可調型機械式自鎖液壓缸設計
2017-6-28 來源：安（ān）徽理工大學 機械工程學院 作（zuò）者（zhě）：駱支寶 鄭露 李剛
摘要：液壓缸作為液壓係統中重要的執行元件之一，當液壓缸需要在某一位（wèi）置長（zhǎng）時間鎖定時，現有采用的液壓自鎖（suǒ）方（fāng）式就（jiù）難以滿足安全等要求。在這種背景下，改進設計了一種可調型機械式自鎖液（yè）壓缸，通過自（zì）身的機械自（zì）鎖結構達到鎖定的要求。利用 Solid Works/Simulation 對液壓缸的撥（bō）叉進（jìn）行有限元分（fèn）析，結果表（biǎo）明（míng）液壓缸的（de）撥叉的應力以及變形量（liàng）均在安全範圍內 。
關鍵詞：可調（diào）型；自鎖液壓缸；有限元分析
隨著機械化發展水平迅速提（tí）高，液壓（yā）傳動已成為一門必不可少的技術，應用（yòng）於各種機械、機床和設備之中。在液壓係（xì）統中，液壓缸作為一種執行元件，其規格、種（zhǒng）類日益齊全，結構也在不斷變化。如（rú）用於儀表器和生活設施的液壓缸，其直徑僅在 4mm 左右，配置在大型機械設備上的液壓缸，直（zhí）徑可達 1.8m，有（yǒu）的長度超過 5m，有的噸位高達萬噸。液壓缸（gāng）應用（yòng）範圍也（yě）越來越廣，如工程機械、礦山機（jī）械、金屬切削機床、鍛壓機床、軍事、航空等領域有著大量的需求。實現自（zì）鎖功（gōng）能的液壓缸（gāng）種類（lèi）主要有三類：一是在液（yè）壓係統中使用液壓鎖（或者（zhě）平衡閥）；二是在液壓缸內使用鎖（suǒ）緊套；三是采用插銷機構或墊塊固定活塞杆。對於這三類自鎖方式，都有各（gè）自優（yōu）勢和應用範圍（wéi）。而在航空航天，軍事等特殊領域，液壓鎖緊方式存在不足，特別是當液壓（yā）缸在（zài）某一位置要求長時間鎖定、高要求定位以（yǐ）及安全，采用液（yè）壓鎖等方式就難以滿足要求。在這種背景下，改進（jìn）設計了一種可調型機械式自鎖液壓缸，通過自身的機械自鎖結構達到鎖緊的要求，可進（jìn）一步拓寬液壓缸的使用（yòng）範圍（wéi）。
1.設計（jì）思路
如圖 1 所示為常見的單杆雙（shuāng）作用液壓缸（gāng）的結構簡圖，由於常見的機械自鎖液壓缸內部結（jié）構尺寸較小，其內部可利用的空間收到約束，而機械自鎖機構一般均安裝在缸筒內部，因此存在的以下問（wèn）題：一是對加工精度要求高，增加加工難度；二是不便於零件安裝及後期的維護。
圖（tú） 1 單杆雙作用液壓（yā）缸的結構簡圖
考慮到在液壓缸外部設計鎖定機構，不受缸筒（tǒng）內部空間的限製，且機構的可移植（zhí）性好。基本思路是在（zài）單杆雙作用液壓缸結構的基礎上對（duì）稱設置（zhì）兩（liǎng）組齒輪齒條機構，如（rú）圖 2 所示為機械式自鎖液壓缸結構簡圖。其工（gōng）作過程是利用齒輪箱體兩側（cè）的齒輪齒條機構實現對活塞杆（gǎn）運動的約束（shù），並通過電磁控製式的撥（bō）叉帶動牙嵌式離合器，實現對齒輪軸的（de）鎖定，進而實現鎖定活塞杆的功能。
圖 2 機械式自鎖液壓缸結構簡圖
利用 Solid Works 建立機械式（shì）自鎖液壓（yā）缸三維模型示意圖，如（rú）圖3 所示，圖中可見齒輪齒條機構對稱式分布，其優點在於利於液壓缸的整體平衡，增加穩（wěn）定性（xìng）。
圖 3 機械式自鎖液壓缸三維（wéi）模（mó）型（xíng）示意圖
2.可（kě）調型機械式自鎖（suǒ）液（yè）壓缸工（gōng）作原理（lǐ）及創新點
2.1 工作（zuò）原理（lǐ）
