机械锁紧液压缸的改进设计.pdf

2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 l 6期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 6 ． 0 5 3 机械锁紧液压缸的改进设计 石生龙 ，詹传明 中国船舶重工集团公 司第七一。研 究所，湖北宜昌 4 4 3 0 0 3 摘要介绍某型 U U V液压系统机械锁紧液压缸的结构及工作原理，分析该机械锁紧液压缸存在的问题 ，提出改进方 案 ，并进行试验验证。 关键词机械锁紧；液压缸；改进方案 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 61 7 0 2 液压缸作为液压行业的常用执行器之一 ，在很多 场合均要求液压缸活塞杆能长时间停留在某一固定位 置 ，即在外负载作用下无位移。传统的做法是设计锁 紧回路，一般是利用 0型或 H型三位 四通换向阀、 单 向阀、液控单 向阀、双 向液压 锁等构 成相应 回路 ， 达 到单 向或双 向锁紧 目的。然而由于液压缸及液压 阀 锁 紧方式均不可避免地存在泄漏 ，不 能保证活塞杆长 时间停留在某一固定位置，特别是在大负载情况下， 泄漏更严重 ，因此在大负载及对锁 紧位置要求较高 的 场合 ，传统的液压缸及液压阀锁紧技术不能满足使用 要求 ，因此必须采用特殊结构的机械锁紧液压缸。 某型 U U V液压系统执行机构要求在液压缸缩回 时保持长时间可靠锁紧，由于其对锁紧位置要求较 高 ，因此液压缸采用了机械锁紧结 构。然而在试验过 程中发现 ，液压缸锁紧不可靠，时而锁紧，时而锁不 紧 ，当液压缸锁紧失效后 ，将 直接导致其所驱动 的负 载与 U U V平台形成较大角度，破坏 U U V的流体外 形 ，最终导致 U U V平台在航行过程中，流体阻力过 大 ，能耗增加 ，给 U U V平 台的安 全带来 隐患 。文 中 通过对该水下液压系统液压缸锁紧机构 的分析 ，查找 出锁 紧不可靠 的主要原 因，提出一种改进方案 ，并通 过试验验证 。 1 液压缸机械锁紧结构及工作原理 该液压缸采用钢球 自锁结构 ，这种 自锁装置设在 液压缸 的端部 ，具 体结 构如 图 1 所 示。钢球 1 0被约 束在活塞 4环套内 ，共 6个 ，液压缸缩 回时 ，活塞 4 在液压力的作用下，运动到极左位置，在弹簧 7的作 用下，控制活塞 8 推着钢珠进人缸筒 2内壁的环形槽 中，将活塞 4固定住 ，实现液压缸机械锁紧。液压缸 伸出时，进油口通入液压油，控制活塞 8在液压力的 作用下压缩 弹簧 7 ，使 钢球 1 O从 环 形槽 中脱 出 ，此 时 ，压力油推动活塞 4向右运动 ，实现液压缸的 自动 解锁 。 1 一 海水 压力 补偿 口 卜 缸 体 卜 进 油 12 4 一 活塞5 一话塞 杆 6 ～后耳座7 一弹簧 8 一控制活塞9 一卡簧 l O 一钢球 图 1 液压缸机械锁紧结构 由于该液压缸工作在较深的海水环境下 ，因此必 须考虑环境压力对液压系统的影响，为此采用了压力 补偿的方式，以消除海水压力对执行机构的影响 ，图 1 中的海水压力补偿 口可起到抵消系统内部补偿压力 的作用，卡簧 9可实现控制活塞的止位作用。 2 存在的问题及原 因 该机械锁 紧液 压缸 在 出厂前 经过 试验 室 加 载试 验 ，锁 紧效果 较好 ，然而 安装 到 U U V平 台上进 行水 下试验时，却出现锁紧动作不可靠的情况。通过对比 试验室与现场情况，作者分析出了造成锁紧不可靠的 主要原 因 1 U U V平 台受 结构 布置 的影响 ，液 压缸 距离 液压源将近 9 m，管路较长 ，且 通径较小 ，回油腔背 压较高；而试验室使用的管路较短 ，通径也较大 ，背 压较小。当到试验现场后 ，锁紧弹簧 的刚度 明显不 足，当液压缸回程时，背压将锁紧活塞推向最靠后位 置，这种情况下，锁紧活塞与液压缸活塞之间是一个 封闭容腔，因而即使是液压泵停止工作后 ，弹簧也无 收稿 日期 2 0 1 3 0 81 7 作者简介石生龙 1 9 8 5 一 ，男 ，硕士，主要从事液压系统设计工作。