新型集成式輪邊制動(dòng)器液壓缸的設(shè)計(jì)*

馮文慧 ， 姚 慶 ， 陳 強(qiáng) ， 馬曉三，2

（1.黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950；2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000）

液壓輪邊制動(dòng)器是港口、碼頭等室外大中型起重機(jī)及港口裝卸機(jī)械重要的安全保護(hù)裝置，主要用于整機(jī)防風(fēng)制動(dòng)和非工作狀態(tài)下的輔助防風(fēng)制動(dòng)[1]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)輪邊制動(dòng)器的研究主要圍繞實(shí)際安裝應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題分析[2]、制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計(jì)以及輪邊制動(dòng)器的防風(fēng)性能的論證和制動(dòng)的有限元分析[3-5]、智能輪邊制動(dòng)器壓力補(bǔ)償監(jiān)控系統(tǒng)[6]等方面展開(kāi)。對(duì)于制動(dòng)器的制動(dòng)裝置外的驅(qū)動(dòng)裝置研究一直以來(lái)采用傳統(tǒng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)和控制方式，并沒(méi)有對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)裝置集成系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化[7-9]。目前，液壓輪邊制動(dòng)器將液壓泵站與制動(dòng)裝置分開(kāi)設(shè)置[10]，由于液壓泵站體積龐大，導(dǎo)致輪邊制動(dòng)器空間體積較大，嚴(yán)重制約了這類(lèi)產(chǎn)品的推廣使用。本研究根據(jù)輪邊制動(dòng)器的工作特點(diǎn)，將液壓泵站與制動(dòng)裝置的液壓缸集成于一體[11-12]，設(shè)計(jì)出了一種新型電液集成式輪邊制動(dòng)器液壓缸，以減小輪邊制動(dòng)器的空間體積，減輕重量，提高產(chǎn)品的推廣使用價(jià)值。

1 新型液壓輪邊制動(dòng)器的工作原理

為了縮小產(chǎn)品體積，新型電液輪邊制動(dòng)器在以往產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，將液壓泵站和制動(dòng)裝置集成為整體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。工作原理如下：液壓系統(tǒng)在電控系統(tǒng)指令下向制動(dòng)器油缸供給壓力油，推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)并進(jìn)一步壓縮碟簧，制動(dòng)襯墊在制動(dòng)臂的牽引下脫離車(chē)輪輪邊，制動(dòng)力矩消除；液壓系統(tǒng)在電控系統(tǒng)指令控制下接通回油通道，壓力油在碟簧力作用下回流，碟簧力通過(guò)制動(dòng)臂與制動(dòng)襯墊傳遞到車(chē)輪輪邊上，產(chǎn)生規(guī)定的制動(dòng)力矩。在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品布局集成化的基礎(chǔ)上[13-14]，為使制動(dòng)器制動(dòng)性能不受影響[15-16]，新型制動(dòng)器液壓缸驅(qū)動(dòng)裝置的控制可以采用PLC 或者單片機(jī)進(jìn)行控制，控制方式的智能化程度也得到了提升。

圖1 液壓輪邊制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

2 新型制動(dòng)器液壓缸的設(shè)計(jì)

以往設(shè)計(jì)的液壓輪邊制動(dòng)器包括制動(dòng)架以及設(shè)置在制動(dòng)架上的液壓缸，液壓缸包括缸體和設(shè)置在缸體內(nèi)的活塞桿，活塞桿的輸出端傳動(dòng)連接有制動(dòng)臂，通過(guò)活塞桿的伸縮實(shí)現(xiàn)制動(dòng)臂的收縮，同時(shí)在缸體內(nèi)活塞桿上套設(shè)有碟簧，正常工作狀態(tài)下，由于碟簧的存在會(huì)頂壓活塞桿伸出，此時(shí)制動(dòng)器為制動(dòng)狀態(tài)，而液壓油施壓會(huì)驅(qū)動(dòng)活塞桿回縮到活塞腔，這時(shí)制動(dòng)裝置則解除制動(dòng)。液壓缸配置有液壓控制油路，液壓控制油路的輸入端連接液壓站，正常工作情況下，液壓泵站向液壓控制油路供油，通過(guò)液壓控制油路中的電磁閥、單向閥等閥組結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)向缸體內(nèi)供油和回油，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)缸體內(nèi)活塞桿的伸縮驅(qū)動(dòng)。液壓站與缸體為分體結(jié)構(gòu)，通過(guò)外界油管連接在一起，占用空間較大，在實(shí)際使用過(guò)程中，非常容易導(dǎo)致油液泄漏，污染環(huán)境，后期維護(hù)清理非常麻煩。

