新型集成式輪邊制動器液壓缸的設計*

馮文慧 ， 姚 慶 ， 陳 強 ， 馬曉三，2

（1.黃河交通學院，河南 焦作 454950；2.河南理工大學，河南 焦作 454000）

液壓輪邊制動器是港口、碼頭等室外大中型起重機及港口裝卸機械重要的安全保護裝置，主要用于整機防風制動和非工作狀態下的輔助防風制動[1]。目前，國內外對輪邊制動器的研究主要圍繞實際安裝應用過程中的問題分析[2]、制動器的結構和優化設計以及輪邊制動器的防風性能的論證和制動的有限元分析[3-5]、智能輪邊制動器壓力補償監控系統[6]等方面展開。對于制動器的制動裝置外的驅動裝置研究一直以來采用傳統的液壓缸驅動和控制方式，并沒有對液壓驅動裝置集成系統進行結構設計上的優化[7-9]。目前，液壓輪邊制動器將液壓泵站與制動裝置分開設置[10]，由于液壓泵站體積龐大，導致輪邊制動器空間體積較大，嚴重制約了這類產品的推廣使用。本研究根據輪邊制動器的工作特點，將液壓泵站與制動裝置的液壓缸集成于一體[11-12]，設計出了一種新型電液集成式輪邊制動器液壓缸，以減小輪邊制動器的空間體積，減輕重量，提高產品的推廣使用價值。

1 新型液壓輪邊制動器的工作原理

為了縮小產品體積，新型電液輪邊制動器在以往產品的基礎上，將液壓泵站和制動裝置集成為整體結構，其結構如圖1 所示。工作原理如下：液壓系統在電控系統指令下向制動器油缸供給壓力油，推動活塞桿運動并進一步壓縮碟簧，制動襯墊在制動臂的牽引下脫離車輪輪邊，制動力矩消除；液壓系統在電控系統指令控制下接通回油通道，壓力油在碟簧力作用下回流，碟簧力通過制動臂與制動襯墊傳遞到車輪輪邊上，產生規定的制動力矩。在實現產品布局集成化的基礎上[13-14]，為使制動器制動性能不受影響[15-16]，新型制動器液壓缸驅動裝置的控制可以采用PLC 或者單片機進行控制，控制方式的智能化程度也得到了提升。

圖1 液壓輪邊制動器結構

2 新型制動器液壓缸的設計

以往設計的液壓輪邊制動器包括制動架以及設置在制動架上的液壓缸，液壓缸包括缸體和設置在缸體內的活塞桿，活塞桿的輸出端傳動連接有制動臂，通過活塞桿的伸縮實現制動臂的收縮，同時在缸體內活塞桿上套設有碟簧，正常工作狀態下，由于碟簧的存在會頂壓活塞桿伸出，此時制動器為制動狀態，而液壓油施壓會驅動活塞桿回縮到活塞腔，這時制動裝置則解除制動。液壓缸配置有液壓控制油路，液壓控制油路的輸入端連接液壓站，正常工作情況下，液壓泵站向液壓控制油路供油，通過液壓控制油路中的電磁閥、單向閥等閥組結構實現向缸體內供油和回油，進而實現對缸體內活塞桿的伸縮驅動。液壓站與缸體為分體結構，通過外界油管連接在一起，占用空間較大，在實際使用過程中，非常容易導致油液泄漏，污染環境，后期維護清理非常麻煩。

針對傳統的電力液壓制動器設計、制造和使用中存在的問題，對一種新型電液一體化集成式工業制動器的設計進行研究，以實現液壓泵站、制動缸和制動執行元件等結構的體積最小化。這種新型電液一體化集成式制動缸包括液壓缸體、油箱體（油缸）、驅動機構以及連接在油箱體上的閥塊，液壓缸體內的腔室為活塞腔，油箱體（油缸）內的腔室為儲油腔，活塞腔內導向穿裝有活塞桿，閥塊、油箱體（油缸）與液壓缸體為一體成型結構或液壓缸體通過油箱體（油缸）與閥塊連接為集成式結構，閥塊具有進油油道，進油油道的兩端口分別為進油口和出油口，液壓缸體和油箱體（油缸）之間設有回油油道；油箱體腔內設有加壓油泵，閥塊上安裝有驅動結構，進油油道內設有單向閥，閥塊內還設有回流油道，回流油道上連接電磁閥，液壓缸體裝有制動簧，以實現缸體的運動復位，以上設計能夠減少制動器液壓管路布置，優化產品設計功能和布局。

2.1 新型制動器液壓缸結構介紹

新型集成式液壓缸的應用實例如圖2 所示，從圖2 可以看到液壓缸整體穿裝于下方的儲油箱（油缸）箱體里并固定連接，箱體內部就形成了儲油腔，儲油箱（油缸）由閥塊和箱體側壁構成，同時液壓缸無桿腔側壁上設有通孔與儲油腔實現連通，閥塊上的出油口與液壓缸有桿腔的加壓油口通過中間油道連接，也可以通過高壓膠管與液壓缸體有桿腔上方開設的接口連接，這樣就形成了整個油路的內循環通道，從而實現液壓缸活塞桿的運動。而活塞桿的運動帶動了外部連接的制動裝置的活動制動杠桿來實現制動效果，同時，液壓缸箱體底板下方焊接有連接另一個制動杠桿的固定安裝部位，使制動杠桿通過銷軸與液壓缸鉸接連接。

