一种液压缸温度补偿装置的制作方法

本发明涉及液压调平回路，尤其是一种结构简单、自动补偿温度变化的温度补偿装置。

背景技术：

液压调平回路是液压系统中的一个典型回路，利用四根或多根液压缸实现机构的支撑和水平角度调整，在工程机械、国防军工等领域有着十分广泛的应用。但是在环境温差较大及多根油缸受热不均匀的场合，液压油由于热胀冷缩使液压缸伸长或缩短，导致设备调平精度受到影响，目前解决方案主要有三种，第一种主要应用在调平精度要求较高的场合，即当调平精度超出规定范围后重新启动液压系统进行再调平；第二种方案是对液压缸进行遮盖，避免太阳直接照射，间接减小液压缸的环境温差；第三种为机械锁紧油缸。第一种方案虽然可以解决问题，但在工作过程中重新调整水平必须中断现有工作，造成不必要的时间浪费和重复劳动。第二种方案只能缓解由于太阳照射造成的影响，而当环境温度整体变化时效果并不明显。第三种方案通过机械结构或高压油锁紧液压缸，虽然具有很高的精度保持能力，但结构复杂，成本高，不易实现。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种液压缸温度补偿装置，解决现有温度补偿装置结构复杂、成本高、不易实现问题。

具体的，本发明提供了一种液压缸温度补偿装置，包括活塞筒、活塞、端盖和弹簧；

所述活塞筒为圆筒状，一端与活塞筒的筒身整体制造，另一端开口，所述端盖安装在所述活塞筒的开口端，所述活塞安装在活塞筒内，所述弹簧位于活塞筒内，一端压在活塞上，另一端压在端盖上。

进一步地，所述活塞筒一端与活塞筒的筒身整体制造，其上开有与液压缸油口相连接的油口，另一端开口，与所述端盖螺纹连接。

进一步地，所述活塞直径与活塞筒相同，所述活塞上开有安装格莱圈和导向带的凹槽。

进一步地，还包括格莱圈和导向带；所述格莱圈安装在所述活塞的格莱圈凹槽内，起密封的作用，防止活塞筒泄漏；所述导向带安装于所述活塞的导向带凹槽内，用于导向。

进一步地，所述端盖上开孔，便于所述弹簧所在活塞筒侧与外界气体交换。

特别地，一种使用所述温度补偿装置的液压缸温度补偿方法，液压缸的无杆腔通过油口连接一个所述温度补偿装置；液压缸的有杆腔通过油口连接另一个所述温度补偿装置。

进一步地，所述连接液压缸无杆腔的温度补偿装置和连接液压缸有杆腔的温度补偿装置需满足：

$\frac{A_a}{A_b}=\sqrt{\frac{V_1{A}_1}{V_2{A}_2}}---\left(1\right)$

其中：A₁-液压缸无杆腔面积；A₂-液压缸有杆腔面积；V₁-无杆腔油液体积；V₂-有杆腔油液体积、A_a-无杆腔温度补偿装置活塞面积、A_b-有杆腔温度补偿装置活塞面积。

进一步地，使用过程为：液压缸的无杆腔和有杆腔分别通过油口连接至温度补偿装置A和温度补偿装置B的油口；液压缸的无杆腔和有杆腔分别通过管路与三位四通电磁阀相连接，连接无杆腔的管路上设置液压锁A和安全阀A，连接有杆腔的管路上设置液压锁B和安全阀B；

当液压缸的活塞杆需要伸出时，三位四通电磁阀的b位工作，压力油经三位四通电磁阀、液压锁A进入液压缸的无杆腔和温度补偿装置A；液压缸有杆腔中油和温度补偿装置B中的油液经液压锁B、三位四通电磁阀回到系统油箱；当液压缸伸出到位时，三位四通电磁阀回到中位，液压缸通过液压锁A和液压锁B锁止；此时，液压缸的无杆腔和温度补偿装置A中的压力相同，液压缸有杆腔和温度补偿装置B中的压力相同；液压缸锁止后，有杆腔和无杆腔形成封闭容腔，此时有：

p₁A₁-p₂A₂＝F_负载 (2)

其中，p₁-液压缸无杆腔压力；A₁-液压缸无杆腔面积；p₂-液压缸有杆腔压力；A₂-液压缸有杆腔面积；F_负载-负载力；

两腔的压力与温度补偿器的弹簧力达到平衡状态；

当环境温度升高Δt时，液压缸有杆腔和无杆腔容腔内液压油的体积和压力相应变化，原有平衡被打破，

无杆腔压力增量：

有杆腔压力增量：

V₁-无杆腔油液体积；V₂-有杆腔油液体积；α-液压油热膨胀率；K-液压油体积压缩系数、A_a-无杆腔温度补偿装置活塞面积、A_b-有杆腔温度补偿装置活塞面积、K_弹簧-弹簧的压缩系数；

