機械鎖緊液壓缸的改進設計

石生龍，詹傳明

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003)

液壓缸作為液壓行業(yè)的常用執(zhí)行器之一，在很多場合均要求液壓缸活塞桿能長時間停留在某一固定位置，即在外負載作用下無位移。傳統(tǒng)的做法是設計鎖緊回路，一般是利用O型或H型三位四通換向閥、單向閥、液控單向閥、雙向液壓鎖等構(gòu)成相應回路，達到單向或雙向鎖緊目的。然而由于液壓缸及液壓閥鎖緊方式均不可避免地存在泄漏，不能保證活塞桿長時間停留在某一固定位置，特別是在大負載情況下，泄漏更嚴重，因此在大負載及對鎖緊位置要求較高的場合，傳統(tǒng)的液壓缸及液壓閥鎖緊技術不能滿足使用要求，因此必須采用特殊結(jié)構(gòu)的機械鎖緊液壓缸。

某型UUV液壓系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)要求在液壓缸縮回時保持長時間可靠鎖緊，由于其對鎖緊位置要求較高，因此液壓缸采用了機械鎖緊結(jié)構(gòu)。然而在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，液壓缸鎖緊不可靠，時而鎖緊，時而鎖不緊，當液壓缸鎖緊失效后，將直接導致其所驅(qū)動的負載與UUV平臺形成較大角度，破壞UUV的流體外形，最終導致UUV平臺在航行過程中，流體阻力過大，能耗增加，給UUV平臺的安全帶來隱患。文中通過對該水下液壓系統(tǒng)液壓缸鎖緊機構(gòu)的分析，查找出鎖緊不可靠的主要原因，提出一種改進方案，并通過試驗驗證。

1 液壓缸機械鎖緊結(jié)構(gòu)及工作原理

該液壓缸采用鋼球自鎖結(jié)構(gòu)，這種自鎖裝置設在液壓缸的端部，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。鋼球10被約束在活塞4環(huán)套內(nèi)，共6個，液壓缸縮回時，活塞4在液壓力的作用下，運動到極左位置，在彈簧7的作用下，控制活塞8推著鋼珠進入缸筒2內(nèi)壁的環(huán)形槽中，將活塞4固定住，實現(xiàn)液壓缸機械鎖緊。液壓缸伸出時，進油口通入液壓油，控制活塞8在液壓力的作用下壓縮彈簧7，使鋼球10從環(huán)形槽中脫出，此時，壓力油推動活塞4向右運動，實現(xiàn)液壓缸的自動解鎖。

圖1 液壓缸機械鎖緊結(jié)構(gòu)

由于該液壓缸工作在較深的海水環(huán)境下，因此必須考慮環(huán)境壓力對液壓系統(tǒng)的影響，為此采用了壓力補償?shù)姆绞剑韵Ｋ畨毫?zhí)行機構(gòu)的影響，圖1中的海水壓力補償口可起到抵消系統(tǒng)內(nèi)部補償壓力的作用，卡簧9可實現(xiàn)控制活塞的止位作用。

2 存在的問題及原因

該機械鎖緊液壓缸在出廠前經(jīng)過試驗室加載試驗，鎖緊效果較好，然而安裝到UUV平臺上進行水下試驗時，卻出現(xiàn)鎖緊動作不可靠的情況。通過對比試驗室與現(xiàn)場情況，作者分析出了造成鎖緊不可靠的主要原因:

(1)UUV平臺受結(jié)構(gòu)布置的影響，液壓缸距離液壓源將近9 m，管路較長，且通徑較小，回油腔背壓較高;而試驗室使用的管路較短，通徑也較大，背壓較小。當?shù)皆囼灛F(xiàn)場后，鎖緊彈簧的剛度明顯不足，當液壓缸回程時，背壓將鎖緊活塞推向最靠后位置，這種情況下，鎖緊活塞與液壓缸活塞之間是一個封閉容腔，因而即使是液壓泵停止工作后，彈簧也無法推動控制活塞將這里的液壓油擠出，將鋼球推入環(huán)槽內(nèi)。

