機(jī)械鎖緊液壓缸的改進(jìn)設(shè)計(jì)

石生龍，詹傳明

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)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(chǎng)合均要求液壓缸活塞桿能長(zhǎng)時(shí)間停留在某一固定位置，即在外負(fù)載作用下無(wú)位移。傳統(tǒng)的做法是設(shè)計(jì)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(yīng)回路，達(dá)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(zhǎng)時(shí)間停留在某一固定位置，特別是在大負(fù)載情況下，泄漏更嚴(yán)重，因此在大負(fù)載及對(duì)鎖緊位置要求較高的場(chǎng)合，傳統(tǒng)的液壓缸及液壓閥鎖緊技術(shù)不能滿足使用要求，因此必須采用特殊結(jié)構(gòu)的機(jī)械鎖緊液壓缸。

某型UUV液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求在液壓缸縮回時(shí)保持長(zhǎng)時(shí)間可靠鎖緊，由于其對(duì)鎖緊位置要求較高，因此液壓缸采用了機(jī)械鎖緊結(jié)構(gòu)。然而在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，液壓缸鎖緊不可靠，時(shí)而鎖緊，時(shí)而鎖不緊，當(dāng)液壓缸鎖緊失效后，將直接導(dǎo)致其所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載與UUV平臺(tái)形成較大角度，破壞UUV的流體外形，最終導(dǎo)致UUV平臺(tái)在航行過(guò)程中，流體阻力過(guò)大，能耗增加，給UUV平臺(tái)的安全帶來(lái)隱患。文中通過(guò)對(duì)該水下液壓系統(tǒng)液壓缸鎖緊機(jī)構(gòu)的分析，查找出鎖緊不可靠的主要原因，提出一種改進(jìn)方案，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 液壓缸機(jī)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(shè)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(gè)，液壓缸縮回時(shí)，活塞4在液壓力的作用下，運(yùn)動(dòng)到極左位置，在彈簧7的作用下，控制活塞8推著鋼珠進(jìn)入缸筒2內(nèi)壁的環(huán)形槽中，將活塞4固定住，實(shí)現(xiàn)液壓缸機(jī)械鎖緊。液壓缸伸出時(shí)，進(jìn)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(shí)，壓力油推動(dòng)活塞4向右運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液壓缸的自動(dòng)解鎖。

圖1 液壓缸機(jī)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(duì)液壓系統(tǒng)的影響，為此采用了壓力補(bǔ)償?shù)姆绞剑韵Ｋ畨毫?duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的影響，圖1中的海水壓力補(bǔ)償口可起到抵消系統(tǒng)內(nèi)部補(bǔ)償壓力的作用，卡簧9可實(shí)現(xiàn)控制活塞的止位作用。

2 存在的問(wèn)題及原因

該機(jī)械鎖緊液壓缸在出廠前經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室加載試驗(yàn)，鎖緊效果較好，然而安裝到UUV平臺(tái)上進(jìn)行水下試驗(yàn)時(shí)，卻出現(xiàn)鎖緊動(dòng)作不可靠的情況。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)情況，作者分析出了造成鎖緊不可靠的主要原因:

(1)UUV平臺(tái)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(zhǎng)，且通徑較小，回油腔背壓較高;而試驗(yàn)室使用的管路較短，通徑也較大，背壓較小。當(dāng)?shù)皆囼?yàn)現(xiàn)場(chǎng)后，鎖緊彈簧的剛度明顯不足，當(dāng)液壓缸回程時(shí)，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(gè)封閉容腔，因而即使是液壓泵停止工作后，彈簧也無(wú)法推動(dòng)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(guò)濾器精度較高，且為初裝系統(tǒng)，回油過(guò)濾器稍有堵塞就會(huì)形成較高的背壓，彈簧也無(wú)法推動(dòng)控制活塞實(shí)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(duì)熱處理要求較高。實(shí)際使用的不銹鋼彈簧由于加工工藝及熱處理質(zhì)量等問(wèn)題，導(dǎo)致初始調(diào)試時(shí)沒(méi)有問(wèn)題，多次動(dòng)作后，鎖緊動(dòng)作就不靈敏了。

針對(duì)以上分析的原因，作者也采取了一些措施，如取消回油過(guò)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(yīng)力工作狀態(tài)，容易疲勞破壞，導(dǎo)致彈性降低，因此始終存在較大風(fēng)險(xiǎn)。另外在實(shí)際使用中，該液壓缸鎖緊結(jié)構(gòu)在解鎖伸出后，由于受負(fù)載高壓的影響，總會(huì)從控制活塞動(dòng)密封處滲出一點(diǎn)液壓油到海水環(huán)境中，這對(duì)帶有壓力補(bǔ)償?shù)暮Ｋ簤合到y(tǒng)極為不利。

3 改進(jìn)方案

經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件，對(duì)液壓缸做如下改進(jìn):

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

圖2 改進(jìn)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(wú)需使用其他控制油路，液壓缸縮回時(shí)，有桿腔的高壓油始終驅(qū)動(dòng)控制活塞伸出，保證鎖緊動(dòng)作無(wú)誤。改進(jìn)后的液壓缸管路不用增加，油缸長(zhǎng)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(lái)實(shí)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(dǎo)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(jī)械鎖緊出現(xiàn)問(wèn)題，液壓鎖緊還可以在一定時(shí)間內(nèi)保持液壓缸不動(dòng)。

4 測(cè)試試驗(yàn)

為檢測(cè)液壓缸實(shí)際鎖緊效果，設(shè)計(jì)了如圖3所示的加載液壓系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)對(duì)被試液壓系統(tǒng)液壓缸施加主動(dòng)負(fù)載，液壓系統(tǒng)中有兩個(gè)加載油缸，載荷的大小可根據(jù)實(shí)際工況需要，通過(guò)調(diào)節(jié)加載液壓系統(tǒng)中的溢流閥來(lái)設(shè)定，以模擬實(shí)際工況，檢驗(yàn)鎖緊效果。

圖3 加載液壓系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試10 h，在額定載荷鎖緊狀態(tài)下鎖緊可靠，在試驗(yàn)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(shí)際使用。

5 結(jié)論

作者結(jié)合UUV液壓系統(tǒng)液壓缸實(shí)際使用環(huán)境及工況，對(duì)原有機(jī)械鎖緊結(jié)構(gòu)存在問(wèn)題進(jìn)行了分析，采用機(jī)械及液壓兩種方式對(duì)鎖緊液壓缸進(jìn)行了改進(jìn)并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)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(dá)到了預(yù)期的效果。

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