关于抱活塞杆式机械锁紧油缸的研究

牟 均

（四川化工职业技术学院，四川 泸州 646099）

1 概述

众所周知的自卸汽车或自卸清洁车的液压传动系统中，采用多级液压缸将装有负载的货厢举升或放下，依靠液压系统中的液压锁将装有负载的货厢锁在举升或下放过程的任意角度位置上。根据锁紧方式的不同，液压锁紧一般有两种，一种是利用液压控制元件进行锁紧，目前常用的锁紧元件有换向阀、液控单向和平衡阀锁紧回路等；另一种是在液压缸上设置机械锁紧装置，如钢球锁紧液压缸，可实现在一端或两端进行机械锁紧，碟簧锁紧液压缸，可实现在任意位置机械锁紧等。

上述锁紧方式，无论是利用液压控制元件进行锁紧，还是利用机械方式进行锁紧，均具有一定的局限性，碟簧锁紧液压缸虽可实现在任意位置机械锁紧，但锁紧力较小、结构尺寸较大，钢球锁紧液压缸只能在固定位置进行机械锁紧，无法实现任意位置锁紧；利用液压控制元件可实现液压缸在任意位置锁紧功能，但由于液压缸及锁紧控制元件(液压阀等)不可避免存在一定程度内泄漏，以及液压油的可压缩性，尤其是长时间工作时，液压缸存在软退现象。对于平台要求长时间保持调平精度，会由于锁紧的不可靠而失去调平精度，使系统失去基准，甚至在一些对锁紧安全性要求较高的场合，会因为锁紧控制元件的失效(如泄漏、卡滞等)而造成功能丧失甚至安全事故。

因此，研究液压缸实现任意位置机械锁紧，一直都是液压行业的难题，多年来液压工作者一直在进行研究与探索，本文所讨论的抱活塞杆式机械锁紧油缸是为某重型车载设备而研制的，考虑到承载能力和通过性两方面的要求，对锁紧缸的设计要求为：总长1750mm，行程500mm，外径296mm，锁紧力23t。

2 结构和工作原理

抱活塞杆式机械锁紧油缸为过盈外锁紧型液压缸，其结构与普通液压缸基本一致，由缸筒体、活塞、活塞杆、抱紧机构（外锁紧套）、导向套、密封圈等部分组成。

抱活塞杆式机械锁紧油缸是在缸筒有杆腔一端连接上抱紧机构，当通过开锁腔油口将抱紧机构内充人高压油时，高压油将抱紧机构撑开产生弹性变形，使抱紧机构和活塞杆之间形成间隙，此时抱活塞杆式机械锁紧油缸与普通液压缸一样，活塞杆可以正常往复运动。当抱紧机构内无压时，抱紧机构与活塞杆为过盈配合，抱紧机构将活塞杆紧紧抱住，并形成强大的正压力。抱活塞杆式机械锁紧油缸的锁紧力为23T，抱紧机构解锁压力35MPa。

3 设计计算步骤

缸体和抱紧机构均可看作厚壁圆筒[1，2]，由材料力学或弹性力学知识容易推出锁紧缸的主要设计公式：

1）解锁压力。解锁压力实际上就是油缸在锁紧状态时抱紧机构与活塞杆之间由于过盈而产生的压力，这个压力主要由锁紧力及抱紧机构尺寸来确定。

其中F为设计锁紧力；D为缸体内径；L为抱紧机构长度；f为抱紧机构与活塞杆的摩擦系数。

2）过盈量。过盈量是锁紧油缸的关键数据，它的正确与否决定了油缸制造的成败。

其中E1、μ1为缸体弹性模量及泊松比；E2、μ2为抱紧机构弹性模量及泊松比；δ为缸体壁厚；D1为抱紧机构内径。

3）实际过盈量及解锁压力。

其中n为锁紧安全系数。

3.4缸体和抱紧机构的强度校核

其中[δ1]、[δ2]分别为缸体及抱紧机构的许用应力。

由公式1可知，当解锁压力一定时，设计锁紧力越大，则DL值越大，液压缸的外形尺寸越大。

4 关键技术与发展方向研究

过盈锁紧型液压缸的关键技术主要有以下几点：

1）锁紧力和开锁压力。锁紧力反映了液压缸的锁紧性能，过盈锁紧型液压缸的锁紧力就是活塞杆与抱紧机构之间产生的摩擦力，摩擦力为摩擦表面的正压力、摩擦系数和摩擦面积三者的乘积。锁紧力的设计计算必须综合考虑上述三方面的因素，在满足要求的情况下，尽量减小结构尺寸，并留较大的安全余量，在测试锁紧力时，为避免加工尺寸公差和形位公差造成的影响，应在全行程内分段进行测试。开锁压力的合理设计是保证液压缸可靠解锁的另一个关键因素，在液压缸结构尺寸一定的情况下，开锁压力与摩擦表面的正压力成正比，开锁压力过高，系统难以实现，开锁压力过低，又直接影响锁紧力的大小，因此，开锁压力必须与锁紧力的设计综合考虑。

2）抱紧机构结构和材料选择。由于液压缸的开锁压力和锁紧力取决于抱紧机构、活塞杆的结构尺寸及抱紧机构与活塞杆的材料性能，抱紧机构安装在缸筒上，一般采用圆筒状结构，其尺寸受到液压缸结构尺寸的限制，不能无限扩大或缩小，因此其材料特性和过盈量的选择是保证其可靠锁紧和解锁的关键，材料选择主要考虑其弹性、强度、摩擦系数等，尽量做到摩擦系数大，强度高、弹性好，表面耐磨性好，以提高其工作性能和使用寿命，对于一些环境温度变化较大的场合，如一些军用设备，要求液压缸在一40～+50℃环境下可靠工作，必须考虑温度变化对锁紧力和开锁压力的影响，因其过盈量很小，而温度变化可能导致过盈量的变化，从而引起开锁压力和锁紧力的变化，此时尽量选用同种材料的抱紧机构和活塞杆，二者的材料匹配一般有：钢一钢、钢一球墨铸铁、铝合金一铝合金等，并进行高低温环境下的锁紧力和开锁压力试验，确保锁紧力和开锁压力在不同温度下均满足要求。抱紧机构不仅起到锁紧作用，还承担导向功能，由于抱紧机构的长度较一般液压缸的导向带长度长，因此液压缸能承受较大的径向载荷，但导向长度的增加，再加上锁紧套表面摩擦系数较大的影响，活塞杆的运动阻力较大，为减小运动阻力，在锁紧力满足要求的情况下，应尽量减小抱紧机构的长度等结构尺寸。

3）装配制造。由于抱紧机构与活塞杆为过盈配合，所以在装配时比较困难，需要设计专用工装进行装配，同时，由于锁紧力与过盈配合表面的正压力成正比，为保证过盈配合表面的正压力均匀、锁紧可靠，对抱紧机构和活塞杆配合表面的尺寸公差和形位公差要求较高，较小的误差都将影响锁紧力和开锁压力的大小。

5 结束语

抱活塞杆式机械锁紧油缸解决了特殊工况下一般锁紧回路的不足，实现了任意位置长时间可靠锁紧功能，结构简单使用方便，并经试验验证性能良好工作稳定、可靠，取得了较好的实用效果。