Em a i l s s h 1 7 9 0 8 1 1 2 6 ． C O B。 第 1 6期 石生龙 等机械锁紧液压缸的改进设计 1 7 1 法推动控制活塞将这里的液压油挤出，将钢球推人环 槽 内。 2 液压系统 回油过滤器精度较高 ，且为初装 系统，回油过滤器稍有堵塞就会形成较高的背压，弹 簧也无法推动控制活塞实现液压缸锁紧。 3 由于 液压 缸工 作环 境 的特 殊性 ，锁 紧弹 簧 与海水接触，因此必须使用防腐材料。而防腐材料的 弹性较差，而且对热处理要求较高。实际使用的不锈 钢弹簧由于加工工艺及热处理质量等问题，导致初始 调试时没有问题 ，多次动作后 ，锁紧动作就不灵敏 了。 针对 以上 分 析 的原 因 ，作 者 也 采 取 了 一 些 措 施 ，如取 消回油过 滤 器 、提高 弹 簧刚度 ，但 效果 仍 然不理想。由于其使用环境及工 况的特殊性 ，弹簧 经常处于高应力工作状态，容易疲劳破坏 ，导致弹 性降低，因此始终存在较大风险。另外在实际使用 中，该液压缸锁紧结构在解锁伸出后 ，由于受负载 高压 的影 响 ，总会从 控 制活 塞动 密 封处 渗 出一 点液 压油到海水环境中，这对带有压力补偿 的海水液压 系统 极为不 利 。 3 改进方案 经过前期试验结果 ，结合现有技术条件，对液压 缸做如下改进 1 将开放式弹簧驱动锁紧改为密闭式液压驱 动锁紧液压驱动方式避免 了驱动装置与海水的接触， 液压油不存在外泄，锁紧动作由控制油口液压油驱 动 ，主动性强 ，不受管路背压、负载压力及环境参数 变化的影响，动作可靠。改进后液压缸锁紧结构如图 2所示 。 5 6 7 8 9 1 0 1 一 锁 紧 控制 油 口2 ～缸 体卜 液 压锁4 一活 塞5 - - 活塞 秆 6 一后耳座 卜 弹簧8 一控制活塞9 ～卡簧l O 一钢球 图 2 改进后液压缸锁 紧结构 其 中 ，锁 紧控 制油 口与液压缸有杆腔相连 ，无需 使用其他控制油路 ，液压缸缩回时 ，有杆腔的高压油 始终驱动控制活塞伸出，保证锁紧动作无误。改进后 的液压缸管路不用增加 ，油缸长度不变 ，安装位置不 受影 响。 2 增加液压锁紧 考 虑到该 液压缸锁 紧功 能的重要性 ，在液压系统 中增加 了液压锁 紧 ，液压锁 紧是靠密封液压油来实现 的，锁紧位置很重要。若将液压锁紧元件放在液压站 系统内部 ，则一旦液压管路部分发生泄漏 ，将导致锁 紧失效。为最大限度地保证锁紧有效 ，将液压锁紧元 件做防腐处理后 ，直接安装在液压缸上，增加了锁紧 的可靠性 ，即便是机械锁 紧出现 问题 ，液压锁紧还可 以在一定 时间内保持 液压缸不 动。 4测试 试验 为检测液压缸实际锁紧效果 ，设计了如图3所示 的加载液压 系统 ，该液压 系统对被试液压系统液压缸 施加 主动负载 ，液压 系统 中有两个加载油缸 ，载荷的 大小 可根据实 际工况需要 ，通过调节加载液压系统 中 的溢流阀来设定 ，以模拟实际工况 ，检验锁紧效果。 图 3 加载液压系统 实验测试 1 0 h ，在额定载荷锁紧状态下锁紧可 靠 ，在试验中产生的微小位移量为锁紧钢球与环形槽 的间隙 ，不影 响实 际使用 。 5结论 作 者结合 U U V液压 系统 液压缸 实际使用 环境 及 工况，对原有机械锁紧结构存在问题进行了分析，采 用机械及 液压 两种方 式对锁 紧液压缸进行 了改进并经 试验验证 。试验结果表 明 该液压缸锁紧结构工作可 靠，满足使用要求 ，达到了预期的效果。 参考文献 [ 1 ]杜雨轩， 吴 向东 ， 冯欢欢． 一种棱 台活塞杆锁紧液压缸 [ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 2 1 2 5 4 5 5 ． [ 2 ]贾培起． 液压缸[ M] ． 北京 科学技术出版社， 1 9 8 5 ． [ 3 ]张爱红． 双向内部钢球锁液压缸[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 2 4 3 43 5 ．