任意位置过盈锁紧型液压缸在液压锁紧回路中的应用与研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 01 1 任意位置过盈锁紧型液压缸在 液压锁紧回路中的应用与研究 谢文建 蒙小苏 吴建胜 d L 京航天发射技术研究所 ， 北京 1 0 0 0 7 6 摘要 介 绍了任意位置过盈锁紧型液压缸 的结构与工 作原理 ， 并将其应用在锁紧 回路 中， 较好的解决 了长时 间 、 大负载任意位置 可 靠 锁紧问题 ， 满足了使用需求 ， 并经试验验证 ， 性能可靠 ， 取得 了较好 的实用效果。 关键词 液压缸 过盈锁紧 ； 锁紧 回路 中图分类号 T H1 3 ％5 1 ， T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 1 2 - 0 0 6 1 - 0 4 The Ap p l i c a t i o n a nd Re s e a r c h o f q S e l e c t e d Po s i t i o n I nt e r f e r e nc e Lo c k i n g Cy l i nd e r i n Hy d r a u l i c Lo c k i ng Ci r c u i t s X ／ E We n - j i a n ME N G X i a o - s u J i a n - s h e n g B e i j i n g I n s t i t u t e o f S p a c e L a u n c h T e c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 7 6 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f a n y s e l e c t e d p o s i t i o n i n t e rf e r e n c e - l o c k i n g c y l i n d e r i s i n t r o d u c e d a n d a p p l i e d i n h y d r a u l i c l o c k i n g c i r c u i t s ． I t ’ S a p r e f e r a b l e s o l u t i o n t o t h e q u e s t i o n s wi t h l o n g t i me a n d l a r g e - l o a d r e l i a b l e l o c k i n g a t a n y s e l e c t e d p o s i t i o n ， s a t i s f i e d t h e u s e d e ma n d ， t h e r e s u l t s o f e x p e r i me n t s s h o w t h a t t h e a n y s e l e c t e d p o s i t i o n i n t e rf e r e n c e - l o c k i n g c y l i n d e r wo r k s w e l l a n d r e l i a b l e ． Ke y W o r d s c y l i n d e r ； i n t e r f e r e n c e l o c k i n g； h y d r a u l i c l o c k i n g c i r c u i t s O 概述 在具有要求执行机构停止在指定位置上 的液压 系 统中， 液压锁紧回路的应用十分广泛 ， 如起重机支腿 回 路 、 升降平 台回路等 。根据锁紧方式的不 同， 液压锁 紧 回路一般有两类 ， 一类是利用液压控制元件进行锁紧 ， 根据锁紧元件的不同．目前常用的锁紧回路有换向阀 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 一 O l 作者简 介 谢文建 1 9 7 9 一 ， 男 ， 高级工程师 ， 北京航天发射技 术研究 所 主要从事液压元件及系统设计。 一 - - 一 - - 行报警 ， 保障生产操作的安全 。 5 结论 通过上述方法开发完成的 S E A L N C橡塑密封 设计加工软件 目前 已具有了可百余种橡塑密封圈产 品进行尺寸设计及数控编程的能力 。密封圈产品的尺 寸范 围涵盖了国内外多种标准 ，并具有非标尺寸的设 计能力。 该软件现已随 S E A L N C橡塑密封件数控加工系 锁紧回路 、 液控单 向阀锁紧回路、 平衡阀锁紧回路 等 ； 另一类是利用机械锁紧装置进行锁紧， 常见的是在液压 缸上设置机械锁紧装置[ 5 - 1 0 I l0 1 如钢球锁紧液压缸[5 I ， 可实现 在一端或两端进行机械锁紧， 碟簧锁紧液压缸[ 6 1 ， 可实现 在任意位置机械锁紧等。 但上述锁紧方式 ，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 ， 钢球锁紧液压缸 只能在固定位置 一端或两端 进 行机械锁紧 ． 