可調(diào)型機械式自鎖液壓缸設(shè)計
2017-6-28 來源：安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院 作者：駱支寶 鄭露 李剛
摘要：液壓缸作為液壓系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件之一，當(dāng)液壓缸需要在某一位置長時間鎖定時，現(xiàn)有采用的液壓自鎖方式就難以滿足安全等要求。在這種背景下，改進設(shè)計了一種可調(diào)型機械式自鎖液壓缸，通過自身的機械自鎖結(jié)構(gòu)達到鎖定的要求。利用 Solid Works/Simulation 對液壓缸的撥叉進行有限元分析，結(jié)果表明液壓缸的撥叉的應(yīng)力以及變形量均在安全范圍內(nèi) 。
關(guān)鍵詞：可調(diào)型；自鎖液壓缸；有限元分析
隨著機械化發(fā)展水平迅速提高，液壓傳動已成為一門必不可少的技術(shù)，應(yīng)用于各種機械、機床和設(shè)備之中。在液壓系統(tǒng)中，液壓缸作為一種執(zhí)行元件，其規(guī)格、種類日益齊全，結(jié)構(gòu)也在不斷變化。如用于儀表器和生活設(shè)施的液壓缸，其直徑僅在 4mm 左右，配置在大型機械設(shè)備上的液壓缸，直徑可達 1.8m，有的長度超過 5m，有的噸位高達萬噸。液壓缸應(yīng)用范圍也越來越廣，如工程機械、礦山機械、金屬切削機床、鍛壓機床、軍事、航空等領(lǐng)域有著大量的需求。實現(xiàn)自鎖功能的液壓缸種類主要有三類：一是在液壓系統(tǒng)中使用液壓鎖（或者平衡閥）；二是在液壓缸內(nèi)使用鎖緊套；三是采用插銷機構(gòu)或墊塊固定活塞桿。對于這三類自鎖方式，都有各自優(yōu)勢和應(yīng)用范圍。而在航空航天，軍事等特殊領(lǐng)域，液壓鎖緊方式存在不足，特別是當(dāng)液壓缸在某一位置要求長時間鎖定、高要求定位以及安全，采用液壓鎖等方式就難以滿足要求。在這種背景下，改進設(shè)計了一種可調(diào)型機械式自鎖液壓缸，通過自身的機械自鎖結(jié)構(gòu)達到鎖緊的要求，可進一步拓寬液壓缸的使用范圍。
1.設(shè)計思路
如圖 1 所示為常見的單桿雙作用液壓缸的結(jié)構(gòu)簡圖，由于常見的機械自鎖液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸較小，其內(nèi)部可利用的空間收到約束，而機械自鎖機構(gòu)一般均安裝在缸筒內(nèi)部，因此存在的以下問題：一是對加工精度要求高，增加加工難度；二是不便于零件安裝及后期的維護。
圖 1 單桿雙作用液壓缸的結(jié)構(gòu)簡圖
考慮到在液壓缸外部設(shè)計鎖定機構(gòu)，不受缸筒內(nèi)部空間的限制，且機構(gòu)的可移植性好。基本思路是在單桿雙作用液壓缸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對稱設(shè)置兩組齒輪齒條機構(gòu)，如圖 2 所示為機械式自鎖液壓缸結(jié)構(gòu)簡圖。其工作過程是利用齒輪箱體兩側(cè)的齒輪齒條機構(gòu)實現(xiàn)對活塞桿運動的約束，并通過電磁控制式的撥叉帶動牙嵌式離合器，實現(xiàn)對齒輪軸的鎖定，進而實現(xiàn)鎖定活塞桿的功能。
圖 2 機械式自鎖液壓缸結(jié)構(gòu)簡圖
利用 Solid Works 建立機械式自鎖液壓缸三維模型示意圖，如圖3 所示，圖中可見齒輪齒條機構(gòu)對稱式分布，其優(yōu)點在于利于液壓缸的整體平衡，增加穩(wěn)定性。