则无杆腔和有杆腔的压力差为：

(p₁+Δp₁′)A₁-(p₂+Δp₂′)A₂＝

忽略液压油体积压缩系数，得到压力差：

由于液压缸有杆腔和无杆腔温度补偿装置活塞面积比因此式(6)为：

(p₁+Δp₁′)A₁-(p₂+Δp₂′)A₂＝p₁A₁-p₂A₂ (7)

则简化后得到：

Δp₁′A₁＝Δp₂′A₂ (8)

变化后的压力差与温度变化前的压力差相同，液压缸处于平衡状态。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种温度补偿装置，能够有效解决温度变化对液压缸伸出长度的影响，在调平精度要求高、需长时间保持的工作场合可广泛应用。通过液压缸参数及系统工作特性，选择适当面积比的压力补偿装置，即可实现对温度变化的自动补偿。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明的温度补偿装置整体结构图；

图2是本发明的温度补偿装置工作原理图。

图中：1-活塞筒、2-活塞、3-端盖、4-格莱圈、5-导向带、6-弹簧、7-液压缸、8-温度补偿装置A、9-温度补偿装置B、10-三位四通电磁阀、11-液压锁A、12-液压锁B、13-安全阀A、14-安全阀B、a-连接有杆腔的油口、b-连接无杆腔的油口、P-进油口、T-回油口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种液压缸温度补偿装置，如图1所示，包括活塞筒1、活塞2、端盖3、格莱圈4、导向带5和弹簧6。

活塞筒1为圆筒状，一端与圆筒的筒身整体制造，其上开有与液压缸油口相连接的油口，另一端开口，用于安装端盖3，与端盖3螺纹连接，便于拆卸。活塞2安装在活塞筒内，直径与活塞筒相同，活塞2上开有安装格莱圈4和导向带5的凹槽，格莱圈4起密封的作用，防止活塞筒泄漏，导向带5用于导向，防止活塞筒1与活塞2刚性接触磨损以及杂质颗粒对活塞筒1及格莱圈磨损。弹簧6位于活塞筒内，一端压在活塞2上，另一端压在端盖3上。端盖3上开孔，便于弹簧6所在活塞筒1侧与外界气体交换。

使用时，该温度补偿装置成对出现，如图2所示，分别连接调平回路中液压缸的有活塞杆的腔和活塞另一端的腔，即有杆腔和无杆腔。

当液压缸工作达到某一稳定时刻时，有

p₁A₁-p₂A₂＝F_负载 (1)

其中，p₁-液压缸无杆腔压力；A₁-液压缸无杆腔面积；p₂-液压缸有杆腔压力；A₂-液压缸有杆腔面积；F_负载-负载力。

由于液压油有膨胀性和可压缩性，当温度升高Δt时，液压缸有杆腔和无杆腔中的封闭油液会膨胀而导致压力升高。

无杆腔油液体积变化量：

ΔV₁＝αΔtV₁ (2)

无杆腔油液压力变化量：

${\mathrm{\Δp}}_1=\frac{\mathrm{\α}\mathrm{\Δ}t}{K}---\left(3\right)$

无杆腔油液体积变化量：

ΔV₂＝αΔtV₂ (4)

无杆腔油液压力变化量：

${\mathrm{\Δp}}_2=\frac{\mathrm{\α}\mathrm{\Δ}t}{K}---\left(5\right)$

式(2)-(5)中，V₁-无杆腔油液体积；V₂-有杆腔油液体积；α-液压油热膨胀率；K-液压油体积压缩系数。

由式(3)和(5)可见液压缸有杆腔和无杆腔在温度升高时压力增长量是相同的，但是液压缸有杆腔和无杆腔面积不同，且

A₁＞A₂ (6)

因此可知：

(p₁+Δp₁)A₁-(p₂+Δp₂)A₂＞F_负载 (7)

则说明液压缸的活塞受力不平衡，将导致活塞杆伸出，当多条液压缸受热不均匀时，每条活塞杆伸出量会有所不同，最终影响系统的调平精度。

当液压油温度升高Δt时，无杆腔、有杆腔压力升高，推动温度补偿装置活塞压缩弹簧，使两腔体积增大，释放由于温度升高而增大的油液体积。安装温度补偿装置后，液压油温度升高Δt后，

无杆腔压力增量：

${\mathrm{\Δp}}_1^{\′}=\frac{{\mathrm{\α\ΔtV}}_1-{\mathrm{\Δx}}_1{A}_a}{V_{1}K}---\left(8\right)$