无法实现任意位置锁紧 ， 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 统为国内外多家企业提供高效快速灵活可靠的服务。 参 考 文 献 【 l 1 周恩涛 ， 李建勋 ， 林 君哲． 液压缸活塞 密封性能 的有 限元分析 [ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 6 4 ． 【 2 ] 倪红兵 ， 邹克武． 数控加 工中的切点坐标计算[ J ] ． 承德石油高 等专科学校学报 ， 2 0 0 8 2 ． 【 3 】 余世林， 朱国宝． 通用型数控 自动编程系统的研究[ J ] ． 武汉理 工大学学报 交通科学与工程版 ， 2 0 0 3 1 0 ． 6 1 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 1年 第 1 2期 寸较大 ；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泄漏 ， 以及液压油的可压缩性 ， 尤其是长时间工作时 ， 液压缸 的锁 紧性能是不可靠的， 对于一般的系统来说影响不大 ，但对于一些重要 的系 统来说却是致命的，如调平系统或平 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， 一直是 液压行业的一大难题 ，多年来液压工作者一直在进行 研究 ，本文介绍了一种利用过盈锁紧型液压缸实现任 意位置机械锁紧的锁紧回路 ，较好 的解决 了上述问题 与不足 ． 满足 了使用需求 ， 并经试验验证 ， 性 能可靠 ， 取 得了较好的实用效果 。 l 结构和工作原理 过盈锁紧型液压缸分为过盈外锁紧型液压缸和过 盈内锁紧型液压缸 ， 其结构与普通液压缸基本一致 ， 由 缸筒 、 活塞 、 活塞杆 、 外 内 锁紧套 、 连接 支耳 、 导向环 、 密封圈等部分组成 ， 如图 1 、 图 2所示。 1 一 缸筒 2 一 活塞3 一 活塞杆4 一 锁紧套5 一 连接 支耳6 一 导 向环 7 一 密封圈 8 一 开锁腔油口 9 - 有杆 腔油口 1 O 一 无杆腔油 口 图 1 过盈外锁 紧型液压缸结构图 l 一 缸 筒2 一 活 塞 杆3 一 沽 塞4 一 内 锁 紧 套5 一 迁 援 支 耳6 一 导 同环 7 一 密封圈 8 一 开锁腔油 口 9 - 有杆腔油 口 1 0 一 无杆腔油 口 图 2 过盈内锁紧型液 压缸结构图 外锁紧型液压缸是在缸筒有杆腔一端连接上外锁 紧套 ， 外锁紧套与活塞杆 为过盈配合 ， 当锁紧套内无压 时 ， 锁 紧套将活塞杆 紧紧抱住 ， 并形成强大 的正压力 ， 锁紧套 内表面采用高摩擦系数材料制成 ，从而与活塞 杆之间产生很大的摩擦力 ， 将活塞杆锁紧， 当通过开锁 腔油 口将锁 紧套内充入高压油时 ，高压油将锁紧套撑 6 2 开产生弹性变形 ， 使锁紧套和活塞杆之间形成间隙． 此 时外锁紧型液压缸与普通液压缸一样 ，活塞杆可以正 常往复运动。 内锁紧型液压缸是将内锁紧套设在活塞上 ，使它 与缸筒形成过盈配合 ，工作原理与外锁 紧套液压缸类 似 ， 当锁紧套 内无压时 ， 缸筒将锁紧套紧紧抱住 ， 并形 成强大的正压力 ，锁紧套外表面采用高摩擦 系数材料 制成 ，从而与缸筒之间产生很大 的摩擦力 ，将活塞锁 紧， 当通过开锁腔油 口将锁紧套内充入高压油时， 高压 油将缸筒撑开产生弹性变形 ，使锁紧套和缸筒之间形 成 间隙 ， 此时 内锁紧型液压缸与普通液压缸一样 ， 活塞 可以正常往复运动。 内锁紧型液压缸充分利用了液压缸活塞 比活塞杆 粗这一特点 ， 使同样长度锁紧套的液压缸 ， 内锁紧套 的 有效锁紧面积比外锁紧套的有效锁紧面积大 ，因而锁 紧力增大。 2 在锁紧回路中的应用分析 过盈锁紧型液压缸在锁紧回路中使用时与普通液 压缸相比， 减少了液压锁等锁紧元件 ， 但需增加一路开 锁油路 ， 其他 的换 向、 调速等控制 与普通液压缸一样 ， 其典型液压 回路如图 3所示。 图 3 过 盈 锁 紧型 液 压 缸 组 成 的锁 紧 路 腺 理 图 过盈锁紧型液压缸应用于锁紧回路 中。与普通锁 紧回路或其他机械锁紧液压缸相比， 具有以下特点 1 可以在任意位置实现锁紧功能 ， 当给开锁腔充 入高压油 ，在开锁状态下 ，可以像普通液压缸一样运 动 ， 当到达运动位置时 ， 高压油卸除 ， 液压缸靠锁紧套 产生锁紧力 ， 立即锁 紧， 保证了液压缸能在任意位置实 现锁紧功能。 2 锁 紧力大 、 锁 紧可靠 ， 过盈锁 紧型液压缸是靠 锁紧套与活塞杆 或缸筒 之间过盈配合所产生的摩擦 力实现锁紧功能的， 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 ， 而锁 紧套 、 缸筒 、 活塞杆 一 般均为金属材料 ， 弹性模量较大， 较小的过盈量能产 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 01 1 生较大的正压力 ， 而锁 紧套表面是用特殊材料制成的 ， 摩擦系数很大 ， 因此 ， 只要改变摩擦面积 即锁 紧套 的 接触表面积 ，就可轻易获得较大锁紧力 ，如 8 0 m m 缸径的 内锁紧型液压缸锁紧力一般 可达到十几 吨 ， 而 1 4 0 ram缸径的内锁紧型液压缸锁紧力一般可达到五 六十吨 ． 