可调型机械式自锁液压缸设计
2017-6-28 来源：安徽理工大学 机械工程学院 作者：骆支宝 郑露 李刚
摘要：液压缸作为液压系统中重要的执行元件之一，当液压缸需要在某一位置长时间锁定时，现有采用的液压自锁方式就难以满足安全等要求。在这种背景下，改进设计了一种可调型机械式自锁液压缸，通过自身的机械自锁结构达到锁定的要求。利用 Solid Works/Simulation 对液压缸的拨叉进行有限元分析，结果表明液压缸的拨叉的应力以及变形量均在安全范围内 。
关键词：可调型；自锁液压缸；有限元分析
随着机械化发展水平迅速提高，液压传动已成为一门必不可少的技术，应用于各种机械、机床和设备之中。在液压系统中，液压缸作为一种执行元件，其规格、种类日益齐全，结构也在不断变化。如用于仪表器和生活设施的液压缸，其直径仅在 4mm 左右，配置在大型机械设备上的液压缸，直径可达 1.8m，有的长度超过 5m，有的吨位高达万吨。液压缸应用范围也越来越广，如工程机械、矿山机械、金属切削机床、锻压机床、军事、航空等领域有着大量的需求。实现自锁功能的液压缸种类主要有三类：一是在液压系统中使用液压锁（或者平衡阀）；二是在液压缸内使用锁紧套；三是采用插销机构或垫块固定活塞杆。对于这三类自锁方式，都有各自优势和应用范围。而在航空航天，军事等特殊领域，液压锁紧方式存在不足，特别是当液压缸在某一位置要求长时间锁定、高要求定位以及安全，采用液压锁等方式就难以满足要求。在这种背景下，改进设计了一种可调型机械式自锁液压缸，通过自身的机械自锁结构达到锁紧的要求，可进一步拓宽液压缸的使用范围。
1.设计思路
如图 1 所示为常见的单杆双作用液压缸的结构简图，由于常见的机械自锁液压缸内部结构尺寸较小，其内部可利用的空间收到约束，而机械自锁机构一般均安装在缸筒内部，因此存在的以下问题：一是对加工精度要求高，增加加工难度；二是不便于零件安装及后期的维护。
图 1 单杆双作用液压缸的结构简图
考虑到在液压缸外部设计锁定机构，不受缸筒内部空间的限制，且机构的可移植性好。基本思路是在单杆双作用液压缸结构的基础上对称设置两组齿轮齿条机构，如图 2 所示为机械式自锁液压缸结构简图。其工作过程是利用齿轮箱体两侧的齿轮齿条机构实现对活塞杆运动的约束，并通过电磁控制式的拨叉带动牙嵌式离合器，实现对齿轮轴的锁定，进而实现锁定活塞杆的功能。
图 2 机械式自锁液压缸结构简图
利用 Solid Works 建立机械式自锁液压缸三维模型示意图，如图3 所示，图中可见齿轮齿条机构对称式分布，其优点在于利于液压缸的整体平衡，增加稳定性。
图 3 机械式自锁液压缸三维模型示意图
2.可调型机械式自锁液压缸工作原理及创新点
2.1 工作原理
如图 4 所示为电磁控制式拨叉与牙嵌式离合器相对位置示意图，图中上侧呈 L 型的为拨叉部件，其上安装有电磁铁。电磁铁正下放安装有一圆形永 磁体，电磁铁的控制电路简单可靠，其中控制开关可与手动换向阀结合，实现联动控制，同时也可以与电磁阀配合使用，实现自动化控制。
图 4 电磁控制式拨叉与牙嵌式离合器相对位置示意图
当需要伸缩活塞杆时，通过使电磁铁得电并其下方的永磁铁同极相斥，在斥力作用下推动拨叉转动，进而使牙嵌式离合器分离，实现了齿轮的解锁同时活塞杆可自由移动。当换向阀回中位时，电磁铁失电，在永磁铁的磁吸力作用下拨叉归位，拨叉推动牙嵌式离合器啮合，实现对齿轮的锁定，活塞杆伸缩停止。
2.2 创新点
（1）液压缸采用齿轮齿条结构，结构简单，通过电磁控制齿轮的移动来固定齿条，移动过程中具有平稳性，进而实现缸任意时刻的自锁；同时采用两侧对称分布方式，增加了液压缸整体的平衡与稳定性。
（2） 液压缸工作位置精准，长时间停机无任何位移变液压化，并在工作位置锁紧，当液压油缸出现断油或漏油的情况时，能够通过齿轮齿条，绝对安全可靠。
（3） 液压油缸带杆活塞采用阶梯型缓冲结构以及相配套的缸盖，起到很好的缓冲作用。
3.拨叉的受力分析
拨叉装置起到控制整个牙嵌式离合器结合和分离的作用，如图5 所示。拨叉主体采用 45 号钢折弯，拨爪淬火处理 HRC50-62 以提高表面耐磨性。
图 5 拨叉结构图
由于拨叉的形状不规则，无法通过普通计算对其进行受力分析，利用三维建模软件 Solid Works 建立三维模型，并利用 Simulation进行有限元分析，获得拨叉的整体应力及位移图解。
图 6 拨叉位移云图
图 6 所示为拨叉位移云图，有图可见在拨叉的上端部变形量较大，下端部变形量较小，整体变形量变化情况较为理想。最大变形量在电磁铁末端为 1.174 mm，变形量很小可忽略不计，拨叉变形量满足要求。
图 7 拨叉应力云图
图 7 为拨叉应力云图，从图中可见在拨叉在工作过程中只要受力位置位于拨叉的弯部，该处是拨叉整体最为最弱部分。其中拨叉材料为 45 号钢调质，材料的屈服极限 σs=360MPa，在电磁铁推力F=300N 的作用下叉体上应力最大值为 189.4MPa，拨叉主体满足强度要求。
4.结束语
该设计的液压缸与国内液压锁的工作原理不同，通过齿轮齿条结构来锁紧活塞杆，且其设计也突破了一般液压缸的传统模式，结构紧凑，能精确定位。同时拨叉部件的应力以及变形量均满足要求。这种可调型机械式自锁液压缸除了满足航空航天、军事等特殊领域的要求，还可以满足工业上如采煤和冶金行业等发展的需求，在工业上具有很好的市场前景。
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