關于抱活塞桿式機械鎖緊油缸的研究

牟 均

（四川化工職業技術學院，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系統中，采用多級液壓缸將裝有負載的貨廂舉升或放下，依靠液壓系統中的液壓鎖將裝有負載的貨廂鎖在舉升或下放過程的任意角度位置上。根據鎖緊方式的不同，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置機械鎖緊裝置，如鋼球鎖緊液壓缸，可實現在一端或兩端進行機械鎖緊，碟簧鎖緊液壓缸，可實現在任意位置機械鎖緊等。

上述鎖緊方式，無論是利用液壓控制元件進行鎖緊，還是利用機械方式進行鎖緊，均具有一定的局限性，碟簧鎖緊液壓缸雖可實現在任意位置機械鎖緊，但鎖緊力較小、結構尺寸較大，鋼球鎖緊液壓缸只能在固定位置進行機械鎖緊，無法實現任意位置鎖緊；利用液壓控制元件可實現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泄漏，以及液壓油的可壓縮性，尤其是長時間工作時，液壓缸存在軟退現象。對于平臺要求長時間保持調平精度，會由于鎖緊的不可靠而失去調平精度，使系統失去基準，甚至在一些對鎖緊安全性要求較高的場合，會因為鎖緊控制元件的失效(如泄漏、卡滯等)而造成功能喪失甚至安全事故。

因此，研究液壓缸實現任意位置機械鎖緊，一直都是液壓行業的難題，多年來液壓工作者一直在進行研究與探索，本文所討論的抱活塞桿式機械鎖緊油缸是為某重型車載設備而研制的，考慮到承載能力和通過性兩方面的要求，對鎖緊缸的設計要求為：總長1750mm，行程500mm，外徑296mm，鎖緊力23t。

2 結構和工作原理

抱活塞桿式機械鎖緊油缸為過盈外鎖緊型液壓缸，其結構與普通液壓缸基本一致，由缸筒體、活塞、活塞桿、抱緊機構（外鎖緊套）、導向套、密封圈等部分組成。

抱活塞桿式機械鎖緊油缸是在缸筒有桿腔一端連接上抱緊機構，當通過開鎖腔油口將抱緊機構內充人高壓油時，高壓油將抱緊機構撐開產生彈性變形，使抱緊機構和活塞桿之間形成間隙，此時抱活塞桿式機械鎖緊油缸與普通液壓缸一樣，活塞桿可以正常往復運動。當抱緊機構內無壓時，抱緊機構與活塞桿為過盈配合，抱緊機構將活塞桿緊緊抱住，并形成強大的正壓力。抱活塞桿式機械鎖緊油缸的鎖緊力為23T，抱緊機構解鎖壓力35MPa。

3 設計計算步驟

缸體和抱緊機構均可看作厚壁圓筒[1，2]，由材料力學或彈性力學知識容易推出鎖緊缸的主要設計公式：

1）解鎖壓力。解鎖壓力實際上就是油缸在鎖緊狀態時抱緊機構與活塞桿之間由于過盈而產生的壓力，這個壓力主要由鎖緊力及抱緊機構尺寸來確定。

其中F為設計鎖緊力；D為缸體內徑；L為抱緊機構長度；f為抱緊機構與活塞桿的摩擦系數。

2）過盈量。過盈量是鎖緊油缸的關鍵數據，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為抱緊機構彈性模量及泊松比；δ為缸體壁厚；D1為抱緊機構內徑。

3）實際過盈量及解鎖壓力。

其中n為鎖緊安全系數。

3.4缸體和抱緊機構的強度校核

其中[δ1]、[δ2]分別為缸體及抱緊機構的許用應力。

由公式1可知，當解鎖壓力一定時，設計鎖緊力越大，則DL值越大，液壓缸的外形尺寸越大。

4 關鍵技術與發展方向研究

過盈鎖緊型液壓缸的關鍵技術主要有以下幾點：

1）鎖緊力和開鎖壓力。鎖緊力反映了液壓缸的鎖緊性能，過盈鎖緊型液壓缸的鎖緊力就是活塞桿與抱緊機構之間產生的摩擦力，摩擦力為摩擦表面的正壓力、摩擦系數和摩擦面積三者的乘積。鎖緊力的設計計算必須綜合考慮上述三方面的因素，在滿足要求的情況下，盡量減小結構尺寸，并留較大的安全余量，在測試鎖緊力時，為避免加工尺寸公差和形位公差造成的影響，應在全行程內分段進行測試。開鎖壓力的合理設計是保證液壓缸可靠解鎖的另一個關鍵因素，在液壓缸結構尺寸一定的情況下，開鎖壓力與摩擦表面的正壓力成正比，開鎖壓力過高，系統難以實現，開鎖壓力過低，又直接影響鎖緊力的大小，因此，開鎖壓力必須與鎖緊力的設計綜合考慮。

2）抱緊機構結構和材料選擇。由于液壓缸的開鎖壓力和鎖緊力取決于抱緊機構、活塞桿的結構尺寸及抱緊機構與活塞桿的材料性能，抱緊機構安裝在缸筒上，一般采用圓筒狀結構，其尺寸受到液壓缸結構尺寸的限制，不能無限擴大或縮小，因此其材料特性和過盈量的選擇是保證其可靠鎖緊和解鎖的關鍵，材料選擇主要考慮其彈性、強度、摩擦系數等，盡量做到摩擦系數大，強度高、彈性好，表面耐磨性好，以提高其工作性能和使用壽命，對于一些環境溫度變化較大的場合，如一些軍用設備，要求液壓缸在一40～+50℃環境下可靠工作，必須考慮溫度變化對鎖緊力和開鎖壓力的影響，因其過盈量很小，而溫度變化可能導致過盈量的變化，從而引起開鎖壓力和鎖緊力的變化，此時盡量選用同種材料的抱緊機構和活塞桿，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，并進行高低溫環境下的鎖緊力和開鎖壓力試驗，確保鎖緊力和開鎖壓力在不同溫度下均滿足要求。抱緊機構不僅起到鎖緊作用，還承擔導向功能，由于抱緊機構的長度較一般液壓缸的導向帶長度長，因此液壓缸能承受較大的徑向載荷，但導向長度的增加，再加上鎖緊套表面摩擦系數較大的影響，活塞桿的運動阻力較大，為減小運動阻力，在鎖緊力滿足要求的情況下，應盡量減小抱緊機構的長度等結構尺寸。

3）裝配制造。由于抱緊機構與活塞桿為過盈配合，所以在裝配時比較困難，需要設計專用工裝進行裝配，同時，由于鎖緊力與過盈配合表面的正壓力成正比，為保證過盈配合表面的正壓力均勻、鎖緊可靠，對抱緊機構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鎖壓力的大小。

5 結束語

抱活塞桿式機械鎖緊油缸解決了特殊工況下一般鎖緊回路的不足，實現了任意位置長時間可靠鎖緊功能，結構簡單使用方便，并經試驗驗證性能良好工作穩定、可靠，取得了較好的實用效果。