(2)液壓系統(tǒng)回油過濾器精度較高，且為初裝系統(tǒng)，回油過濾器稍有堵塞就會形成較高的背壓，彈簧也無法推動控制活塞實現(xiàn)液壓缸鎖緊。

(3)由于液壓缸工作環(huán)境的特殊性，鎖緊彈簧與海水接觸，因此必須使用防腐材料。而防腐材料的彈性較差，而且對熱處理要求較高。實際使用的不銹鋼彈簧由于加工工藝及熱處理質(zhì)量等問題，導致初始調(diào)試時沒有問題，多次動作后，鎖緊動作就不靈敏了。

針對以上分析的原因，作者也采取了一些措施，如取消回油過濾器、提高彈簧剛度，但效果仍然不理想。由于其使用環(huán)境及工況的特殊性，彈簧經(jīng)常處于高應力工作狀態(tài)，容易疲勞破壞，導致彈性降低，因此始終存在較大風險。另外在實際使用中，該液壓缸鎖緊結(jié)構(gòu)在解鎖伸出后，由于受負載高壓的影響，總會從控制活塞動密封處滲出一點液壓油到海水環(huán)境中，這對帶有壓力補償?shù)暮Ｋ簤合到y(tǒng)極為不利。

3 改進方案

經(jīng)過前期試驗結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有技術條件，對液壓缸做如下改進:

(1)將開放式彈簧驅(qū)動鎖緊改為密閉式液壓驅(qū)動鎖緊液壓驅(qū)動方式避免了驅(qū)動裝置與海水的接觸，液壓油不存在外泄，鎖緊動作由控制油口液壓油驅(qū)動，主動性強，不受管路背壓、負載壓力及環(huán)境參數(shù)變化的影響，動作可靠。改進后液壓缸鎖緊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進后液壓缸鎖緊結(jié)構(gòu)

其中，鎖緊控制油口與液壓缸有桿腔相連，無需使用其他控制油路，液壓缸縮回時，有桿腔的高壓油始終驅(qū)動控制活塞伸出，保證鎖緊動作無誤。改進后的液壓缸管路不用增加，油缸長度不變，安裝位置不受影響。

(2)增加液壓鎖緊

考慮到該液壓缸鎖緊功能的重要性，在液壓系統(tǒng)中增加了液壓鎖緊，液壓鎖緊是靠密封液壓油來實現(xiàn)的，鎖緊位置很重要。若將液壓鎖緊元件放在液壓站系統(tǒng)內(nèi)部，則一旦液壓管路部分發(fā)生泄漏，將導致鎖緊失效。為最大限度地保證鎖緊有效，將液壓鎖緊元件做防腐處理后，直接安裝在液壓缸上，增加了鎖緊的可靠性，即便是機械鎖緊出現(xiàn)問題，液壓鎖緊還可以在一定時間內(nèi)保持液壓缸不動。

4 測試試驗

為檢測液壓缸實際鎖緊效果，設計了如圖3所示的加載液壓系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)對被試液壓系統(tǒng)液壓缸施加主動負載，液壓系統(tǒng)中有兩個加載油缸，載荷的大小可根據(jù)實際工況需要，通過調(diào)節(jié)加載液壓系統(tǒng)中的溢流閥來設定，以模擬實際工況，檢驗鎖緊效果。

圖3 加載液壓系統(tǒng)

實驗測試10 h，在額定載荷鎖緊狀態(tài)下鎖緊可靠，在試驗中產(chǎn)生的微小位移量為鎖緊鋼球與環(huán)形槽的間隙，不影響實際使用。

5 結(jié)論

作者結(jié)合UUV液壓系統(tǒng)液壓缸實際使用環(huán)境及工況，對原有機械鎖緊結(jié)構(gòu)存在問題進行了分析，采用機械及液壓兩種方式對鎖緊液壓缸進行了改進并經(jīng)試驗驗證。試驗結(jié)果表明:該液壓缸鎖緊結(jié)構(gòu)工作可靠，滿足使用要求，達到了預期的效果。

［1］杜雨軒，吳向東，馮歡歡.一種棱臺活塞桿鎖緊液壓缸［J］.液壓氣動與密封，2012(12):54-55.

［2］賈培起.液壓缸［M］.北京:科學技術出版社，1985.

［3］張愛紅.雙向內(nèi)部鋼球鎖液壓缸［J］.液壓與氣動，2002(4):34-35.