針對(duì)傳統(tǒng)的電力液壓制動(dòng)器設(shè)計(jì)、制造和使用中存在的問(wèn)題，對(duì)一種新型電液一體化集成式工業(yè)制動(dòng)器的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)液壓泵站、制動(dòng)缸和制動(dòng)執(zhí)行元件等結(jié)構(gòu)的體積最小化。這種新型電液一體化集成式制動(dòng)缸包括液壓缸體、油箱體（油缸）、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及連接在油箱體上的閥塊，液壓缸體內(nèi)的腔室為活塞腔，油箱體（油缸）內(nèi)的腔室為儲(chǔ)油腔，活塞腔內(nèi)導(dǎo)向穿裝有活塞桿，閥塊、油箱體（油缸）與液壓缸體為一體成型結(jié)構(gòu)或液壓缸體通過(guò)油箱體（油缸）與閥塊連接為集成式結(jié)構(gòu)，閥塊具有進(jìn)油油道，進(jìn)油油道的兩端口分別為進(jìn)油口和出油口，液壓缸體和油箱體（油缸）之間設(shè)有回油油道；油箱體腔內(nèi)設(shè)有加壓油泵，閥塊上安裝有驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)油油道內(nèi)設(shè)有單向閥，閥塊內(nèi)還設(shè)有回流油道，回流油道上連接電磁閥，液壓缸體裝有制動(dòng)簧，以實(shí)現(xiàn)缸體的運(yùn)動(dòng)復(fù)位，以上設(shè)計(jì)能夠減少制動(dòng)器液壓管路布置，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能和布局。

2.1 新型制動(dòng)器液壓缸結(jié)構(gòu)介紹

新型集成式液壓缸的應(yīng)用實(shí)例如圖2 所示，從圖2 可以看到液壓缸整體穿裝于下方的儲(chǔ)油箱（油缸）箱體里并固定連接，箱體內(nèi)部就形成了儲(chǔ)油腔，儲(chǔ)油箱（油缸）由閥塊和箱體側(cè)壁構(gòu)成，同時(shí)液壓缸無(wú)桿腔側(cè)壁上設(shè)有通孔與儲(chǔ)油腔實(shí)現(xiàn)連通，閥塊上的出油口與液壓缸有桿腔的加壓油口通過(guò)中間油道連接，也可以通過(guò)高壓膠管與液壓缸體有桿腔上方開(kāi)設(shè)的接口連接，這樣就形成了整個(gè)油路的內(nèi)循環(huán)通道，從而實(shí)現(xiàn)液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)。而活塞桿的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)了外部連接的制動(dòng)裝置的活動(dòng)制動(dòng)杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)效果，同時(shí)，液壓缸箱體底板下方焊接有連接另一個(gè)制動(dòng)杠桿的固定安裝部位，使制動(dòng)杠桿通過(guò)銷(xiāo)軸與液壓缸鉸接連接。

圖2 新型集成式制動(dòng)器液壓缸結(jié)構(gòu)（上）及外觀（下）圖

從圖2（上半部分）液壓缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)中可以看到，箱體的中部位置通過(guò)隔板將箱體內(nèi)部分隔開(kāi)，形成了左右兩個(gè)腔室，左腔室和液壓缸連接構(gòu)成了活塞腔，而右腔室和閥塊連接構(gòu)成了儲(chǔ)油腔。整個(gè)箱體內(nèi)部充滿(mǎn)了液壓油，箱體的左右側(cè)壁上設(shè)置有堵頭，堵頭處可以實(shí)現(xiàn)向箱體充油或者排油。閥塊是用于連接活塞腔和儲(chǔ)油腔的油路通道，連接活塞腔的有桿腔和儲(chǔ)油腔的是進(jìn)油的通道，進(jìn)油通道的兩端口被稱(chēng)為進(jìn)油口和出油口；連接活塞腔的無(wú)桿腔和儲(chǔ)油腔的是回油的通道，回油通道位于中間隔板上左右延伸。閥塊上方的驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)電機(jī)軸連接到閥塊中心的通孔處，閥塊下方的液壓泵被驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)液壓泵工作泵油。連通出油口和儲(chǔ)油腔的通道稱(chēng)為回流的通道，液壓缸缸筒內(nèi)部裝配有制動(dòng)碟簧，制動(dòng)碟簧為復(fù)位簧，頂壓裝配于活塞桿和液壓缸體內(nèi)壁的臺(tái)階面上，制動(dòng)簧用于在回流的通道連通之后驅(qū)動(dòng)活塞桿伸出，進(jìn)而帶動(dòng)制動(dòng)杠桿使制動(dòng)器處于夾緊狀態(tài)；回流通道斷開(kāi)后，液壓泵泵出的高壓油通過(guò)進(jìn)油的通道進(jìn)入活塞腔的有桿腔，有桿腔和無(wú)桿腔之間形成壓力差時(shí)，會(huì)推動(dòng)活塞桿縮回至活塞缸內(nèi)，無(wú)桿腔里的液壓油通過(guò)回油油道進(jìn)入儲(chǔ)油腔來(lái)補(bǔ)償液壓油，在這個(gè)過(guò)程中，活塞桿帶動(dòng)和它連接的制動(dòng)杠桿張開(kāi)解除制動(dòng)。