有杆腔压力增量：

${\mathrm{\Δp}}_2^{\′}=\frac{{\mathrm{\α\ΔtV}}_1-{\mathrm{\Δx}}_2{A}_b}{V_{2}K}---\left(9\right)$

其中：Δx₁-无杆腔温度补偿装置活塞移动位移；Δx₂-有杆腔温度补偿装置活塞移动位移、A_a-无杆腔温度补偿装置活塞面积、A_b-有杆腔温度补偿装置活塞面积。

弹簧力增量与容腔压力增量相对应，因此：

即：

同理有：

其中：K_弹簧—弹簧的压缩系数。

将式(11)带入式(8)得无杆腔压力增量为：

将式(12)带入式(9)得有杆腔压力增量为：

若温度升高Δt后，液压缸仍维持原伸出长度，需保证

Δp₁′A₁＝Δp₂′A₂ (15)

因此，需要满足：

整理后得到：

式(17)中K为液压油的体积压缩系数，取值K＝(5～7)×10^-10m²/N，在工程中认为液压油是不可压缩的，因此式(17)中认为左侧为零。整理后得到：

$\frac{A_2}{V_1}{A}_a^2=\frac{A_1}{V_2}{A}_b^2---\left(18\right)$

即：

$\frac{A_a}{A_b}=\sqrt{\frac{V_1{A}_1}{V_2{A}_2}}---\left(19\right)$

由于液压缸有杆腔和无杆腔面积是定值，设备在调平工作时液压缸每次的伸出长度基本相同，即V₁和V₂也可以确定，因此只要在设计阶段确定液压缸有杆腔和无杆腔面积及液压缸工作长度即可确定有杆腔和无杆腔温度补偿装置的面积比，满足要求即可保证在温度变化时液压缸伸出长度保持恒定。

如图2所示，工作时，液压缸7的无杆腔和有杆腔分别通过油口连接至温度补偿装置A8和温度补偿装置B9的油口。液压缸7的无杆腔和有杆腔分别通过管路与三位四通电磁阀10相连接，连接无杆腔的管路上设置液压锁A11和安全阀A13，连接有杆腔的管路上设置液压锁B12和安全阀B14。液压锁用于控制管路的开闭。安全阀设定最高允许压力，当液压缸压力超过设定的最高压力值时，安全阀起跳，释放压力，对液压缸起保护作用。

当液压缸7的活塞杆需要伸出时，三位四通电磁阀10的连接无杆腔的油口b工作，压力油经三位四通电磁阀10、液压锁A11进入液压缸7的无杆腔和温度补偿装置A8。液压缸7有杆腔中油和温度补偿装置B9中的油液经液压锁B12、三位四通电磁阀10回到系统油箱。当液压缸伸出到位时，三位四通电磁阀10回到中位，液压缸7通过液压锁A11和液压锁B12锁止。此时，液压缸7的无杆腔和温度补偿装置A8中的压力相同，液压缸7有杆腔和温度补偿装置B9中的压力相同。液压缸7锁止后，有杆腔和无杆腔形成封闭容腔，此时有p₁A₁-p₂A₂＝F_负载，两腔的压力与温度补偿器的弹簧力达到平衡状态。当环境温度变化时，液压缸有杆腔和无杆腔容腔内液压油的体积和压力相应变化，原有平衡被打破。

由之前的推断，无杆腔压力增量：

有杆腔压力增量：

则无杆腔和有杆腔的压力差为：

忽略液压油体积压缩系数，得到压力差：

由于液压缸有杆腔和无杆腔温度补偿装置活塞面积比因此式(21)为：

(p₁+Δp₁′)A₁-(p₂+Δp₂′)A₂＝p₁A₁-p₂A₂ (22)

则简化后得到：

Δp₁′A₁＝Δp₂′A₂ (23)

变化后的压力差与温度变化前的压力差相同，说明温度变化并未改变液压缸的平衡状态。液压油温度升高或降低时，相对应的温度补偿装置内弹簧伸缩量发生改变，始终保证Δp₁′A₁＝Δp₂′A₂，则液压缸内活塞杆的伸出量保持不变。

综上所述，本发明提供了一种温度补偿装置，能够有效解决温度变化对液压缸伸出长度的影响，在调平精度要求高、需长时间保持的工作场合可广泛应用。通过液压缸参数及系统工作特性，选择适当面积比的压力补偿装置，即可实现对温度变化的自动补偿。

尽管已经结合优选的实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解的是在不违背本发明精神和实质的情况下，各种修正都是允许的，它们都落入本发明的权利要求的保护范围之中。