一種作動(dòng)筒彈性卡爪鎖的設(shè)計(jì)

魯?shù)掳l(fā)，鄧曉山，折世強(qiáng)

（中航飛機(jī)起落架有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410200）

0 前言

帶鎖作動(dòng)筒除通過(guò)無(wú)桿腔和有桿腔的液壓切換，實(shí)現(xiàn)活塞桿的伸出和收回功能外，常利用內(nèi)置機(jī)械鎖使作動(dòng)筒活塞桿在伸出（或收回）到位后被鎖住，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)筒在活塞桿伸出（或收回）泄壓時(shí)可作為承受壓（或拉）載荷的撐桿使用的功能。

帶鎖作動(dòng)筒有內(nèi)置卡環(huán)鎖、鋼球鎖和卡爪鎖等形式[1]，卡環(huán)鎖常在活塞上設(shè)置鋼制開(kāi)口彈性卡環(huán)，卡在缸筒上的卡環(huán)槽中實(shí)現(xiàn)作動(dòng)筒活塞桿到位時(shí)的鎖定功能，其缺點(diǎn)是卡環(huán)滑出卡環(huán)槽后易劃傷作動(dòng)筒缸筒內(nèi)表面，不好控制上鎖間隙等；而鋼球鎖的上鎖和開(kāi)鎖導(dǎo)向面制造難度大，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。

本文提出了一種卡爪鎖設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和布置形式，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)筒活塞桿完全伸出到位（下位）時(shí)的鎖定和可作承壓撐桿使用的功能，克服了卡環(huán)鎖和鋼球鎖的缺點(diǎn)。同時(shí)給出了其關(guān)鍵功能件——彈形卡爪的受力、設(shè)計(jì)要點(diǎn)和分析方法等，可供設(shè)計(jì)作動(dòng)筒內(nèi)置鎖時(shí)參考。

1 作動(dòng)筒下位彈性卡爪鎖結(jié)構(gòu)及原理

圖1為所設(shè)計(jì)的作動(dòng)筒下位卡爪鎖結(jié)構(gòu)，它在常規(guī)液壓作動(dòng)筒的端蓋1、活塞桿2、缸筒6、活塞7之間設(shè)置了卡爪鎖結(jié)構(gòu)，主要有彈性卡爪5、游動(dòng)活塞4、彈簧3、調(diào)整墊片8及密封件等。彈性卡爪5通過(guò)活塞7和緊固件9與活塞桿2的一端固連在一起，在有桿腔和無(wú)桿腔液壓的驅(qū)動(dòng)下可隨活塞桿一起運(yùn)動(dòng)。彈性卡爪5的卡爪端設(shè)計(jì)有前導(dǎo)向斜面H和后導(dǎo)向斜面K，缸筒內(nèi)凸臺(tái)兩端也設(shè)計(jì)有前導(dǎo)向斜面E和后導(dǎo)向斜面F，導(dǎo)向斜面用于彈性卡爪開(kāi)鎖和上鎖時(shí)的導(dǎo)向作用。下位上鎖后，缸筒前導(dǎo)向斜面E起支撐和止動(dòng)彈形卡爪5的后導(dǎo)向斜面K的功能。

圖1 作動(dòng)筒下位鎖及鎖定狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖和三維模型圖

圖1 所示為作動(dòng)筒活塞桿完全伸出（下位）被鎖定狀態(tài)。在需活塞桿完全伸出（下位）上鎖時(shí)，無(wú)桿腔B內(nèi)的液壓力將活塞桿向左推出，彈性卡爪5的前導(dǎo)向斜面H進(jìn)入缸筒的后導(dǎo)向斜面F，彈性卡爪5由自由漲開(kāi)狀態(tài)變?yōu)槭軌合騼?nèi)收縮并向左移動(dòng)而進(jìn)入缸筒內(nèi)凸臺(tái)腔。隨著活塞桿2的繼續(xù)向左伸出，彈性卡爪5會(huì)推動(dòng)游動(dòng)活塞4克服彈簧3的彈力向左移動(dòng)。當(dāng)彈性卡爪5爪頭進(jìn)入缸筒6油口A處的大腔時(shí)，便會(huì)自由漲開(kāi)，此時(shí)游動(dòng)活塞4在彈簧力作用下進(jìn)入彈性卡爪的內(nèi)孔使其不能內(nèi)收，從而實(shí)現(xiàn)活塞桿完全伸出（下位）上鎖。