且锁紧方式是依靠 锁紧套 或缸筒 的弹性变 形来实现的机械锁紧 ， 不受 液压元件泄漏 、 阀件卡滞 、 油液压缩 、环境温度变化等因素的影 响，锁 紧十分可 靠 ， 能适应恶劣环境和长期可靠锁紧工况要求 。 3 结构简单 、 尺寸小 、 安装使用方便 ， 过盈锁紧型 液压缸与普通液压缸相 比，只增加 了锁紧套 和内部开 锁油路 ，结构简单 ，且锁紧套与缸筒或活塞安装在一 体 ， 尺寸小 ， 不 占用外部空间 ， 不改变原普通液压缸的 安装方式 ． 使用方便。 4 解锁安全可靠 ， 液压缸工作时 ， 必须先进行解 锁 ， 然后才能进行伸收动作 ， 保证 了系统工作的安全可 靠 。 5 由于过盈 锁紧型液压 缸 的启 动压力 摩擦 阻 力 比一般的液压缸略大 ， 因此不适用于控制精度要求 高 的电液伺服系统。 具体情况见表 1 。 表 1 过盈锁紧型液压缸与其他几种典型 锁 紧液压缸 回路 l 的特性 比较 锁紧方式 锁紧位置 锁紧力 同缸径 锁紧可靠性 控制方式 结构尺寸 液压锁紧 任意位置 低，长期 锁紧有位 移变化 简单 机械锁紧 一 端或两端 高，长期 锁紧无位 移变化 简单 ， l 、 机械锁紧 任意位置 小 高，长期 锁紧无位 移变化 复杂 大 机械锁紧 任意位置 人 高，长期 锁紧无位 移变化 复杂 小 应用此形式的液压缸方便实现 了某调平系统的锁 紧要求 ，此系统共用 了 4种不 同锁 紧载荷的过盈锁 紧 型液压缸 分别为 8 t 、 3 5 t 、 6 0 t 和 1 2 0 t ，经试验测试表 明，在额定载荷锁紧状态下 ， 2 4 h内液压缸无任何位移 量 ．并经过 6 0 0 0次连续 开锁运行和锁紧试验测试 、 一 4 0 q C 低温环境和 6 0 C 高温环境性能试验 ，锁紧性能无 任何变化 ， 满足了系统使用要求 ， 取得 了良好 的实用效 果 。 3 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 ．前文 已经分析 过 ，过盈锁紧型液压缸的锁紧力就是锁 紧套 与活塞杆 或缸筒 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 锁紧套结构和材料选择 。 由于液压缸 的开锁压力和锁紧力取决 于锁 紧套 、 缸筒 或活塞杆 的结构尺寸及锁 紧套与缸 筒 或活塞 杆 的材料性能 ， 锁 紧套安装在活塞或缸筒上 ， 一般采 用圆筒状结构 ， 见图 1 、 图 2所示 ， 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 4 0 ～ 5 0 C 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 的锁紧套和缸筒 或活塞杆 ， 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 金等隅 川， 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 。 锁紧套不仅起到锁紧作用 ，还承担活塞 或活塞 杆 的导向功能 ， 由于锁紧套 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 或活塞杆 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 ， 应尽量减小锁紧套的 长度等结构尺寸。 3 装配制造 。 由于锁 紧套与活塞杆 或缸筒 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 ， 对锁紧套和 63 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 1年 第 l 2期 汽车起重机多路阀负载敏感 系统的工作特性分析 晋 毅 傅 波 付 玄 1 ． 四川大学制造科学与工程学院， 四川成都 2 ． 四川腾 中重工机械有限公司， 四川成都 段 伟 61 0 0 65； 6 1 1 4 3 0 摘要 分析 了非完全定 比控 制和完全定 比控制两种典型的定量泵负载敏感系统及 D L F O 0多路阀负载敏感 系统的工作原理。 在假定 主要工作参数相同的前提下 ， 对三种系统的工作效率进行了计算分析 。 结果表 明， D L F 一 0 0多路阀负载敏感液压系统具有较高 的效率和 操作性能， 值得在汽车起重机液压系统中推广使用。 关键词 负载敏感 ； 多路 阀； 效率 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编 号1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 1 2 0 0 6 4 0 4 Op e r a t i o na l Ch a r a c t e r i s t i c An a l y s i s o f L o a d S e ns i ng Mu 1 t i p l e Un i t V al v e S y s t e m i n Cr a n e T r u c k J I N Y F U Bo l F U Xu a n t DU AN We i 2 1 ． C o l l e g e o