一种具有金属3D打印迷宫式缓冲套的双向缓冲油缸

本发明属于智能制造装备产业，尤其涉及一种具有金属3d打印迷宫式缓冲套的双向缓冲油缸。

背景技术：

1、液压油缸在液压系统中主要是将液压能转变为机械能，使机械设备实现高压和大功率的运动。液压缸是现代制造行业和重大工程装备中众多主机的关键基础部件，在民用、冶金、军工、航空航天等领域应用极其广泛，如装备制造业(切削加工机床、锻压机、冲压机)、交通运输(汽车、飞机、高铁、物料搬运设备)、船舶工业(潜艇、军舰、船舶)、工程机械(如吊车、累车、压粧机、挖掘机、起重机)、冶金机械、建筑机械、矿山机械、轻工机械、坑钢机械等。

2、在液压系统中液压缸质量的好坏和性能的优劣直接影响主机工作性能及其使用寿命。不管液压系统其他部分设计的多么合理、其余元件何等精密，只要液压缸性能达不到要求，整个系统就达不到想要的效果。而对于中大型液压缸，其应用工况多为高压大载荷，负载质量较大且运动部件速度较快，活塞对端盖的冲击很大，会造成剧烈的撞击和噪声，甚至导致液压元件及液压系统的损坏，造成巨大的经济损失。

3、针对此类中大型液压油缸的冲击振动问题，需要设计安装缓冲装置来缓解冲击、减小振动。目前液压缸的缓冲形式有很多种，大致可以分为液压缸内部缓冲和液压缸外部缓冲两种。缸外缓冲，即在液压油路上设置用于控制流量和压力的阀，如节流阀、流量阀等；缸内缓冲，即在液压缸内部设计一个能控制回油面积的结构。由于缸外缓冲需要在油路上加其他阀件，结构复杂需较大的安装空间，且动态响应频率低；缸内缓冲结构简单，体积尺寸小，工作稳定可靠，故缸内缓冲应用的更为广泛。液压缸内部缓冲的原理是利用缓冲套和缓冲环之间的微小间隙形成回油阻力，将活塞的动能转换为热能散发，以较短行程吸收较大动能。目前液压缸内缓冲结构的缓冲效果受缓冲套和缓冲环的配合间隙影响较大，其配合间隙往往受到加工精度、安装精度、运动磨损等多重因素的影响，存在较大的设计不确定性，需要现场反复安装调试，不仅安装调试难度大，其缓冲控制效果也因运动过程间隙时变特性，存在较大的波动，难以满足中大型油缸在高速重载场合下安全平稳控制的需求。

4、液压油缸的一个典型应用为船闸快速液压启闭机油缸，特别是针对在启闭机中垂直摆放的、高速重载的液压油缸。在快速液压启闭机启工作过程中，液压启闭机闭门运动时，阀门下降速度最大可达到16m/min，是常规启闭机启闭速度的4-5倍，常规缓冲装置难以满足要求。高速运动的大惯性载荷，会产生比常规液压结构更大的系统冲击，如不采用有效的缓冲手段，可能会导致液压缸结构和液压系统的破坏。

5、传统油缸内缓冲结构主要有以下几种形式：圆柱形、台阶形、沟槽形、短笛形、抛物线形、圆锥形等。根据节流面积在缓冲过程中是否自动改变，将其分为恒节流面积缓冲和变节流面积缓冲两类。恒节流面积缓冲装置的特点是，在缓冲过程中，节流面积不随活塞位移的变化而变化，在缓冲开始阶段会产生很大的峰值压力和液压冲击，缓冲效果不好。变节流面积缓冲装置的特点是，在缓冲过程中，节流面积随着活塞位移的变化而变化，使得液压缸缓冲腔内压力能够基本保持均匀，或者呈现规律性变化，能够避免出现过高的液压冲击和峰值压力，从而获得所需要的缓冲性能。

