張海平 2022.11

引言

終端緩沖是很多液壓缸的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用，歷史久遠(yuǎn)，也是幾乎所有液壓教科書必講的。可是，至今，中國(guó)很多液壓教科書，包括一些近年已出第 3、第 4 版的教科書，以及一些關(guān)于液壓缸的所謂專著，對(duì)其作用原理還在敘述，終端緩沖裝置“產(chǎn)生很大的阻力，使工作部件受到制動(dòng)而逐漸降低運(yùn)動(dòng)速度”。筆者認(rèn)為，這一敘述太膚淺了！

1）這一敘述缺乏液壓專業(yè)素養(yǎng)。阻力算得了什么，液壓（傳動(dòng)）技術(shù)就是為克服阻力而生的，幾億 N，甚至幾十億 N 的阻力也是液壓技術(shù)可以克服的。液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度不會(huì)因?yàn)?span style="">阻力而自動(dòng)降低。

2）對(duì)液壓缸而言，是流量決定速度。要改變液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度，就必須改變進(jìn)出液壓缸的流量。緩沖過(guò)程也不例外。

3）緩沖產(chǎn)生的阻力，必須也只能通過(guò)壓力來(lái)影響流量。

4）進(jìn)出液壓缸的流量是由其它液壓元件（泵、閥）控制的，所以，所控流量對(duì)壓力變化的敏感性就是一個(gè)關(guān)鍵的因素。

5）液壓缸所處的回路、相關(guān)元件工作參數(shù)的設(shè)定都會(huì)影響流量的壓力敏感性。因此，相同的緩沖裝置在不同的回路中得到的緩沖效果就可能不同。

6）對(duì)小學(xué)生可以說(shuō)，有了輪子，汽車就可以動(dòng)了。但對(duì)機(jī)械專業(yè)的大學(xué)生，這樣說(shuō)，就太膚淺了。至少應(yīng)該介紹說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后曲軸發(fā)生的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)變速箱、離合器，傳遞到輪子，汽車才會(huì)運(yùn)動(dòng)。所以，同樣，“阻力導(dǎo)致緩沖”的敘述對(duì)液壓專業(yè)的學(xué)生也太膚淺了。

如所周知，很多國(guó)產(chǎn)液壓元件與世界先進(jìn)水平相比，主要的差距不是在理論、原理和結(jié)構(gòu)，而是在細(xì)節(jié)，做不到完美。如果沒有搞清楚緩沖的本質(zhì)，各種影響因素，總是抱著大而化之，不求甚解，差不多的心態(tài)，那原理古老的終端緩沖也是做不完美的。筆者在德國(guó)工作期間所做的一個(gè)改進(jìn)，超越了世界大牌產(chǎn)品，獲得同事領(lǐng)導(dǎo)一致贊許，沿用 20 余年，就是基于對(duì)緩沖本質(zhì)的領(lǐng)悟。

深入追尋本質(zhì)的過(guò)程，也是一條重要的通向創(chuàng)新之路，為此，撰此文。

為了深入分析影響緩沖效果的因素，本文用“剛性”、“柔性”來(lái)描述液壓元件所控制的流量對(duì)壓力變化的敏感性。

液壓缸，既可以是缸筒固定，活塞桿運(yùn)動(dòng)，也可以是活塞桿固定，缸筒運(yùn)動(dòng)。所以， 以下，泛稱液壓缸運(yùn)動(dòng)。

1.問(wèn)題描述

液壓缸高速運(yùn)動(dòng)至終端時(shí)，如不減速，活塞撞擊端蓋，就會(huì)有噪聲，也可能會(huì)損壞端蓋連接等。為減緩撞擊，常設(shè)置緩沖裝置。

