油缸之剛

文_宋喜秀

油缸之剛

文_宋喜秀

在專用車零部件家族中車用油缸與日俱增：支腿缸“支”地有聲，舉升缸舉重若輕，變幅缸變化多端。液壓油缸猶如變形金剛，為我們演繹了一幕幕“缸”正不阿、“缸”舉目張的動人畫面。

液壓油缸既是剛體力學中典型的液壓雙連桿機構，又是專用汽車的重要組成部分。按運動方式可分為直線往復運動式和回轉擺動式；按液壓力作用情況可分為單作用式、雙作用式；按結構形式可分為活塞式、柱塞式、多級伸縮套筒式、齒輪齒條式等；按安裝形式可分為耳環、拉桿、鉸軸、底腳等；按專用裝置的作業特點分為支腿缸、舉升缸、變幅缸等。及設備安全。

用于半掛車的液壓支腿，包括一個位于半掛車左右縱梁上的油缸缸筒固定架、雙作用式液壓支腿油缸及支腿座，液壓油缸的缸體與缸筒固定架連接，活塞桿與支腿座鉸接。

1 點到為止的支腿缸

液壓雙連桿機構的最經典運用是液壓千斤頂，液壓油按照帕斯卡原理積累能量，擔起千斤重擔。那么，能否將液壓千斤頂的原理用于專用汽車呢？以電控方式取代手工操作的液壓支腿油缸系統應運而生。

液壓支腿油缸系統是以車載蓄電池為電源、將支腿通過安裝支架固定在汽車大梁的合適位置，使用時支腿向下伸出觸地，將車身頂起，使車輛的大部分重量由支腿支撐，從而保持車體的平穩，減輕車輛彈簧鋼板的負載。使用完畢，支腿座向上收起收藏，保持足夠的離地高度，保證行車

1.1 四通閥收放自如

兩條支腿由三位四通手動換向閥控制其伸出和縮回動作。布置在駕駛室的M型三位四通換向閥具有伸、縮換向和中位靜止不動3種控制功能，且工作油路采用并聯方式，保證兩條支腿步調一致且收放自如。

由圖2可知，液壓支腿支撐作業時，換向閥處于出油位置：液壓油長驅直入活塞腔，活塞腔的液壓油通過換向閥回流至油箱，活塞受壓下移，活塞桿向下伸長，將半掛車車身抬高到合適位置后，換向閥回到中間的進出油口封閉位置。座板面積是活塞桿橫截面積N倍多的支腿座，進一步增強了液壓支腿在支承面上的負載能力。液壓支腿收腿作業時，換向閥處于回油位置：支腿油缸的回油系統開啟，活塞桿向上收縮，收縮到初始安裝位置后，換向閥恢復到中間位置，支腿油缸的液壓油停止流動。

1.2 雙向鎖

液壓支腿伸出是否牢固，收縮是否到位，分別關系到半掛車停放和行駛期間的安全可靠性性。因此每個液壓缸均設計有雙向鎖緊回路，使進油與回油連鎖聯控。

(1)壓力解鎖：支腿伸縮作業時，活塞腔、活塞桿腔的單向閥同時打開，油缸油路按設計的程序進油出油。

(2)無壓自鎖：換向閥處于中停位置時，支腿油缸的進出油通道處于無壓自鎖的封閉狀態，戛然而止的液力傳遞，可以避免支腿在行車過程中自行滑落。

(3)雙向互鎖。進油壓力不足時，出油通道也被可靠地鎖住，能夠有效防止在起重作業過程發生“軟腿”現象。

1.3 液壓油“液”往無前

支腿缸將數10 t車身輕松頂起，除了油缸、油閥、油泵等液壓元件自身的精密構造，液壓系統的壓力來源不容忽視。液壓油缸的作用力F(N)、活塞面積S(mm2)與液壓系統壓力p(MPa)的關系：

F=p·S

在相同活塞面積S條件下，液壓系統壓力p越高，液壓油缸的作用力F越大。液壓系統按壓力等級可分為中壓、高壓、中高壓等。足夠的液壓系統壓力是液壓油缸“液”往無前的動力基礎。