6、不难发现现有油缸内缓冲技术中不论是恒节流面积缓冲，还是变节流面积缓冲，其原理都是利用缓冲套和缓冲环之间的配合间隙形成回油阻力，进而实现油缸的高速缓冲，而这种缓冲结构的缓冲效果受缓冲套和缓冲环配合间隙影响较大，往往受到加工精度、安装精度、运动磨损等多重因素的影响，存在较大的设计不确定性，其缓冲控制效果也因运动过程间隙时变特性，难以满足中大型油缸在高速重载场合下安全平稳控制的需求。

7、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

8、(1)现有的液压缓冲器的设计具有很大的不确定性，需要现场反复安装调试，不仅增加了安装调试的难度，而且其缓冲控制效果因运动过程间隙时变特性存在较大的波动。

9、(2)现有的液压缓冲器的缓冲效果不能够满足中大型液压油缸在高速重载场合下的安全平稳控制需求。

10、(3)复杂的缓冲装置设计：在液压油路上设置用于控制流量和压力的阀，如节流阀、流量阀等，需要较大的安装空间，且动态响应频率低。虽然液压缸内部的缓冲结构简单，体积尺寸小，工作稳定可靠，但在某些高速、重载的应用场景下，如船闸快速液压启闭机油缸，现有的缓冲装置可能无法满足要求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有金属3d打印迷宫式缓冲套的双向缓冲油缸。

2、本发明是这样实现的，一种具有金属3d打印迷宫式缓冲套的双向缓冲油缸，具有金属3d打印迷宫式缓冲套的双向缓冲油缸包括：

3、液压缸筒、活塞、半活塞、活塞杆、迷宫式缓冲套、缓冲环、缓冲环压盖、上端盖、下端盖、单向阀、缓冲腔、迷宫式流道、环形沟槽、排油腔、锥面柱塞头，所述液压缸缸筒与上下端盖以螺栓连接；所述活塞内置于缸筒内腔，活塞固定在活塞杆上；所述半活塞内置于缸筒内腔，半活塞固定在活塞杆上；所述迷宫式缓冲套安装于活塞端面位于液压缸有杆腔一侧，迷宫式缓冲套与活塞杆同轴配合，采用轴肩定位；所述缓冲环与迷宫式缓冲套为间隙配合；所述缓冲环压盖与下端盖螺纹连接；所述单向阀安装于下端盖中；所述锥面柱塞头位于液压缸无杠腔侧活塞端面处与活塞杆螺纹连接。

4、进一步，所述迷宫式缓冲套有六级缓冲，每级缓冲有三个缓冲迷宫流道，共有十八个迷宫流道，迷宫式缓冲套采用金属3d打印技术一次成型。

5、进一步，所述迷宫式缓冲套与液压杆相对静止，迷宫式缓冲套在活塞端面和活塞杆轴肩的约束下，不能沿轴向运动。

6、进一步，所述迷宫式缓冲套共有六个缓冲阶段，包括：

7、缓冲阶段1，迷宫式缓冲套六个口全开，此时节流面积最大，油缸活塞以最大速度进从缓冲环，开始进行机械缓冲的第一阶段；

8、缓冲阶段2，此阶段最短迷宫流道(第6级迷宫)此时完全越过缓冲环，进入油缸下端部分，在缓冲环与缓冲套的密封作用下，失去缓冲作用；

9、缓冲阶段3-5，此阶段为迷宫缓冲套的中间缓冲阶段，具体各阶段的缓冲效果与缓冲原理与前面基本一致，在此阶段过程中，第5-3级迷宫流道分别完全越过缓冲环，进入油缸下端部分，在缓冲环与缓冲套的密封作用下，失去缓冲作用；在缓冲阶段3-5，迷宫式缓冲套分别有4、3、2级迷宫缓冲流道起作用；