作動(dòng)筒活塞桿完全伸出，在下位上鎖后可當(dāng)受壓撐桿使用，此時(shí)，有桿腔A口無(wú)壓，活塞桿2受壓使彈性卡爪5受拉，彈性卡爪5的后導(dǎo)向（支撐）斜面K頂在缸筒6的前導(dǎo)向止動(dòng)斜面E上，彈簧3的彈力使游動(dòng)活塞4的支撐面（圖中箭頭D指示面）進(jìn)入彈性卡爪5的內(nèi)孔，使卡爪端頭不能向內(nèi)收縮而滑離缸筒6的前導(dǎo)向止動(dòng)斜面E，下位上鎖有桿腔泄壓后該機(jī)構(gòu)鎖始終處于閉合上鎖狀態(tài)。

當(dāng)需要收回作動(dòng)筒活塞桿時(shí)，壓力油經(jīng)作動(dòng)筒的A口進(jìn)入有桿腔，推動(dòng)游動(dòng)活塞4向左移動(dòng)。當(dāng)游動(dòng)活塞4的支撐面D移出彈性卡爪5內(nèi)孔而不再對(duì)其支撐限制時(shí)，在液壓力作用下，彈性卡爪5沿缸筒6的前導(dǎo)向斜面E向內(nèi)收縮，并向右移動(dòng)直至脫離缸筒6的前導(dǎo)向止動(dòng)斜面E——即實(shí)現(xiàn)下位開(kāi)鎖。下位開(kāi)鎖后，作動(dòng)筒的活塞桿2（包括固連在一起的彈性卡爪5、活塞7和緊固件9等）在有桿腔液壓力的作用下繼續(xù)向右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)活塞桿的下位鎖開(kāi)鎖后的縮回。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件——彈性卡爪的設(shè)計(jì)和分析

對(duì)于圖1給出的彈性卡爪鎖結(jié)構(gòu)，通常結(jié)構(gòu)布置空間較小，除要計(jì)算和選好彈簧參數(shù)及設(shè)計(jì)鎖機(jī)構(gòu)中的其它零件外，關(guān)鍵是彈性卡爪5的設(shè)計(jì)，它的設(shè)計(jì)直接決定著卡爪鎖功能和性能。根據(jù)國(guó)內(nèi)外資料和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)彈性卡爪5的設(shè)計(jì)通常應(yīng)重點(diǎn)考慮如下幾點(diǎn)[2]：

（1）為增大承載能力，應(yīng)選用強(qiáng)度值高，塑性好的材料。以便于設(shè)計(jì)出重量輕、結(jié)構(gòu)尺寸小、承載大的卡爪結(jié)構(gòu)。常用選材料有：30CrMnSiA、35Cr2Ni4MoA和40CrNi2Si2MoVA等。

（2）如圖2所示，彈性卡爪的前后導(dǎo)向斜面的導(dǎo)向角度（θ1、θ2）要盡可能合理，同時(shí)導(dǎo)向面的表面粗糙度要小，拐角處圓角要拋光，以使上鎖和開(kāi)鎖壓力不因摩擦力而過(guò)大、不劃傷缸筒上的導(dǎo)向斜面。通常取 θ1＝ 30°，θ2＝ 60°，導(dǎo)向斜面的粗糙度取 Ra0.8。

（3）彈性卡爪爪寬和數(shù)量要適當(dāng)，卡爪長(zhǎng)度L要盡可能長(zhǎng)。除應(yīng)滿(mǎn)足卡爪受拉、卡爪承壓斜面受擠壓的強(qiáng)度要求外，卡爪上鎖和開(kāi)鎖時(shí)爪瓣根部彎曲應(yīng)力要盡可能小，以提高爪瓣的壽命，同時(shí)還應(yīng)滿(mǎn)足活塞桿向外伸出時(shí)上鎖壓力和活塞桿收回時(shí)的開(kāi)鎖壓力要求。