如圖 4 所示為電磁控製式撥叉與牙嵌式離合器相對位置示（shì）意（yì）圖，圖中（zhōng）上側（cè）呈 L 型的為撥叉部件，其上安裝有電磁鐵。電磁鐵正下放安裝有一圓（yuán）形永 磁體，電磁鐵的控製（zhì）電路簡單可靠，其中控製開關可與手動換向閥結合，實現聯動控製，同時也（yě）可以與電磁閥配合使用（yòng），實現自動化控製。
圖 4 電磁控製式撥叉（chā）與牙嵌式離合器相對位置示（shì）意（yì）圖
當需要伸縮活塞杆時，通過使電磁鐵得電並其下（xià）方的永磁鐵同極相斥，在（zài）斥力作用下推動撥叉轉動，進而使牙嵌式離合器分離，實現了齒輪的解鎖（suǒ）同時活（huó）塞杆可自由移（yí）動。當換向閥回中位時，電磁鐵失電，在永（yǒng）磁鐵的磁吸（xī）力作用下（xià）撥叉歸位，撥叉推動牙（yá）嵌式離合器齧合，實現對齒輪的鎖定（dìng），活塞杆伸縮停止。
2.2 創新點
（1）液壓缸采用（yòng）齒輪齒條結（jié）構，結（jié）構簡單，通過電磁控（kòng）製齒輪的移動來固定齒條，移動過程中具有平穩性（xìng），進而實現缸（gāng）任意時刻的自鎖；同時（shí）采用兩側對稱分布（bù）方式，增加了液壓缸整體的平衡與（yǔ）穩定性。
（2） 液壓缸工作位置精準，長時間停機無任何位移變液（yè）壓化，並在工作位置鎖緊，當液壓油缸（gāng）出現斷油或漏油的情況時，能夠通過齒輪（lún）齒條，絕對安全（quán）可（kě）靠。
（3） 液壓油缸帶杆活塞采用階梯型（xíng）緩衝結構以及相配套的缸（gāng）蓋，起到很好的緩衝作用。
3.撥（bō）叉的受力（lì）分析
撥叉（chā）裝置（zhì）起到控製整個牙嵌式離合器結合和分離的（de）作用，如圖5 所示。撥（bō）叉主體采用 45 號鋼折彎，撥（bō）爪淬火處理 HRC50-62 以提高表麵耐磨性。
圖 5 撥叉結構圖
由於撥叉的形狀不規則，無法通過普通計算（suàn）對其進行受力分析，利（lì）用三維建模軟件 Solid Works 建（jiàn）立三維模型，並利用 Simulation進行有限元分析，獲得撥叉的整體應（yīng）力及位移圖解。
圖 6 撥叉位移雲圖
圖 6 所示為撥叉位移雲圖，有圖可（kě）見在撥叉的（de）上（shàng）端部（bù）變形量（liàng）較（jiào）大，下端部變形量較小，整體變形量變（biàn）化情況較為理想。最大變形量在電磁鐵末端（duān）為 1.174 mm，變形量很小可忽略不計，撥叉變形量滿（mǎn）足（zú）要求。
圖（tú） 7 撥叉應力雲圖（tú）
圖 7 為撥叉應力雲（yún）圖，從圖中可見在（zài）撥叉在（zài）工作過（guò）程中隻（zhī）要受（shòu）力位置位於（yú）撥叉（chā）的彎部，該處是撥叉整體最為最弱部分。其中撥叉（chā）材料為 45 號鋼調質（zhì），材料的屈服極限 σs=360MPa，在電磁鐵推力F=300N 的作用下叉體上應力最大值為 189.4MPa，撥叉（chā）主體滿（mǎn）足強度要求。
4.結束語
該設計的液（yè）壓缸（gāng）與國內液壓鎖的工作原（yuán）理不同，通過齒輪齒條結（jié）構來鎖緊活塞杆，且其設計也（yě）突破了一（yī）般液壓缸的傳統模式，結構緊湊，能精確定位。同時撥叉部件的應力以及變形量均滿足要求。這種可調型機械式自鎖液壓缸（gāng）除了（le）滿（mǎn）足航空航天、軍事等特殊領域的要求，還可以滿足工（gōng）業（yè）上如采煤和冶金行業等發展的需求（qiú），在工業上具有很好的市場前景（jǐng）。
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