可調型機械式自鎖液壓缸設計
2017-6-28 來源：安徽理工大學 機械工程學院 作者：駱支寶 鄭露 李剛
摘要：液壓缸作為液壓系統中重要的執行元件之一，當液壓缸需要在某一位置長時間鎖定時，現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，改進設計了一種可調型機械式自鎖液壓缸，通過自身的機械自鎖結構達到鎖定的要求。利用 Solid Works/Simulation 對液壓缸的撥叉進行有限元分析，結果表明液壓缸的撥叉的應力以及變形量均在安全范圍內 。
關鍵詞：可調型；自鎖液壓缸；有限元分析
隨著機械化發展水平迅速提高，液壓傳動已成為一門必不可少的技術，應用于各種機械、機床和設備之中。在液壓系統中，液壓缸作為一種執行元件，其規格、種類日益齊全，結構也在不斷變化。如用于儀表器和生活設施的液壓缸，其直徑僅在 4mm 左右，配置在大型機械設備上的液壓缸，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、航空等領域有著大量的需求。實現自鎖功能的液壓缸種類主要有三類：一是在液壓系統中使用液壓鎖（或者平衡閥）；二是在液壓缸內使用鎖緊套；三是采用插銷機構或墊塊固定活塞桿。對于這三類自鎖方式，都有各自優勢和應用范圍。而在航空航天，軍事等特殊領域，液壓鎖緊方式存在不足，特別是當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，改進設計了一種可調型機械式自鎖液壓缸，通過自身的機械自鎖結構達到鎖緊的要求，可進一步拓寬液壓缸的使用范圍。
1.設計思路
如圖 1 所示為常見的單桿雙作用液壓缸的結構簡圖，由于常見的機械自鎖液壓缸內部結構尺寸較小，其內部可利用的空間收到約束，而機械自鎖機構一般均安裝在缸筒內部，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構簡圖
考慮到在液壓缸外部設計鎖定機構，不受缸筒內部空間的限制，且機構的可移植性好?；舅悸肥窃趩螚U雙作用液壓缸結構的基礎上對稱設置兩組齒輪齒條機構，如圖 2 所示為機械式自鎖液壓缸結構簡圖。其工作過程是利用齒輪箱體兩側的齒輪齒條機構實現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，實現對齒輪軸的鎖定，進而實現鎖定活塞桿的功能。
圖 2 機械式自鎖液壓缸結構簡圖
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對稱式分布，其優點在于利于液壓缸的整體平衡，增加穩定性。
圖 3 機械式自鎖液壓缸三維模型示意圖
2.可調型機械式自鎖液壓缸工作原理及創新點
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，其中控制開關可與手動換向閥結合，實現聯動控制，同時也可以與電磁閥配合使用，實現自動化控制。
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動，進而使牙嵌式離合器分離，實現了齒輪的解鎖同時活塞桿可自由移動。當換向閥回中位時，電磁鐵失電，在永磁鐵的磁吸力作用下撥叉歸位，撥叉推動牙嵌式離合器嚙合，實現對齒輪的鎖定，活塞桿伸縮停止。
2.2 創新點
（1）液壓缸采用齒輪齒條結構，結構簡單，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性，進而實現缸任意時刻的自鎖；同時采用兩側對稱分布方式，增加了液壓缸整體的平衡與穩定性。
（2） 液壓缸工作位置精準，長時間停機無任何位移變液壓化，并在工作位置鎖緊，當液壓油缸出現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構以及相配套的缸蓋，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 撥叉結構圖
由于撥叉的形狀不規則，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 撥叉應力云圖
圖 7 為撥叉應力云圖，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 號鋼調質，材料的屈服極限 σs=360MPa，在電磁鐵推力F=300N 的作用下叉體上應力最大值為 189.4MPa，撥叉主體滿足強度要求。
4.結束語
該設計的液壓缸與國內液壓鎖的工作原理不同，通過齒輪齒條結構來鎖緊活塞桿，且其設計也突破了一般液壓缸的傳統模式，結構緊湊，能精確定位。同時撥叉部件的應力以及變形量均滿足要求。這種可調型機械式自鎖液壓缸除了滿足航空航天、軍事等特殊領域的要求，還可以滿足工業上如采煤和冶金行業等發展的需求，在工業上具有很好的市場前景。
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