趙福偉

云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系

液壓缸機(jī)械系統(tǒng)的研究與改進(jìn)

趙福偉

云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系

本文通過(guò)簡(jiǎn)單介紹液壓缸的原理、組成等，然后詳細(xì)探討液壓缸機(jī)械系統(tǒng)的作用、結(jié)構(gòu)、分類、常見(jiàn)故障等方面內(nèi)容，最后得出對(duì)液壓缸機(jī)械系統(tǒng)的改進(jìn)意見(jiàn)。液壓機(jī)械系統(tǒng)屬于比較精密的機(jī)械系統(tǒng)，在機(jī)械系統(tǒng)的發(fā)展中起到了不可忽視的作用。

液壓缸；機(jī)械系統(tǒng)；發(fā)展

前言

液壓缸在設(shè)備系統(tǒng)中一般作為執(zhí)行元件。液壓缸可以把壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，并且具有自鎖的功能，所以液壓缸機(jī)械系統(tǒng)在重型設(shè)備應(yīng)用非常廣泛。在這類設(shè)備中，一般采用將液壓油通過(guò)液壓泵加壓然后以很高的壓力，從而產(chǎn)生很高的液壓能，然后輸送到到設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中。系統(tǒng)中液壓泵通常由發(fā)動(dòng)機(jī)或者電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。并且可以通過(guò)控制閥控制液壓油的壓力從而控制液壓缸機(jī)械系統(tǒng)所輸出的動(dòng)力。液壓缸機(jī)械系統(tǒng)的核心部件就是液壓缸，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致液壓缸爆裂、扭曲及斷裂等后果，從而造成一系列的經(jīng)濟(jì)損失，并對(duì)生產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，所以液壓缸的屬性參數(shù)直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。

一、液壓缸簡(jiǎn)介

1.1液壓缸分類

液壓缸產(chǎn)生于18世紀(jì)，發(fā)展至今已經(jīng)有200多年的歷史，液壓缸的種類也發(fā)展的多種多樣。液壓缸的分類方法主要有結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)動(dòng)方式、安裝形式、壓力等級(jí)等。液壓缸根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分類，可分為活塞式、柱塞式、多級(jí)伸縮套筒式等；根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式的不同可分為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)式和回轉(zhuǎn)擺動(dòng)式；液壓缸的安裝可以有拉桿、耳環(huán)、底腳、鉸軸等多種方式，液壓缸的壓力等級(jí)可分為16Mpa、25Mpa、31.5Mpa等。

1.2液壓缸的組成

液壓缸可以將系統(tǒng)的液壓能轉(zhuǎn)變執(zhí)行元件的機(jī)械能，一般情況下，液壓缸做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或者回轉(zhuǎn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。液壓缸結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、壽命較長(zhǎng)。液壓缸基本上由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置等組成。在一個(gè)液壓缸系統(tǒng)中，除去緩沖裝置與排氣裝置可以視具體應(yīng)用條件而確定，其他裝置則必不可少。

但是在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液壓缸上一般可以省略減速裝置，并且沒(méi)有傳動(dòng)間隙。緩沖裝置用于在液壓缸活塞高速運(yùn)動(dòng)至行程終端時(shí)避免受到由于行程限制而造成的劇烈的鈍力、壓力沖擊，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及避免液壓傳動(dòng)零部件被損壞。液壓缸使用經(jīng)驗(yàn)表明，在液壓缸工作在0.03m/s—0.5m/s時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，就需要考慮到緩沖裝置的添加問(wèn)題，液壓缸工作在0.5m/s以上時(shí)，必須加裝緩沖裝置，以免液壓缸活塞受到損壞。

1.3液壓缸的故障分析

液壓缸的故障基本可以歸納為三類分別為誤動(dòng)作、無(wú)力推動(dòng)負(fù)載和活塞滑移或爬行。由于液壓缸經(jīng)常在系統(tǒng)中作為關(guān)鍵元件，一旦液壓缸發(fā)生故障多數(shù)情況下系統(tǒng)不能正常工作而影響工作效率。所以平時(shí)要注重對(duì)液壓缸的維護(hù)工作。

1.3.1液壓缸誤動(dòng)作

液壓缸產(chǎn)生誤動(dòng)作的原因多種多樣，一般可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面：首先，在系統(tǒng)溫度較低時(shí)容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象。這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)液壓油比較粘稠，從而使得液壓缸動(dòng)作緩慢。其次，閥芯被卡住或閥孔被油污等堵住時(shí)也會(huì)有液壓缸誤動(dòng)作產(chǎn)生。再次，液壓系統(tǒng)壓力源受到干擾，控制壓力太穩(wěn)定時(shí)，誤動(dòng)作產(chǎn)生比較頻繁。再次，在液壓循環(huán)油中進(jìn)入空氣也會(huì)造成液壓缸誤動(dòng)作的現(xiàn)象。