圖 3 機械式自鎖液壓缸三維模型示意圖
2.可調(diào)型機械式自鎖液壓缸工作原理及創(chuàng)新點
2.1 工作原理
如圖 4 所示為電磁控制式撥叉與牙嵌式離合器相對位置示意圖，圖中上側(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形永 磁體，電磁鐵的控制電路簡單可靠，其中控制開關(guān)可與手動換向閥結(jié)合，實現(xiàn)聯(lián)動控制，同時也可以與電磁閥配合使用，實現(xiàn)自動化控制。
圖 4 電磁控制式撥叉與牙嵌式離合器相對位置示意圖
當(dāng)需要伸縮活塞桿時，通過使電磁鐵得電并其下方的永磁鐵同極相斥，在斥力作用下推動撥叉轉(zhuǎn)動，進而使牙嵌式離合器分離，實現(xiàn)了齒輪的解鎖同時活塞桿可自由移動。當(dāng)換向閥回中位時，電磁鐵失電，在永磁鐵的磁吸力作用下?lián)懿鏆w位，撥叉推動牙嵌式離合器嚙合，實現(xiàn)對齒輪的鎖定，活塞桿伸縮停止。
2.2 創(chuàng)新點
（1）液壓缸采用齒輪齒條結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，通過電磁控制齒輪的移動來固定齒條，移動過程中具有平穩(wěn)性，進而實現(xiàn)缸任意時刻的自鎖；同時采用兩側(cè)對稱分布方式，增加了液壓缸整體的平衡與穩(wěn)定性。
（2） 液壓缸工作位置精準(zhǔn)，長時間停機無任何位移變液壓化，并在工作位置鎖緊，當(dāng)液壓油缸出現(xiàn)斷油或漏油的情況時，能夠通過齒輪齒條，絕對安全可靠。
（3） 液壓油缸帶桿活塞采用階梯型緩沖結(jié)構(gòu)以及相配套的缸蓋，起到很好的緩沖作用。
3.撥叉的受力分析
撥叉裝置起到控制整個牙嵌式離合器結(jié)合和分離的作用，如圖5 所示。撥叉主體采用 45 號鋼折彎，撥爪淬火處理 HRC50-62 以提高表面耐磨性。
圖 5 撥叉結(jié)構(gòu)圖
由于撥叉的形狀不規(guī)則，無法通過普通計算對其進行受力分析，利用三維建模軟件 Solid Works 建立三維模型，并利用 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 撥叉位移云圖
圖 6 所示為撥叉位移云圖，有圖可見在撥叉的上端部變形量較大，下端部變形量較小，整體變形量變化情況較為理想。最大變形量在電磁鐵末端為 1.174 mm，變形量很小可忽略不計，撥叉變形量滿足要求。
圖 7 撥叉應(yīng)力云圖
圖 7 為撥叉應(yīng)力云圖，從圖中可見在撥叉在工作過程中只要受力位置位于撥叉的彎部，該處是撥叉整體最為最弱部分。其中撥叉材料為 45 號鋼調(diào)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(yīng)力最大值為 189.4MPa，撥叉主體滿足強度要求。
4.結(jié)束語
該設(shè)計的液壓缸與國內(nèi)液壓鎖的工作原理不同，通過齒輪齒條結(jié)構(gòu)來鎖緊活塞桿，且其設(shè)計也突破了一般液壓缸的傳統(tǒng)模式，結(jié)構(gòu)緊湊，能精確定位。同時撥叉部件的應(yīng)力以及變形量均滿足要求。這種可調(diào)型機械式自鎖液壓缸除了滿足航空航天、軍事等特殊領(lǐng)域的要求，還可以滿足工業(yè)上如采煤和冶金行業(yè)等發(fā)展的需求，在工業(yè)上具有很好的市場前景。
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