f Ma n u f a c t u ri n g S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，S i e h u a n U n i v e r s i t y ，C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h i n a ； 2 ． S i c h u a n T e n g z h o n g H e a v y I n d u s t ri a l Ma c h i n e r y C o ． ，L t d ． ，C h e n g d u 6 1 1 4 3 0 ，C h i n a A b s t r a c t T w o t y p i c a l l o a d s e n s i n g s y s t e ms c o m p l e t e fi x e d r a t i o c o n t r o l a n d n o n c o mp l e t e fi x e d r a t i o n c o n t r o 1 a n d a n e w t y p e o f DL F 一 0 0 l o a d s e n s i n g s y s t e m we r e a n a l y z e d ． T h e o v e r a l l e ffic i e n c y o f t h e s e l o a d s e n s i n g s y s t e ms we r e d e v e l o p e d a n d t h e n t h e c h a r a c t e r i s t i c s w e r e a n a l y z e d a n d c o mp a r e d ． R e s u l t s s h o w t h a t DL F一 0 0 l o a d s e n s i n g s y s t e m h a s h i g h e r e ffic i e n c y a n d b e t t e r o p e r a t i o n p e rf o r ma n c e ． I t i s r e c o mme n d a b l e t o a p p l y DL F - 0 0 l o a d s e n s i n g s y s t e m i n c r a n e t r u c k s ． Ke y W o r d s l o a d s e n s i n g ； mu l t i p l e u n i t v a l v e ； e ffi c i e n c y 0 前言 在工程机械中，使用传统多路阀的液压系统存在 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 一 O 1 作者简介 晋毅 1 9 8 8 一 ， 男 ， 四川大学在读硕士研究生 ， 研究方向为机械 电子工程 。 活塞杆 或缸筒 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 。 4 结论 任意位置过盈锁紧型液压缸解决 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。 参 考 文 献 [ 1 1 伍小东， 杨尚平 ， 詹磊． 几种典型锁 紧回路的特性分析[ J 】 ． 矿山 机械 ， 2 0 1 0 2 2 ． 【 2 】 葛玉柱 ， 胡 军科 ． 液压系统 限速与锁 紧回路 分析【 J j ． 机床 与液 压 ． 2 0 1 0 3 ． 6 4 着一些缺陷 ， 如 节流阀 口两端压力大幅度降低 ； 阀芯 移动力大； 流量的调节受负载压力变化的影响， 负载大 时调速性差 ； 对于需完成多功能操作的工程机械 ． 要求 操纵者技术熟练 调速性能随发动机转速而变。在定量 泵系统中采用负载敏感技术可克服上述缺点 ，是增加 [ 3 】 袁旭芳 ， 李文秀． 液控单 向阀在锁紧回路 中的应用[ J ] ． 内蒙古 石油化工 ， 2 0 0 5 1 2 ． 【 4 】 雷天 觉． 新编液压工程手册 上 、 下 【 M ] ． 北 京 北京理 工大学 出版 社 ． 1 9 9 8 ． [ 5 】 倪江生． 钢球锁紧式液压缸的设计计算田． 机械设计， 1 9 9 6 1 2 ． [ 6 】 盛英 ， 仇原鹰． 碟簧式机械锁紧液压缸【 J 1 ． 液压与气 动， 2 0 0 1 1 ． f 7 ] 甘海涛． 新型液压缸端位机械锁【 J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 5 9 ． 【 8 】 倪 江生 ， 翟羽健 ， 陈正威． 新型 机械锁 紧式液压缸 的设计Ⅲ． 机械科学与技术 ． 1 9 9 4 4 ． [ 9 ] 徐海， 王玉姝． 一种新颖的锁紧液压缸f J 1 ． 液压与气动， 2 0 0 3 4 ． 【 1 0 1 赵旭 明． 液压缸任意位置的 自动闭锁技术【 J 】 ． 重型机械科技 ， 2 0 0 2 2 ． 【 l l 】 黄长征． 液 压缸机械锁紧技术新发展【 J 】 ． 韶关学院学报 自然 科学 ， 2 0 1 0 9 ．