1.3.2工作時(shí)不能驅(qū)動(dòng)負(fù)載

這種故障的主要表現(xiàn)是停位不準(zhǔn)、推力不足、速度下降、工作不穩(wěn)定等。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因多數(shù)情況下是因?yàn)槌霈F(xiàn)了泄漏。在發(fā)生液壓缸內(nèi)部泄漏、液壓回路泄漏、液壓油經(jīng)溢流閥旁通回油箱等情況時(shí)，都會(huì)造成壓力不足而不能驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況。

1.3.3活塞滑移或爬行

一般認(rèn)為液壓缸發(fā)生活塞滑移或爬行的根本原因是流量與負(fù)載速度不匹配，解決起來(lái)比較困難。一般發(fā)生這種現(xiàn)象的具體原因是液壓缸內(nèi)部各零件相互不匹配而澀滯、潤(rùn)滑不良、液壓泵或液壓缸進(jìn)入空氣、密封件質(zhì)量不過(guò)關(guān)等。在液壓缸發(fā)生活塞滑移或爬行時(shí)，可以逐步排查找到原因，從而在根本上解決。

二、液壓缸機(jī)械系統(tǒng)

2.1液壓缸機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1　液壓缸傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

圖2　液壓缸的基本結(jié)構(gòu)

液壓缸傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。如此液壓傳動(dòng)系統(tǒng)可以得到較大的功率并且安裝靈活方便，工作平穩(wěn)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的體積、強(qiáng)度、剛度及載荷作用位置等屬性基本上受到其液壓缸結(jié)構(gòu)和尺寸的限制。

2.1.1液壓泵

液壓泵是液壓動(dòng)力的來(lái)源。液壓泵在結(jié)構(gòu)上可以分為齒輪油泵和串聯(lián)泵（包括外嚙合與內(nèi)嚙合）兩種結(jié)構(gòu)形式，在壓力產(chǎn)生方法上又可以分為齒輪油泵、葉片油泵、柱塞油泵，幾種液壓泵各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)需要結(jié)合實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行選擇。液壓泵的原理是通過(guò)泵腔內(nèi)部件的運(yùn)動(dòng)改變泵腔的體積，從而增加泵腔內(nèi)的流體的壓力。在實(shí)際工作中，通過(guò)液壓泵在液壓油箱中吸入油液，讓后對(duì)其加壓而形成壓力油輸出到液壓缸中從而為其提供動(dòng)力。

2.1.2液壓閥

液壓閥是液壓缸的主要控制器件。在控制功能上可以分為流量閥，壓力閥，方向閥三類。流量閥用來(lái)調(diào)節(jié)液壓油的流量，根據(jù)流量閥的功能可以分為節(jié)流閥、調(diào)速閥，分流集流閥。壓力閥用于壓力控制，壓力閥可以分為溢流閥，減壓閥，卸荷閥等幾類。方向閥用于方向控制，根據(jù)控制特點(diǎn)可以分為單向閥及換向閥。并且液壓閥按照在系統(tǒng)中安裝的方式可以分為板式閥、疊加閥、管式閥、螺紋插裝閥、蓋板閥等幾類。在現(xiàn)代化液壓缸機(jī)械系統(tǒng)中液壓閥通常與電磁閥配合使用，以達(dá)到自動(dòng)控制的目的。

2.2液壓缸機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念

在進(jìn)行液壓缸機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮其所使用的環(huán)境及需要滿足的參數(shù)條件。在設(shè)計(jì)液壓缸機(jī)械系統(tǒng)時(shí)可以設(shè)計(jì)其傳遞的力矩在合理范圍內(nèi)盡量放大，活塞伸縮運(yùn)動(dòng)速度也應(yīng)該盡量快，從而可以及時(shí)伸出或者縮回，提高響應(yīng)速度及生產(chǎn)效率。并且在設(shè)計(jì)液壓泵時(shí)，應(yīng)考慮壓力泵的壓力范圍應(yīng)在其額定范圍內(nèi)，否則會(huì)有動(dòng)力不足等現(xiàn)象產(chǎn)生。在設(shè)計(jì)重型液壓缸機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，還要考慮其運(yùn)動(dòng)和受力部件的受力情況，盡可能地避免液壓缸受到不規(guī)則力，比如側(cè)向力，偏離活塞桿中心的偏心力矩等，以免因受力不規(guī)則而受到破壞。并且在設(shè)計(jì)液壓缸與機(jī)械設(shè)備的連接方式時(shí)，還要注意使其簡(jiǎn)單合理，盡量使實(shí)際行程在液壓缸的有效行程范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)“有勁兒使不出”的現(xiàn)象，并且可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后還要對(duì)密封部件等輔助部件進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，這對(duì)液壓缸機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命的增加，減少故障的發(fā)生幾率，以及增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性都具有十分重要的意義。