（1）緩沖裝置的結(jié)構(gòu)形式

緩沖裝置的結(jié)構(gòu)形式很多：節(jié)流口固定、可變、可調(diào)等等。緩沖腔形狀大致可分兩類（見圖 1）。其工藝特點(diǎn)不同，但作用原理相似。

a）柱形緩沖腔  b）環(huán)形緩沖腔 圖 1 不同結(jié)構(gòu)形式的終端緩沖裝置

1—液壓缸體 2—活塞 3—出口腔 4—端蓋 5—緩沖腔 6—緩沖頭

以下解釋以圖 1a 為例。

緩沖頭 6 的外徑比緩沖腔 5 的內(nèi)徑只略小一點(diǎn)。當(dāng)緩沖頭進(jìn)入緩沖腔之后，緩沖腔中的液壓油必須通過(guò)兩者間極小的縫隙（緩沖間隙）排出。因此，會(huì)對(duì)活塞的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力。

問(wèn)題是：產(chǎn)生了阻力，工作部件是否一定會(huì)降低速度？緩沖過(guò)程是怎樣的？受哪些因素影響？

（2）比較理想的緩沖過(guò)程

比較理想的緩沖過(guò)程應(yīng)大致如圖 2 所示。

 

圖 2 理想緩沖過(guò)程

X—活塞位移實(shí)測(cè)曲線 XC—緩沖行程 v—速度實(shí)測(cè)曲線 vCmax—允許撞擊速度 tC—緩沖時(shí)間  

1—緩沖開始點(diǎn) 2—緩沖結(jié)束點(diǎn)

1）活塞位移實(shí)測(cè)曲線在進(jìn)入緩沖時(shí)和整個(gè)緩沖過(guò)程中無(wú)明顯折點(diǎn)。

因?yàn)?span style="">位移曲線的折點(diǎn)意味著速度有突變，即減（加）速度極大，緩沖腔壓力極高， 會(huì)感覺到有撞擊和噪聲，可能大大超過(guò)許用壓力，甚至損壞端蓋連接等。

2）實(shí)際撞擊速度低于允許撞擊速度。

運(yùn)動(dòng)速度不可能通過(guò)緩沖降到零。因?yàn)椋?span style="">速度為零，意味著從緩沖腔流出的流量為零，則節(jié)流口造成的壓降為零，能形成的阻力也就為零。所以，只要驅(qū)動(dòng)腔壓力和負(fù)載力為正，無(wú)論緩沖行程多長(zhǎng)，都不可能使速度降到零。另外，端蓋連接也是能夠承受一定程度的撞擊的，所以，只要緩沖最終速度，也即實(shí)際撞擊速度，低于某個(gè)允許撞擊速度?Cmax 即可。

3）在滿足以上要求的前提下，

- 緩沖行程 XC 越短越好，因?yàn)檫@意味著緩沖腔較短，端蓋較薄，重量較輕；

- 緩沖時(shí)間 tC 越短越好，因?yàn)檫@意味著工作周期較短，生產(chǎn)效率較高。

2.基礎(chǔ)知識(shí)

液壓缸在穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)有兩個(gè)基本因果關(guān)系。

（1）負(fù)載（力）決定壓力

這里的負(fù)載，指的是通過(guò)活塞桿作用于活塞上的所有負(fù)載力的合力，加上活塞密封件運(yùn)動(dòng)時(shí)伴有的摩擦力，以下以 F 表示。

負(fù)載是因，壓力是果。

以下以 A 腔是驅(qū)動(dòng)腔，有正負(fù)載力為例進(jìn)行分析。

1）如果背壓可以忽略的話（見圖 3），則驅(qū)動(dòng)腔壓力

pA = F/AA

式中 AA——驅(qū)動(dòng)腔有效作用面積。

圖 3 背壓可忽略

2）如果背壓要考慮的話（見圖 4），則驅(qū)動(dòng)腔壓力

pA =（F + pBAB）/AA

式中 AB——腔 B 作用面積；

pB——腔 B 壓力。

圖 4 有背壓

無(wú)論是 F 增大還是 pB 增大，首先導(dǎo)致的直接后果也都只是 pA 增大。

（2）流量決定速度

1）單作用缸（見圖 5）在穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度

v=q/A

圖 5 單作用缸

2）雙作用缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，有兩個(gè)流量：進(jìn)口流量與出口流量（見圖 6），在穩(wěn)態(tài)時(shí)的速度

