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系統(tǒng)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(tǒng)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(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)置機械鎖緊裝置，如鋼球鎖緊液壓缸，可實現(xiàn)在一端或兩端進行機械鎖緊，碟簧鎖緊液壓缸，可實現(xiàn)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(xiàn)在任意位置機械鎖緊，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行機械鎖緊，無法實現(xiàn)任意位置鎖緊；利用液壓控制元件可實現(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，尤其是長時間工作時，液壓缸存在軟退現(xiàn)象。對于平臺要求長時間保持調(diào)平精度，會由于鎖緊的不可靠而失去調(diào)平精度，使系統(tǒng)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(xiàn)任意位置機械鎖緊，一直都是液壓行業(yè)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(shè)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(shè)計要求為：總長1750mm，行程500mm，外徑296mm，鎖緊力23t。

2 結(jié)構(gòu)和工作原理

抱活塞桿式機械鎖緊油缸為過盈外鎖緊型液壓缸，其結(jié)構(gòu)與普通液壓缸基本一致，由缸筒體、活塞、活塞桿、抱緊機構(gòu)（外鎖緊套）、導(dǎo)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(gòu)，當通過開鎖腔油口將抱緊機構(gòu)內(nèi)充人高壓油時，高壓油將抱緊機構(gòu)撐開產(chǎn)生彈性變形，使抱緊機構(gòu)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(fù)運動。當抱緊機構(gòu)內(nèi)無壓時，抱緊機構(gòu)與活塞桿為過盈配合，抱緊機構(gòu)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(gòu)解鎖壓力35MPa。

3 設(shè)計計算步驟

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

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

其中F為設(shè)計鎖緊力；D為缸體內(nèi)徑；L為抱緊機構(gòu)長度；f為抱緊機構(gòu)與活塞桿的摩擦系數(shù)。

2）過盈量。過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為抱緊機構(gòu)彈性模量及泊松比；δ為缸體壁厚；D1為抱緊機構(gòu)內(nèi)徑。

3）實際過盈量及解鎖壓力。

其中n為鎖緊安全系數(shù)。

3.4缸體和抱緊機構(gòu)的強度校核

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

由公式1可知，當解鎖壓力一定時，設(shè)計鎖緊力越大，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

過盈鎖緊型液壓缸的關(guān)鍵技術(shù)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(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(jié)構(gòu)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(yīng)在全行程內(nèi)分段進行測試。開鎖壓力的合理設(shè)計是保證液壓缸可靠解鎖的另一個關(guān)鍵因素，在液壓缸結(jié)構(gòu)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(tǒng)難以實現(xiàn)，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(shè)計綜合考慮。

2）抱緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)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(gòu)、活塞桿的結(jié)構(gòu)尺寸及抱緊機構(gòu)與活塞桿的材料性能，抱緊機構(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(guān)鍵，材料選擇主要考慮其彈性、強度、摩擦系數(shù)等，盡量做到摩擦系數(shù)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(huán)境溫度變化較大的場合，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(dǎo)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(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，并進行高低溫環(huán)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(gòu)不僅起到鎖緊作用，還承擔導(dǎo)向功能，由于抱緊機構(gòu)的長度較一般液壓缸的導(dǎo)向帶長度長，因此液壓缸能承受較大的徑向載荷，但導(dǎo)向長度的增加，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(yīng)盡量減小抱緊機構(gòu)的長度等結(jié)構(gòu)尺寸。

3）裝配制造。由于抱緊機構(gòu)與活塞桿為過盈配合，所以在裝配時比較困難，需要設(shè)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(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鎖壓力的大小。

5 結(jié)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(xiàn)了任意位置長時間可靠鎖緊功能，結(jié)構(gòu)簡單使用方便，并經(jīng)試驗驗證性能良好工作穩(wěn)定、可靠，取得了較好的實用效果。