關(guān)于抱活塞桿式機(jī)械鎖緊油缸的研究

牟 均

（四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646099）

1 概述

眾所周知的自卸汽車或自卸清潔車的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，采用多級(jí)液壓缸將裝有負(fù)載的貨廂舉升或放下，依靠液壓系統(tǒng)中的液壓鎖將裝有負(fù)載的貨廂鎖在舉升或下放過(guò)程的任意角度位置上。根據(jù)鎖緊方式的不同，液壓鎖緊一般有兩種，一種是利用液壓控制元件進(jìn)行鎖緊，目前常用的鎖緊元件有換向閥、液控單向和平衡閥鎖緊回路等；另一種是在液壓缸上設(shè)置機(jī)械鎖緊裝置，如鋼球鎖緊液壓缸，可實(shí)現(xiàn)在一端或兩端進(jìn)行機(jī)械鎖緊，碟簧鎖緊液壓缸，可實(shí)現(xiàn)在任意位置機(jī)械鎖緊等。

上述鎖緊方式，無(wú)論是利用液壓控制元件進(jìn)行鎖緊，還是利用機(jī)械方式進(jìn)行鎖緊，均具有一定的局限性，碟簧鎖緊液壓缸雖可實(shí)現(xiàn)在任意位置機(jī)械鎖緊，但鎖緊力較小、結(jié)構(gòu)尺寸較大，鋼球鎖緊液壓缸只能在固定位置進(jìn)行機(jī)械鎖緊，無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意位置鎖緊；利用液壓控制元件可實(shí)現(xiàn)液壓缸在任意位置鎖緊功能，但由于液壓缸及鎖緊控制元件(液壓閥等)不可避免存在一定程度內(nèi)泄漏，以及液壓油的可壓縮性，尤其是長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，液壓缸存在軟退現(xiàn)象。對(duì)于平臺(tái)要求長(zhǎng)時(shí)間保持調(diào)平精度，會(huì)由于鎖緊的不可靠而失去調(diào)平精度，使系統(tǒng)失去基準(zhǔn)，甚至在一些對(duì)鎖緊安全性要求較高的場(chǎng)合，會(huì)因?yàn)殒i緊控制元件的失效(如泄漏、卡滯等)而造成功能喪失甚至安全事故。

因此，研究液壓缸實(shí)現(xiàn)任意位置機(jī)械鎖緊，一直都是液壓行業(yè)的難題，多年來(lái)液壓工作者一直在進(jìn)行研究與探索，本文所討論的抱活塞桿式機(jī)械鎖緊油缸是為某重型車載設(shè)備而研制的，考慮到承載能力和通過(guò)性兩方面的要求，對(duì)鎖緊缸的設(shè)計(jì)要求為：總長(zhǎng)1750mm，行程500mm，外徑296mm，鎖緊力23t。

2 結(jié)構(gòu)和工作原理

抱活塞桿式機(jī)械鎖緊油缸為過(guò)盈外鎖緊型液壓缸，其結(jié)構(gòu)與普通液壓缸基本一致，由缸筒體、活塞、活塞桿、抱緊機(jī)構(gòu)（外鎖緊套）、導(dǎo)向套、密封圈等部分組成。

抱活塞桿式機(jī)械鎖緊油缸是在缸筒有桿腔一端連接上抱緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)通過(guò)開(kāi)鎖腔油口將抱緊機(jī)構(gòu)內(nèi)充人高壓油時(shí)，高壓油將抱緊機(jī)構(gòu)撐開(kāi)產(chǎn)生彈性變形，使抱緊機(jī)構(gòu)和活塞桿之間形成間隙，此時(shí)抱活塞桿式機(jī)械鎖緊油缸與普通液壓缸一樣，活塞桿可以正常往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)抱緊機(jī)構(gòu)內(nèi)無(wú)壓時(shí)，抱緊機(jī)構(gòu)與活塞桿為過(guò)盈配合，抱緊機(jī)構(gòu)將活塞桿緊緊抱住，并形成強(qiáng)大的正壓力。抱活塞桿式機(jī)械鎖緊油缸的鎖緊力為23T，抱緊機(jī)構(gòu)解鎖壓力35MPa。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算步驟

缸體和抱緊機(jī)構(gòu)均可看作厚壁圓筒[1，2]，由材料力學(xué)或彈性力學(xué)知識(shí)容易推出鎖緊缸的主要設(shè)計(jì)公式：

1）解鎖壓力。解鎖壓力實(shí)際上就是油缸在鎖緊狀態(tài)時(shí)抱緊機(jī)構(gòu)與活塞桿之間由于過(guò)盈而產(chǎn)生的壓力，這個(gè)壓力主要由鎖緊力及抱緊機(jī)構(gòu)尺寸來(lái)確定。

其中F為設(shè)計(jì)鎖緊力；D為缸體內(nèi)徑；L為抱緊機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度；f為抱緊機(jī)構(gòu)與活塞桿的摩擦系數(shù)。

2）過(guò)盈量。過(guò)盈量是鎖緊油缸的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，它的正確與否決定了油缸制造的成敗。