v=qA/AA = qB/AB

圖 6 雙作用缸

進(jìn)出液壓缸的流量是因，速度是果。只要流量不變，速度就不會(huì)變；要改變速度就必須改變流量！

3）如果速度v在瞬間與流量 q 不對(duì)應(yīng)，則相應(yīng)腔的壓力 p 會(huì)變化，變化速率

dp/dt =（q-vA）E/V

式中 A——該腔作用面積；

V——該腔容積；

E——液壓油彈性模量。

壓力變化，導(dǎo)致作用在活塞上的力不平衡，帶來(lái)加速度，引起速度改變。

在速度v改變期間，還要考慮包括工作部件在內(nèi)的所有運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量 m 的慣性。

以上這些因果關(guān)系，在緩沖過(guò)程中同樣存在。因此，緩沖效果與進(jìn)出液壓缸的流量的特性息息相關(guān)。

3.流量控制的壓力敏感性：剛性與柔性

進(jìn)出液壓缸的流量，是由其它液壓元件（泵、閥）控制的，對(duì)壓力變化的敏感性不同，姑且將之分為剛性和柔性。

所控流量，如果基本不隨壓力變化而變化，可算作剛性的；如果會(huì)隨壓力變化而明顯變化，則可算作柔性的。

有以下一些情況。

（1）流量源（泵源）

1）恒壓源輸出的流量是柔性的

例如，泵出口的溢流閥已開啟，或泵口有旁路節(jié)流口，旁路的流量會(huì)隨壓力變化， 那作為泵源提供的流量也會(huì)隨壓力變化，所以是柔性的。

恒壓變量泵（見圖 7），處于恒壓工況時(shí)，為保持出口壓力恒定，排量會(huì)隨出口壓力變，那輸出流量也是柔性的。

a） 圖形符號(hào)   b） 特性示意

圖 7 恒壓變量泵

1—最大排量工況  2—恒壓工況

進(jìn)入最大排量工況后，正常情況下，除內(nèi)泄漏會(huì)隨壓力增高而增大以外，輸出的流量基本恒定，是剛性的。

2）恒流量源輸出的流量是剛性的

定排量泵在恒轉(zhuǎn)速時(shí)，如果忽略原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化的波動(dòng)，忽略內(nèi)泄漏隨壓力變化的波動(dòng)，泵出口沒有其它旁路，安全閥也沒有開啟，這時(shí)，輸出的流量基本不隨泵口壓力變化，可以算作是剛性的。

在恒壓差變量泵（見圖 8）的出口接一個(gè)固定節(jié)流口 J，變量機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)排量， 保持節(jié)流口兩端壓差 pP-pLS 恒定（?pP）時(shí)，也就可以保持輸出流量 q 恒定，基本不受出口壓力影響，也可以算作是剛性的，也因此常被稱為恒流量泵。被用于負(fù)載敏感回路時(shí)，被稱作負(fù)載敏感泵。

圖 8 恒壓差變量泵

如果泵出口壓力很高，超過(guò)泵出口側(cè)安全閥的設(shè)定壓力，安全閥開啟，泵輸出的流量從安全閥旁路，那么這個(gè)流量源輸出的流量就從剛性轉(zhuǎn)變?yōu)?span style="">柔性的了。

（2）流量限制閥（口）

1）節(jié)流閥（口）限制的流量 q 隨兩端壓差?p 而變（見圖 9），所以，是柔性的。

圖 9 節(jié)流閥（口）的壓差流量特性

2）由二通流量閥限制的流量 q，在進(jìn)出口壓差?p 高于最低恒流壓差?pmin 時(shí)（見圖10），基本不隨?p 而改變，是剛性的。

圖 10 二通流量閥的壓差流量特性示意

Δpmin—最低恒流壓差

而在Δp 低于?pmin 時(shí)，可變節(jié)流口全開，二通流量閥成為兩個(gè)串聯(lián)的固定節(jié)流口， 流量 q 隨進(jìn)出口壓差Δp 而變，就是柔性的了。