圖2 新型集成式制動器液壓缸結構（上）及外觀（下）圖

從圖2（上半部分）液壓缸內部結構中可以看到，箱體的中部位置通過隔板將箱體內部分隔開，形成了左右兩個腔室，左腔室和液壓缸連接構成了活塞腔，而右腔室和閥塊連接構成了儲油腔。整個箱體內部充滿了液壓油，箱體的左右側壁上設置有堵頭，堵頭處可以實現向箱體充油或者排油。閥塊是用于連接活塞腔和儲油腔的油路通道，連接活塞腔的有桿腔和儲油腔的是進油的通道，進油通道的兩端口被稱為進油口和出油口；連接活塞腔的無桿腔和儲油腔的是回油的通道，回油通道位于中間隔板上左右延伸。閥塊上方的驅動電機通過電機軸連接到閥塊中心的通孔處，閥塊下方的液壓泵被驅動電機帶動，從而實現液壓泵工作泵油。連通出油口和儲油腔的通道稱為回流的通道，液壓缸缸筒內部裝配有制動碟簧，制動碟簧為復位簧，頂壓裝配于活塞桿和液壓缸體內壁的臺階面上，制動簧用于在回流的通道連通之后驅動活塞桿伸出，進而帶動制動杠桿使制動器處于夾緊狀態；回流通道斷開后，液壓泵泵出的高壓油通過進油的通道進入活塞腔的有桿腔，有桿腔和無桿腔之間形成壓力差時，會推動活塞桿縮回至活塞缸內，無桿腔里的液壓油通過回油油道進入儲油腔來補償液壓油，在這個過程中，活塞桿帶動和它連接的制動杠桿張開解除制動。

2.2 新型制動器液壓缸閥塊內部油路介紹

制動器液壓缸閥塊結構如圖3 所示，閥塊內部設置有進油油道和回流的油道，下方安裝有液壓泵實現對液壓系統供油并實現增壓的效果，液壓泵通過十字接頭與閥塊上方的驅動電機連接，驅動電機可以是直流電機或交流電機，電機軸上安裝有驅動手柄，可以實現在斷電狀況下用手動方式驅動液壓泵。當系統得電時，驅動電機帶動液壓泵工作，電磁閥控制使回流的油道處于斷開狀態，儲油腔的油經過液壓泵加壓后形成高壓油，高壓油通過閥塊上的進油通路進入液壓缸的有桿腔中，進油通路上連接有單向閥、測壓接頭、壓力繼電器和溢流閥來控制液壓油的流向、壓力和安全，這樣，液壓缸的有桿腔和無桿腔之間形成了壓力差，從而使活塞桿移動至縮回狀態。此時，無桿腔的液壓油通過液壓缸側壁上的通孔流回儲油腔以補給儲油腔的液壓油，同時，與活塞桿連接的制動杠桿移動使制動器處于打開狀態。當液壓油壓力值達到壓力繼電器設置的油壓時驅動電機斷電，液壓泵停止工作，由于單向閥的設置，液壓油無法返回到儲油腔當中，故液壓缸活塞處于蓄能保持狀態。當系統失電時，回流的油道處于接通狀態，液壓油通過回流的油道流回儲油腔，回流的油道上連接有節流閥和溫度控制開關，以實現對回流的液壓油流量和溫度的控制。此時，實現活塞桿的伸出，并使與其連接的制動杠桿實現制動。

圖3 集成式制動器液壓缸閥塊結構

進油口在閥塊的底部偏心位置，進油口與液壓泵的輸出口連接，進油油道中間位置連通進油口，出油口可設置在閥塊左側側壁上，以方便與液壓缸體右側壁接口連接，圖3 所示兩條左右延伸的油路通道平行布置，垂直于兩油道的中間有一條前后延伸的油路通道，第一條油路通道兩側連接單向閥和溢流閥，垂直油道兩側連接測壓接頭和堵頭，第一條油路通道和垂直油路通道連通處安裝單向閥，出油口與垂直油路通道的中心位置連通，回流的油路通道一端與垂直油路通道連通，另一端連接節流閥和電磁閥，電磁閥和儲油箱連通。

閥塊上的出油口與加壓油口通過布置在中間隔板上的V 型油道連通，V 型油道兩端口朝上，一端與閥塊上的出油口貼合連通，另一端與缸體上的加壓油口貼合連通，油腔里的高壓油經過加壓油口流進到活塞桿下臺階面和液壓缸內壁上的限位面之間設置的環空中，為防止液壓油從環空中移除到無桿腔，在活塞桿的下臺階面下方的側壁與缸體之間裝上了密封圈，這樣高壓油就可以進入環空，進而頂推活塞桿縮回到活塞腔。

3 結論

本研究介紹的液壓缸能夠實現液壓泵站與制動裝置的液壓缸集成化結構，具有體積小、重量輕、外部無外接管路泄漏風險，液壓傳動效率高。內部油缸與油箱相通，油缸的泄漏直接流回油箱，減少了外部泄漏。同時具有手動功能，使操作更加方便。此外，該新型液壓缸除了可以和輪邊制動器的制動裝置配合使用外，還可以應用于安全制動器、電液夾軌器等制動裝置，構成各種新類型的液壓制動器，它能夠使液壓制動器具有集成程度高、體積小、重量輕、容易安裝、免維護的特點，同時可為其他大型裝備液壓制動器的設計和制造提供借鑒和參考。