參見(jiàn)圖1，開(kāi)鎖時(shí)，來(lái)自A口的開(kāi)鎖壓力將游動(dòng)活塞4向左推動(dòng)使其脫離彈性卡爪5的內(nèi)孔，并推動(dòng)彈性卡爪5向右移動(dòng)，沿缸筒6的前導(dǎo)向斜面E向內(nèi)縮入缸筒內(nèi)腔實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖，卡爪向內(nèi)收縮變形可簡(jiǎn)化成懸臂梁的變形。卡爪向內(nèi)縮入缸筒的受力可簡(jiǎn)化成圖2所示模型（圖2為上鎖時(shí)卡爪受力模型），經(jīng)分析推導(dǎo)[3]，變形受載、上鎖和開(kāi)鎖壓力可按簡(jiǎn)化公式①進(jìn)行分析和判定，爪瓣根部彎剪當(dāng)量應(yīng)力σe可按公式②分析和判定；爪瓣拉伸應(yīng)力σt按公式③分析和判定，活塞桿受壓，卡爪端部斜面擠壓應(yīng)力σjy可按公式④分析和判定。彈性卡爪實(shí)物圖見(jiàn)圖3。

圖2 彈性卡爪鎖上鎖受力示意圖

圖3 彈性卡爪實(shí)物圖

式中：P為單瓣卡爪縮進(jìn)缸筒內(nèi)孔變形δ所需徑向力；

δ為卡爪端部開(kāi)鎖時(shí)進(jìn)入缸筒內(nèi)變形量，δ=（D1-D2）/2；

E為卡爪材料的彈性模量；b為單瓣卡爪根部彎曲截面寬度；L為卡爪彎曲段懸臂長(zhǎng)度Fp為卡爪縮進(jìn)缸筒內(nèi)孔變形所需軸向力；μ為卡爪與缸筒斜面間的摩擦系數(shù)（≤0.15）；p為作動(dòng)筒開(kāi)鎖壓力；n為卡爪爪瓣數(shù)量；t為兩個(gè)爪瓣間開(kāi)槽寬度；A為作動(dòng)筒開(kāi)鎖/上鎖液壓力作用（有桿腔/無(wú)桿腔）面積；σb為卡爪材料許用應(yīng)力；A1為所有卡瓣受拉時(shí)根部彎曲截面處面積，。

通常，由于結(jié)構(gòu)布置空間小，上鎖或開(kāi)鎖時(shí)的卡爪根部的等效應(yīng)力較大，為降低該等效應(yīng)力，從公式②知可增大爪瓣根部厚度h和減少?gòu)澢鷳冶坶L(zhǎng)度L，但從公式①知這會(huì)增大開(kāi)鎖和上鎖液壓壓力。設(shè)計(jì)時(shí)，可先根據(jù)結(jié)構(gòu)空間確定一個(gè)缸筒內(nèi)腔凸臺(tái)的內(nèi)徑 D1、變形量（如取 δ=1.5 ～ 2 mm）、d1和 L1，然后根據(jù)公式①、②、③、④及其設(shè)計(jì)判據(jù)要求反復(fù)計(jì)算替代分析算出 d2、t和 n。

按上述分析方法設(shè)計(jì)的卡爪鎖經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，公式①簡(jiǎn)化計(jì)算確定的作動(dòng)筒活塞桿下位開(kāi)鎖壓力和上鎖壓力（取μ=0.15時(shí)）較為保守，用該簡(jiǎn)化計(jì)算能保證試驗(yàn)上鎖和開(kāi)鎖壓力值要求。