其中E1、μ1為缸體彈性模量及泊松比；E2、μ2為抱緊機(jī)構(gòu)彈性模量及泊松比；δ為缸體壁厚；D1為抱緊機(jī)構(gòu)內(nèi)徑。

3）實(shí)際過(guò)盈量及解鎖壓力。

其中n為鎖緊安全系數(shù)。

3.4缸體和抱緊機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核

其中[δ1]、[δ2]分別為缸體及抱緊機(jī)構(gòu)的許用應(yīng)力。

由公式1可知，當(dāng)解鎖壓力一定時(shí)，設(shè)計(jì)鎖緊力越大，則DL值越大，液壓缸的外形尺寸越大。

4 關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展方向研究

過(guò)盈鎖緊型液壓缸的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾點(diǎn)：

1）鎖緊力和開(kāi)鎖壓力。鎖緊力反映了液壓缸的鎖緊性能，過(guò)盈鎖緊型液壓缸的鎖緊力就是活塞桿與抱緊機(jī)構(gòu)之間產(chǎn)生的摩擦力，摩擦力為摩擦表面的正壓力、摩擦系數(shù)和摩擦面積三者的乘積。鎖緊力的設(shè)計(jì)計(jì)算必須綜合考慮上述三方面的因素，在滿足要求的情況下，盡量減小結(jié)構(gòu)尺寸，并留較大的安全余量，在測(cè)試鎖緊力時(shí)，為避免加工尺寸公差和形位公差造成的影響，應(yīng)在全行程內(nèi)分段進(jìn)行測(cè)試。開(kāi)鎖壓力的合理設(shè)計(jì)是保證液壓缸可靠解鎖的另一個(gè)關(guān)鍵因素，在液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸一定的情況下，開(kāi)鎖壓力與摩擦表面的正壓力成正比，開(kāi)鎖壓力過(guò)高，系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)，開(kāi)鎖壓力過(guò)低，又直接影響鎖緊力的大小，因此，開(kāi)鎖壓力必須與鎖緊力的設(shè)計(jì)綜合考慮。

2）抱緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和材料選擇。由于液壓缸的開(kāi)鎖壓力和鎖緊力取決于抱緊機(jī)構(gòu)、活塞桿的結(jié)構(gòu)尺寸及抱緊機(jī)構(gòu)與活塞桿的材料性能，抱緊機(jī)構(gòu)安裝在缸筒上，一般采用圓筒狀結(jié)構(gòu)，其尺寸受到液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的限制，不能無(wú)限擴(kuò)大或縮小，因此其材料特性和過(guò)盈量的選擇是保證其可靠鎖緊和解鎖的關(guān)鍵，材料選擇主要考慮其彈性、強(qiáng)度、摩擦系數(shù)等，盡量做到摩擦系數(shù)大，強(qiáng)度高、彈性好，表面耐磨性好，以提高其工作性能和使用壽命，對(duì)于一些環(huán)境溫度變化較大的場(chǎng)合，如一些軍用設(shè)備，要求液壓缸在一40～+50℃環(huán)境下可靠工作，必須考慮溫度變化對(duì)鎖緊力和開(kāi)鎖壓力的影響，因其過(guò)盈量很小，而溫度變化可能導(dǎo)致過(guò)盈量的變化，從而引起開(kāi)鎖壓力和鎖緊力的變化，此時(shí)盡量選用同種材料的抱緊機(jī)構(gòu)和活塞桿，二者的材料匹配一般有：鋼一鋼、鋼一球墨鑄鐵、鋁合金一鋁合金等，并進(jìn)行高低溫環(huán)境下的鎖緊力和開(kāi)鎖壓力試驗(yàn)，確保鎖緊力和開(kāi)鎖壓力在不同溫度下均滿足要求。抱緊機(jī)構(gòu)不僅起到鎖緊作用，還承擔(dān)導(dǎo)向功能，由于抱緊機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度較一般液壓缸的導(dǎo)向帶長(zhǎng)度長(zhǎng)，因此液壓缸能承受較大的徑向載荷，但導(dǎo)向長(zhǎng)度的增加，再加上鎖緊套表面摩擦系數(shù)較大的影響，活塞桿的運(yùn)動(dòng)阻力較大，為減小運(yùn)動(dòng)阻力，在鎖緊力滿足要求的情況下，應(yīng)盡量減小抱緊機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)尺寸。

3）裝配制造。由于抱緊機(jī)構(gòu)與活塞桿為過(guò)盈配合，所以在裝配時(shí)比較困難，需要設(shè)計(jì)專用工裝進(jìn)行裝配，同時(shí)，由于鎖緊力與過(guò)盈配合表面的正壓力成正比，為保證過(guò)盈配合表面的正壓力均勻、鎖緊可靠，對(duì)抱緊機(jī)構(gòu)和活塞桿配合表面的尺寸公差和形位公差要求較高，較小的誤差都將影響鎖緊力和開(kāi)鎖壓力的大小。

5 結(jié)束語(yǔ)

抱活塞桿式機(jī)械鎖緊油缸解決了特殊工況下一般鎖緊回路的不足，實(shí)現(xiàn)了任意位置長(zhǎng)時(shí)間可靠鎖緊功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用方便，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證性能良好工作穩(wěn)定、可靠，取得了較好的實(shí)用效果。