2.3液壓缸機(jī)械系統(tǒng)鎖定問(wèn)題

液壓缸因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)具有自鎖的功能，并且其鎖止效果也是其在設(shè)計(jì)和實(shí)際工作中的重要指標(biāo)。在很多生產(chǎn)場(chǎng)景中，機(jī)械設(shè)備停止或者載荷突然變化時(shí)都需要自動(dòng)鎖定功能，以提高生產(chǎn)效率或者保證安全生產(chǎn)。一般在設(shè)計(jì)一個(gè)液壓缸機(jī)械系統(tǒng)時(shí)首先考慮其自鎖能力能否滿足實(shí)際工作的要求，并且經(jīng)常留有很大的安全空間，從而保證鎖止的效果以及生產(chǎn)安全。因此在原材料選擇加工、以及液壓用油的選擇等影響到液壓缸鎖止效果的因素上都要認(rèn)真設(shè)計(jì)，嚴(yán)格管理。

但是在液壓缸傳統(tǒng)的鎖定方式設(shè)計(jì)中，通常對(duì)液壓系統(tǒng)的鎖止效果要求不高，因此只是認(rèn)為液體是不可以繼續(xù)壓縮的而只通過(guò)鎖止液壓油回路，從而使得液體停止流動(dòng)，進(jìn)而使液壓缸不再繼續(xù)發(fā)生位移變化而達(dá)到鎖止的效果。但是，由于任何液體在液壓系統(tǒng)工作時(shí)所產(chǎn)生的巨大的壓力作用下，其體積都會(huì)有所減小并且密度變大，進(jìn)而使得液壓缸繼續(xù)發(fā)生位移，也就是通常所說(shuō)的卸壓。在如礦山、吊車等特殊的場(chǎng)合下，如果液壓缸在載荷突變而鎖止效果不佳，液壓缸繼續(xù)發(fā)生位移，極有可能造成安全事故。

2.4液壓缸強(qiáng)度校核

液壓缸是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要的傳遞力的部分，當(dāng)液壓缸在中、低壓傳動(dòng)系統(tǒng)中工作時(shí)，因缸體實(shí)際承受的壓力較小，缸筒厚度主要由結(jié)構(gòu)工藝決定；但當(dāng)液壓缸用于高壓傳動(dòng)系統(tǒng)承擔(dān)傳動(dòng)任務(wù)時(shí)，如礦山重型液壓缸，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其所承載的壓力峰值將達(dá)到幾十兆帕。所以，需要對(duì)液壓缸的強(qiáng)度進(jìn)行校核，從而檢驗(yàn)液壓缸缸體的強(qiáng)度是否能夠滿足生產(chǎn)環(huán)境所能產(chǎn)生的拉力、壓力以及沖擊力等多種作用力的作用，從而保證液壓缸的可靠性與安全性。

三、液壓缸機(jī)械系統(tǒng)的改進(jìn)建議

液壓缸的自鎖功能對(duì)于提高工作效率以及保證安全生產(chǎn)都具有十分重要的意義，所以為了增加液壓缸機(jī)械鎖止效果，套筒式鎖緊裝和鋼球摩擦鎖等專門使用于增加液壓缸鎖止效果的裝備被開(kāi)發(fā)出來(lái)，以保證安全生產(chǎn)。

3.1套筒式鎖緊裝置

這種鎖緊裝置可以將活塞桿在任意位置進(jìn)行鎖止，以至于液壓缸隨時(shí)停車都可以進(jìn)行鎖止。

這主要是因?yàn)樘淄彩芥i緊裝置采用了過(guò)盈配合的方式，通過(guò)液壓缸端蓋上的彈性材料制作的鎖緊套筒和活塞桿，液壓液的壓力進(jìn)行鎖定和卸鎖，在停車時(shí)將活塞桿鎖止。其具體的原理是在液壓油進(jìn)入套筒，套筒膨脹，活塞桿可以移動(dòng)自如；液壓油壓力解除后，套筒迅速收縮，從而自動(dòng)鎖緊活塞桿。

3.2鋼球摩擦鎖

鋼球摩擦鎖是通過(guò)在活塞桿上開(kāi)一個(gè)槽，并放一鋼球在槽內(nèi)，再用彈簧圈擋住小鋼球。當(dāng)解除液壓液的壓力即停車時(shí)，活塞如果有向左運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但是由于被鋼球卡住不能動(dòng)；如果有向右運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，右面鋼球也會(huì)卡住它，從而活塞向左向右都不能運(yùn)動(dòng)而處于鎖止的狀態(tài)。并液壓油壓力增加時(shí)，活塞被推向右側(cè)，右面的鋼球自然落入槽中，從而自動(dòng)解除鎖定。

結(jié)語(yǔ)

液壓缸在輕重工業(yè)中的應(yīng)用都非常廣泛，所以對(duì)液壓機(jī)械系統(tǒng)的研究十分必要。尤其是液壓缸機(jī)械系統(tǒng)的鎖止效果，更應(yīng)該受到廣泛的關(guān)注。有關(guān)部門研發(fā)了套筒式鎖緊裝和鋼球摩擦鎖，可以有效地增加液壓系統(tǒng)鎖止性能，從而保證生產(chǎn)安全的進(jìn)行。

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趙福偉（1971-），男，云南省華坪縣人，大學(xué)本科，實(shí)驗(yàn)師，高級(jí)技師，研究方向：機(jī)械設(shè)備。