10、缓冲阶段6，在此缓冲阶段中，只有第1级缓冲迷宫流道起缓冲作用，其余缓冲流道完全越过缓冲环，进入油缸下端部分，在缓冲环与缓冲套的密封作用下，失去缓冲作用。

11、进一步，所述缓冲环内置于油缸下端盖中，通过缓冲环压盖和下端盖轴向固定；所述缓冲环面向缓冲腔的一侧内孔处设有圆锥面，机械缓冲开始前，缓冲环内壁上的圆锥面与迷宫式缓冲套的斜面形成的渐变环形缝隙起到初步缓冲作用，同时帮助迷宫式缓冲套快速对中；随着活塞的运动，圆锥面完全进入缓冲环，缓冲环内孔的圆柱面与迷宫式缓冲套的外圆表面形成极小的环形间隙，由于环形间隙极小，此时缓冲腔内的液压油基本只能通过迷宫式缓冲套上的六级节流小孔流入，经迷宫式缓冲套端面的环形沟槽流出。随着活塞的运动，迷宫式缓冲套上的第六级节流小孔在缓冲套和缓冲环的密封作用下被堵死，缓冲腔内的液压油只能通过迷宫式缓冲套上的五级节流小孔流入，经迷宫式缓冲套端面的环形沟槽流出，依次类推，直到第一级节流小孔被堵死，液压缸运动到行程终点，此时活塞速度已经降到行业标准。

12、进一步，所述单向阀安装于油缸下端盖中，在端盖上布置单向阀，使得进油时阀门开启，油液经过单向阀门快速到达活塞端面，直接作用于更大面积的推动面产生较大的推动力，加快开启速度。

13、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

14、第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

15、为解决快速液压启闭机油缸缓冲结构安装调试难、高速缓冲效果差等问题，本发明创新性设计了一种新型迷宫式缓冲套。新型迷宫式缓冲套的工作原理利用了固定节流阻尼的作用，当缓冲套插入端盖缓冲环后，活塞与油缸端盖之间形成封闭空间，封闭空间中液压油只能从迷宫式缓冲套上的节流小孔流出，从而在封闭空间造成高压，迫使活塞减速制动而实现缓冲。

16、第二，本发明包括的一种迷宫式缓冲套，与常规缓冲装置相比减小了缓冲过程中的峰值压力，降低了油缸行程终点活塞与端盖撞击产生的噪声，活塞速度变化更线性，更平稳，并可以通过仿真和试验设计和优化每级节流小孔的尺寸和位置，使得迷宫式缓冲套能应用于各种场合。由于迷宫式缓冲套节流面积可调节,故不存在缓冲过度的情况，其迷宫式流道细长、有对流的结构，与常规缓冲装置相比，缓冲行程更短，从而在不同的工况下迷宫式缓冲套都可以取得良好的缓冲效果。

17、本发明包括的一种迷宫式缓冲套，采用金属3d打印技术一次成型，结构简单，性能可靠，不需要依赖其他零件进行组装。迷宫式缓冲套安装简单，使用方便，既可以安装在有杆腔侧，也可以安装在无杆腔一侧，与常规缓冲装置相比，缓冲行程更短，且不需要进行反复调试。

18、本发明包括的一种缓冲环，结构简单，安装方便，与迷宫式缓冲套配合使用，可以起到堵塞节流小孔的作用，同时还起到导向和对中的作用，保证活塞杆的正常运行。

19、第三、作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现以下几个重要方面：

20、(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为:

21、该3d打印迷宫式缓存套非常适合于省水船闸快速液压启闭机，省水船闸中液压启闭机数目较多，用常规缓冲结构需要工况反复调试，需要消耗较大财力物力。单个3d打印迷宫式缓存套按4万元计算，一处省水船闸按100支液压缸计算，与常规缓冲装置相比，其带来的预期收益是非常可观的，商业价值非常明显。

22、(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白:

23、首次将金属3d打印技术应用到大载荷长行程液压缸的缓存结构中，解决了液压缸缓存结构现场调试不便、缓存不线性等问题。

24、(3)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

25、本发明解决快速液压启闭机油缸缓冲结构安装调试难、高速缓冲效果差等问题，同时减小了缓冲过程中的峰值压力，降低了油缸行程终点活塞与端盖撞击产生的噪声，活塞速度变化更线性，更平稳。