（4）為提高彈性卡爪鎖的上鎖和開(kāi)鎖使用壽命，應(yīng)降低彈性卡爪根部的應(yīng)力集中，可增大彈性卡爪根部圓角半徑或在彈性卡爪根部鉆圓孔，并將棱邊拋光。在確定好彈性卡爪結(jié)構(gòu)尺寸后，通過(guò)有限元進(jìn)行卡爪鎖壽命評(píng)估，確保這種機(jī)械鎖的關(guān)鍵件——彈性卡爪的使用壽命符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)上述分析和設(shè)計(jì)的彈性卡爪鎖結(jié)構(gòu)，很好地通過(guò)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)鑒定工作循環(huán)試驗(yàn)。其優(yōu)點(diǎn)是：彈性卡爪在上鎖和開(kāi)鎖進(jìn)入缸筒內(nèi)的活塞密封表面期間，卡爪爪頭外徑面不會(huì)和缸筒內(nèi)腔密封面相接觸，避免了卡環(huán)鎖的卡環(huán)在退出鎖槽漲開(kāi)后劃蹭缸筒密封面的缺點(diǎn)；同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)彈性卡爪后面的調(diào)整墊片厚度可控制鎖的下位間隙；彈性卡爪鎖結(jié)構(gòu)可承受較大的軸向拉載荷；利用卡爪變形可很好地控制上鎖和開(kāi)鎖壓力。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按上述分析設(shè)計(jì)的某卡爪鎖結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，卡爪零件實(shí)物見(jiàn)圖3?？ㄗΣ牧蠟闉?0CrNi2Si2MoV，E=205 GPa，相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸為 δ=（55-52）/2=1.5 mm，h=（51-47）/2=2 mm，t=1.8 ～ 2 mm，L=35 mm，n=18，μ =0.1，有桿腔尺寸為 Φ58 × 40 mm，無(wú)桿腔尺寸為Φ58 mm。計(jì)算開(kāi)鎖壓力≈2.8 MPa（空載時(shí)設(shè)計(jì)要求值為0.8 MPa≤P＜3 MPa），計(jì)算上鎖壓力≈1.5 MPa（空載時(shí)設(shè)計(jì)要求值為≯2 MPa）?？ㄗ︽i壽命壽命估算值約為25 650次工作循環(huán)。安裝此卡爪鎖作動(dòng)筒的試驗(yàn)圖見(jiàn)下圖4，試驗(yàn)結(jié)果如圖4。

圖4 卡爪鎖作動(dòng)筒試驗(yàn)圖

開(kāi)鎖和上鎖壓力檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，活塞桿端不帶載時(shí)。在生產(chǎn)的多件產(chǎn)品試驗(yàn)中，上鎖壓力試驗(yàn)實(shí)測(cè)值在1.3～2.0 MPa間，開(kāi)鎖壓力試驗(yàn)實(shí)測(cè)值在1.25～1.4 MPa之間，符合設(shè)計(jì)要求值。

安裝上述尺寸卡爪鎖的某作動(dòng)筒按標(biāo)準(zhǔn)[4]進(jìn)行了耐久性工作循環(huán)試驗(yàn)。安裝見(jiàn)圖4，一個(gè)工作循環(huán)試驗(yàn)方法為：模擬作動(dòng)筒的工作歷程，即：從活塞桿收回到底→活塞桿受壓載4 000 N伸出上鎖→加壓載Ftu=60 000 N→活塞桿受拉載4 000 N開(kāi)鎖并收回到底。試驗(yàn)經(jīng)歷了20 000多次的上鎖、開(kāi)鎖和收放承載工作循環(huán)試驗(yàn)，鎖壽命滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的20 000次工作循環(huán)要求，功能性能穩(wěn)定、工作可靠。同時(shí)按此設(shè)計(jì)的其它卡爪鎖結(jié)構(gòu)也得到了較好的試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的作動(dòng)筒彈性卡爪鎖的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)輕巧、布置緊湊、上鎖和開(kāi)鎖原理簡(jiǎn)單、承載能力大、設(shè)計(jì)與簡(jiǎn)化分析方法簡(jiǎn)單易行，可供作動(dòng)筒內(nèi)置鎖的設(shè)計(jì)時(shí)參考。