3）多路閥

普通多路閥，即不含定壓差元件的，一般是閥芯上開有節(jié)流口，可同時(shí)作進(jìn)口和出口節(jié)流（見圖 11），所控制的流量隨壓力變化，是柔性的。

圖 11 普通多路閥

而帶有定壓差元件（壓力補(bǔ)償閥）的多路閥（又稱負(fù)載敏感閥）（見圖 12），其工作原理類似二通流量閥，可以控制流量保持一定程度不隨壓力變化，所以是剛性的。

圖 12 負(fù)載敏感閥

D—定壓差元件

常稱的負(fù)載敏感回路，實(shí)際上就是在多執(zhí)行器回路中應(yīng)用恒壓差變量泵和定壓差元件（負(fù)載敏感閥）：利用梭閥從各個(gè)定壓差元件后的負(fù)載壓力中，選出最高值，作為泵變量機(jī)構(gòu)的控制壓力，在一般工況下可以保持通過(guò)定壓差元件的流量剛性，大致不受負(fù)載壓力影響，詳見參考文獻(xiàn)[1]第 10 章。

4.流量控制的壓力敏感性對(duì)緩沖效果的影響

（1）單作用缸

例 1 用流量閥限制單作用缸下降速度（見圖 13）。

在緩沖頭進(jìn)入緩沖腔之后，因?yàn)榫彌_腔壓力增加，承擔(dān)了較多的負(fù)載力，所以， 出口腔壓力 pA 會(huì)降低，工況點(diǎn)從 1 移到 2。

如果使用的閥 V 是一個(gè)節(jié)流閥，其控制的流量是柔性的（曲線 A），那流量就會(huì)下降（1→2A），運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)相應(yīng)降低。

而如果使用的是二通流量閥，在 pA-p0 >Δpmin 時(shí)，所控制的流量是剛性的，流量基

本不會(huì)變化（1→2B），運(yùn)動(dòng)速度也就不會(huì)變化，在直到 pA-p0 <Δpmin 后，流量轉(zhuǎn)化為柔性。

a）系統(tǒng)示意       b）工況示意

圖 13 單作用缸，用流量閥 V 限制下降速度

1—未緩沖工況 2—緩沖工況 ?pmin—最低恒流壓差 A—節(jié)流閥 B—二通流量閥

（2）雙作用缸

進(jìn)出雙作用缸的兩個(gè)流量有不同的組合可能。

1）兩個(gè)流量都柔性的

壓力變化會(huì)引起流量變化，導(dǎo)致速度變化。

例 2 節(jié)流回路

用節(jié)流閥（進(jìn)口或出口節(jié)流）限制進(jìn)出液壓缸的流量（見圖 14），一般都工作在溢流閥已開啟的狀況。因此，所控制的流量是柔性的。緩沖造成的驅(qū)動(dòng)腔壓力升高， 會(huì)使流量降低，導(dǎo)致液壓缸運(yùn)動(dòng)速度降低。

a）進(jìn)口節(jié)流   b）出口節(jié)流

圖 14 節(jié)流調(diào)速回路

但是，如果在緩沖期間，驅(qū)動(dòng)腔始終與泵連接，保持著壓力，那就需要緩沖腔中有

較高的壓力去對(duì)抗驅(qū)動(dòng)腔中的壓力，緩沖間隙（口）就必須做得很小。

如果能在進(jìn)入緩沖前，提前切換換向閥，使驅(qū)動(dòng)腔卸荷，緩沖腔中需要的壓力就可以小得多，緩沖間隙（口）就可以做得略大些。對(duì)加工而言，可以方便很多。為此常采用位置開關(guān)監(jiān)測(cè)工件或活塞桿的位置，伺機(jī)發(fā)出信號(hào)。只是，緩沖時(shí)間一般本身就很短，常常僅幾百 ms。而位置開關(guān)給出信號(hào)后，控制電腦需要一定的響應(yīng)時(shí)間才能對(duì)換向閥給出切換信號(hào)，而換向閥切換也需要幾十，乃至上百 ms。在這段時(shí)間內(nèi)，壓力又怎樣變化，活塞又運(yùn)動(dòng)了多少？因此如何配合好，也是需要通過(guò)測(cè)試優(yōu)化的。