2.2 新型制動(dòng)器液壓缸閥塊內(nèi)部油路介紹

制動(dòng)器液壓缸閥塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示，閥塊內(nèi)部設(shè)置有進(jìn)油油道和回流的油道，下方安裝有液壓泵實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)供油并實(shí)現(xiàn)增壓的效果，液壓泵通過(guò)十字接頭與閥塊上方的驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以是直流電機(jī)或交流電機(jī)，電機(jī)軸上安裝有驅(qū)動(dòng)手柄，可以實(shí)現(xiàn)在斷電狀況下用手動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)液壓泵。當(dāng)系統(tǒng)得電時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)液壓泵工作，電磁閥控制使回流的油道處于斷開(kāi)狀態(tài)，儲(chǔ)油腔的油經(jīng)過(guò)液壓泵加壓后形成高壓油，高壓油通過(guò)閥塊上的進(jìn)油通路進(jìn)入液壓缸的有桿腔中，進(jìn)油通路上連接有單向閥、測(cè)壓接頭、壓力繼電器和溢流閥來(lái)控制液壓油的流向、壓力和安全，這樣，液壓缸的有桿腔和無(wú)桿腔之間形成了壓力差，從而使活塞桿移動(dòng)至縮回狀態(tài)。此時(shí)，無(wú)桿腔的液壓油通過(guò)液壓缸側(cè)壁上的通孔流回儲(chǔ)油腔以補(bǔ)給儲(chǔ)油腔的液壓油，同時(shí)，與活塞桿連接的制動(dòng)杠桿移動(dòng)使制動(dòng)器處于打開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)液壓油壓力值達(dá)到壓力繼電器設(shè)置的油壓時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷電，液壓泵停止工作，由于單向閥的設(shè)置，液壓油無(wú)法返回到儲(chǔ)油腔當(dāng)中，故液壓缸活塞處于蓄能保持狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)失電時(shí)，回流的油道處于接通狀態(tài)，液壓油通過(guò)回流的油道流回儲(chǔ)油腔，回流的油道上連接有節(jié)流閥和溫度控制開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)回流的液壓油流量和溫度的控制。此時(shí)，實(shí)現(xiàn)活塞桿的伸出，并使與其連接的制動(dòng)杠桿實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

圖3 集成式制動(dòng)器液壓缸閥塊結(jié)構(gòu)

進(jìn)油口在閥塊的底部偏心位置，進(jìn)油口與液壓泵的輸出口連接，進(jìn)油油道中間位置連通進(jìn)油口，出油口可設(shè)置在閥塊左側(cè)側(cè)壁上，以方便與液壓缸體右側(cè)壁接口連接，圖3 所示兩條左右延伸的油路通道平行布置，垂直于兩油道的中間有一條前后延伸的油路通道，第一條油路通道兩側(cè)連接單向閥和溢流閥，垂直油道兩側(cè)連接測(cè)壓接頭和堵頭，第一條油路通道和垂直油路通道連通處安裝單向閥，出油口與垂直油路通道的中心位置連通，回流的油路通道一端與垂直油路通道連通，另一端連接節(jié)流閥和電磁閥，電磁閥和儲(chǔ)油箱連通。

閥塊上的出油口與加壓油口通過(guò)布置在中間隔板上的V 型油道連通，V 型油道兩端口朝上，一端與閥塊上的出油口貼合連通，另一端與缸體上的加壓油口貼合連通，油腔里的高壓油經(jīng)過(guò)加壓油口流進(jìn)到活塞桿下臺(tái)階面和液壓缸內(nèi)壁上的限位面之間設(shè)置的環(huán)空中，為防止液壓油從環(huán)空中移除到無(wú)桿腔，在活塞桿的下臺(tái)階面下方的側(cè)壁與缸體之間裝上了密封圈，這樣高壓油就可以進(jìn)入環(huán)空，進(jìn)而頂推活塞桿縮回到活塞腔。

3 結(jié)論

本研究介紹的液壓缸能夠?qū)崿F(xiàn)液壓泵站與制動(dòng)裝置的液壓缸集成化結(jié)構(gòu)，具有體積小、重量輕、外部無(wú)外接管路泄漏風(fēng)險(xiǎn)，液壓傳動(dòng)效率高。內(nèi)部油缸與油箱相通，油缸的泄漏直接流回油箱，減少了外部泄漏。同時(shí)具有手動(dòng)功能，使操作更加方便。此外，該新型液壓缸除了可以和輪邊制動(dòng)器的制動(dòng)裝置配合使用外，還可以應(yīng)用于安全制動(dòng)器、電液夾軌器等制動(dòng)裝置，構(gòu)成各種新類(lèi)型的液壓制動(dòng)器，它能夠使液壓制動(dòng)器具有集成程度高、體積小、重量輕、容易安裝、免維護(hù)的特點(diǎn)，同時(shí)可為其他大型裝備液壓制動(dòng)器的設(shè)計(jì)和制造提供借鑒和參考。