门调节丝杠（29）；所述的缓冲活门（3）安装在基座（33）上，基座（33）上还装有弹簧挡圈I（34）和调整螺筒I（31），调整螺筒I（31）中有缓冲活门调节弹簧（30），调整螺筒I（31）与基座（33）之间有O形圈I（32）密封；缓冲活门（3）与弹簧挡圈I（34）之间通过缓冲活门弹簧（35）的预压力保持活门的开度，弹簧挡圈I（34）与缓冲活门调节丝杠（29）固连，缓冲活门调节丝杠（29）与锥齿螺母I（28）通过螺纹连接，锥齿螺母I（28）可通过传动锥齿轮I（27）在轴承I（26）中转动，从而带动缓冲活门调节丝杠（29）移动，进而改变缓冲活门弹簧（35）刚度，缓冲活门调节电机（24）通过减速箱I（25）带动传动锥齿轮I（27）工作。

2.根据权利要求1所述的冲击载荷自适应缓冲装置，其特征在于：所述的复位活门调节装置（23）包括复位活门调节丝杠（38）和复位活门调节电机（43）；端盖（1）上装有复位活门（21）、弹簧挡圈II（37）和调整螺筒II（40），复位活门（21）与弹簧挡圈II（37）之间通过复位活门弹簧（36）的预压力保持活门开度，调整螺筒II（40）与端盖（1）之间有O形圈II（39）密封，调整螺筒II（40）中有复位活门调节弹簧（41），弹簧挡圈II（37）与复位活门调节丝杠（38）固连，复位活门调节丝杠（38）与锥齿螺母II（46）通过螺纹连接，锥齿螺母II（46）可通过传动锥齿轮II（45）在轴承II（47）中转动，从而带动复位活门调节丝杠（38）移动，进而改变复位活门弹簧（36）刚度，复位活门调节电机（43）通过减速箱II（44）带动传动锥齿轮II（45）工作。

3.根据权利要求2所述的冲击载荷自适应缓冲装置，其特征在于：所述的缓冲筒（6）一端由端盖（1）密封，端盖（1）上开有与注液装置（22）连通的孔，缓冲筒（6）另一端设置有衬套（16），衬套（16）套在缓冲筒（6）和储气筒（7）之间，衬套（16）外侧设置有密封圈（13）和紧塞套（49），紧塞套（49）外侧设置有固定在缓冲筒（6）端部的紧固端盖（50），紧固端盖（50）外侧旋紧有螺盘（53），螺盘（53）与紧固端盖（50）设置有垫片I （15）。

4.根据权利要求3所述的冲击载荷自适应缓冲装置，其特征在于：所述的活塞（18）周侧设置有一圈活塞密封圈（19）。

5.根据权利要求4所述的冲击载荷自适应缓冲装置，其特征在于：所述的浮动活塞（10）上设置有浮动活塞密封圈（17）。