2）一個(gè)是剛性的，另一個(gè)是柔性的

剛性流量決定了液壓缸運(yùn)動(dòng)速度。要改變運(yùn)動(dòng)速度就必須改變剛性流量，或使剛性的變?yōu)?span style="">柔性的。

例 3 液壓缸容積回路

圖 15 所示意的回路，是一個(gè)世界大牌公司推薦的。為了節(jié)能，主回路中不設(shè)液阻——流量閥來(lái)限制流量—速度。溢流閥是為限制最大負(fù)載而設(shè)置的，僅起安全作用。在一般負(fù)載時(shí)，驅(qū)動(dòng)腔壓力 pA 低于溢流閥的開啟壓力 ps，溢流閥關(guān)閉，定量泵輸出的流量全部進(jìn)入液壓缸，因此，是剛性的。

a）回路示意     b）驅(qū)動(dòng)壓力變化過(guò)程              c）一個(gè)實(shí)測(cè)

圖 15 液壓缸容積回路

1—緩沖頭到達(dá)緩沖裝置前  2—溢流閥開啟  pA—驅(qū)動(dòng)腔壓力  ps—溢流閥設(shè)定壓力

因此，實(shí)際緩沖過(guò)程如下：

a)在緩沖頭進(jìn)入緩沖腔前，驅(qū)動(dòng)腔中的壓力 pA 由外負(fù)載決定（圖 15b 和 c 中階段1）；

b)在緩沖頭進(jìn)入緩沖腔后，緩沖腔中的壓力升高；

c）此壓力作用在活塞上，導(dǎo)致 pA 升高；

d)在 pA 未超過(guò)溢流閥的設(shè)定開啟壓力 p_S 前，溢流閥一直是關(guān)閉的。而控制兩組缸 的換向閥采用了串聯(lián)回路，相互自鎖，流量無(wú)其它路可逃，因此，一直是剛性的；這 就導(dǎo)致壓力驟升，出現(xiàn)圖 15c 中兩個(gè) 23MPa 的尖峰，（pS 設(shè)定為 20MPa，開啟有滯后）， 同時(shí)伴有撞擊聲。

e)直至 pA 升高到超過(guò)溢流閥的設(shè)定開啟壓力 p_S，溢流閥開啟（工況點(diǎn) 2）后，流量才會(huì)轉(zhuǎn)化成柔性的；這時(shí)進(jìn)入液壓缸的流量才會(huì)減少，液壓缸運(yùn)動(dòng)速度才會(huì)降低。

所以，即使液壓缸中設(shè)置了終端緩沖，也不一定就能避免沖擊。

順便提一句，液壓缸容積回路由于節(jié)能，近年來(lái)頗受青睞。在 2018 漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上各大液壓公司全都展出的電液作動(dòng)器，都采用了容積回路和變頻調(diào)速，詳見參考文獻(xiàn)[1]第 11 章。在 2022 年，有公司宣稱，它的電液作動(dòng)器已進(jìn)入獲利期。

例4 容積回路，雙缸順序動(dòng)作

主機(jī)工況同例３。但把兩個(gè)換向閥的壓力口并聯(lián)（見圖 16a），通過(guò)電腦的智能控制，在一個(gè)缸的緩沖頭到達(dá)緩沖腔之前，就切換換向閥，開啟壓力油去另一個(gè)缸的通道。這樣，在一個(gè)缸的緩沖頭進(jìn)入緩沖腔，阻力增大后，泵輸出的壓力油能分流進(jìn)入另一缸，切換過(guò)程就會(huì)柔和得多（見圖 16b）。

a） 回路示意   b） 實(shí) 測(cè)

圖 16 雙缸并聯(lián)

例 5 平衡閥

為了限制液壓缸在受到負(fù)負(fù)載力時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度，常使用平衡閥。

對(duì)平衡閥回路（見圖 17），決定運(yùn)動(dòng)速度的通常是輸入流量 qB。因?yàn)?span style="">輸入腔的壓力 pB 同時(shí)也是平衡閥的控制壓力，控制著平衡閥開口的大小。所以，如果運(yùn)動(dòng)速度與qB 不對(duì)應(yīng)，pB 就會(huì)發(fā)生變化，平衡閥的開口會(huì)相應(yīng)調(diào)節(jié)，逼迫輸出流量 qA 改變，從而改變運(yùn)動(dòng)速度（關(guān)于平衡閥的作用原理可見參考文獻(xiàn)[2]第 2 章）。

圖 17 平衡閥回路

因此，單從液壓缸-平衡閥的局部回路來(lái)看，在緩沖頭進(jìn)入緩沖腔后，緩沖腔壓力增加，運(yùn)動(dòng)速度不會(huì)因此而降低。

但從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，qB 是由系統(tǒng)中其它元件控制的。緩沖裝置造成的阻力，會(huì)使pB 增加。

如果 qB  是剛性的，不降低，則運(yùn)動(dòng)速度不會(huì)降低。

如果 qB 是柔性的，降低了，則運(yùn)動(dòng)速度會(huì)隨之降低。

3）進(jìn)出口兩個(gè)流量都是剛性的

這是非正常工況。一般兩者不會(huì)對(duì)應(yīng)，則活塞兩側(cè)壓力會(huì)發(fā)生劇變，直至某一側(cè)成為柔性的，比方說(shuō)，溢流閥開啟，管道爆裂等。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述可知：

1）雖然終端緩沖裝置會(huì)產(chǎn)生很大的阻力，液壓缸運(yùn)動(dòng)速度也不會(huì)自動(dòng)降低；

2）緩沖效果受控制流量的元件影響。因此，相同的緩沖裝置在不同的回路、元件、設(shè)置中的效果會(huì)不同；

3）實(shí)際緩沖過(guò)程還受工件慣量、初始速度、緩沖腔中油液粘度等其它多種因素影響；

4）所以，即使能降低速度，也不意味著，能在各種正常工況下，在十分有限的緩沖行程里，降到允許撞擊速度以下。

因此，緩沖裝置設(shè)計(jì)不容易做到一次完美。一般需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，考慮多因素地進(jìn)行估算，然后通過(guò)可能出現(xiàn)的各種實(shí)際工況做測(cè)試，酌情改進(jìn)。筆者考察過(guò)一個(gè)專業(yè)制造液壓缸超過(guò) 50 年的德國(guó)公司。為了估算緩沖結(jié)構(gòu)的參數(shù)，他們根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)編制出一個(gè) Exel 估算表格，考慮了近 20 個(gè)工況參數(shù)，也只能做到設(shè)計(jì)一次完美成功率約70%。

所以，在教科書中關(guān)于緩沖的作用原理最低限度應(yīng)該這么敘述：

“終端緩沖裝置對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻力會(huì)改變液壓缸內(nèi)的壓力狀況，在某些回路， 一定條件下，會(huì)減少進(jìn)出液壓缸的流量，從而降低運(yùn)動(dòng)速度，減緩撞擊。運(yùn)動(dòng)速度能 否降低，多大程度降低，不是僅由緩沖裝置的尺寸決定的，也與所處回路、相鄰元件 的設(shè)定值、初始速度、工作部件慣量、液壓油粘度及工況等密切相關(guān)。”

進(jìn)一步，可在液壓回路一章中對(duì)終端緩沖在各種回路中的作用原理進(jìn)行較詳細(xì)分析。

如果連作用原理，能否取得效果的前提條件都沒搞清楚，侈談各種緩沖結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，緩沖壓力曲線，又有何價(jià)值？

如果液壓教科書的編者，滿足于因循與匯編已有的教科書，既不參與實(shí)際工作， 到實(shí)踐中去檢驗(yàn)，做測(cè)試，也不讀文獻(xiàn)，深入思考，低級(jí)的錯(cuò)誤就會(huì)得以長(zhǎng)期流竄。

參考文獻(xiàn)

[1] 張海平. 液壓速度控制技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2] 張海平. 液壓平衡閥應(yīng)用技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

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