表1 液壓系統壓力等級表

表2 擺缸機構連接方式

對于雙作用式支腿缸來說，由于活塞腔面積大于活塞桿腔面積，而活塞移動速度與油壓面積成反比，所以活塞作往復運動的速度也有差別。系統壓力p值越高，要求的活塞桿徑也就越大，對應的往復運動的速比越大。液壓系統壓力等級及對應的速比見表1。

半掛車支腿的發展過程，經歷了從機械式到機械液壓組合式，再到全液壓式的創新和轉型。對支腿收放動作的遠程控制，提高了掛車停車效率，體現了液壓操作系統的先進性。

2 步步高升的舉升缸

最初，擺缸機構應用于自卸車升降系統時，油缸結構形式主要是活塞式，當時自卸車車型也是載質量十分有限的輕型和中型自卸車。隨著重型自卸車市場需求的日益成熟和多級伸縮套筒式液壓油缸生產工藝的不斷成熟，特別是海沃油缸產品的強勢推廣之后，自卸車舉升系統的油缸結構形式逐漸告別了活塞式時代。

套筒式油缸由外缸筒、中間級活塞(桿)和安裝在活塞上及缸筒內的支撐環、導向帶、UN圈、防塵圈、擋圈、擋環等配件組裝而成。套筒式油缸的結構特點是：除外缸筒和末級活塞桿外，中間級活塞(桿)的內腔即是下一級的缸筒——大筒套小筒，一級套一級，所以被稱之為套筒缸。圖3是一種4TG油缸的結構示意圖。

多級伸縮套筒式擺缸機構舉升力量大，工作行程長，能夠將自卸車貨箱直接推舉起來，所以又被稱之為直推式升降系統。多級伸縮套筒式液壓油缸在直推式升降系統中的布局形式五花八門。

2.1 以車為本步步高

事實上，直推式升降系統工作原理與套筒式液壓油缸的套筒伸縮一樣直來直去。假設一級缸筒與副車架鉸接于A點，末級活塞桿與貨箱連接于B點，貨箱與副車架鉸接于O點，初始安裝時，OA=a(m)，OB=b(m)，∠AOB=θ(°)(見圖4),由余弦定理可知，升降缸的安裝尺寸：

AB= a2+b2-2ab·cosθ

如果設計要求貨箱的舉升角度為γ(°),則可同理求得升降缸的工作行程∶

AB′= a2+b2-2ab·cos(θ+γ)

如果設計要求貨箱的舉升力矩為M(Nm), ∠OBA=β(°),一級活塞從液壓系統獲得的壓力為F(N)，則，貨箱獲得的舉升力T(N)滿足以下關系∶

T= F·cos(90°-β)=F·sinβ

M=T·b=F·b·sinβ

由此可以計算液壓系統的壓力及一級活塞的參數。

由F和T的數學關系式可以看出，在貨箱、油缸與副車架組成的△AOB中，角θ及其對邊AB越小，舉升力臂OB和油缸作用力F的夾角β就越大，F轉化成舉升力T的效率越高，舉升缸舉升越省力。所以，中頂自卸車通常采用缸筒中鉸式液壓油缸，而且，為了滿足升降缸的安裝尺寸要求，一級缸筒與副車架的鉸接位置往往偏下布置，也就是使α＜90°。

布置在副車架中部的中鉸式液壓油缸，由于貨箱底部空間的局限性，油缸的工作行程及壓力不能太大，所以適用于輕型、中型自卸車，而且常常2個一組，成對布置成雙缸中頂自卸車。

前頂自卸車為了縮短AB長度，常將上絞軸活接在防護罩上，防護罩與末級活塞桿是剛性連接，能夠準確無誤地將活塞桿推力通過活接絞軸傳遞給貨箱。同時，一級缸筒與副車架的鉸接位置和車廂的翻轉支耳中心O持平，即使α=90°。上下絞軸式液壓油缸布置在副車架的前端，能夠方便地形成較大的舉升力矩，被廣泛應用于重型自卸車。

2.2 同軸共濟“傷不起”

擺缸機構是由剛性構件低副連接組成的平面連桿機構。剛性構件連桿的構造曲線豐富，可實現多種運動學動力學軌跡要求。低副連接的面接觸形式，便于加工容易潤滑，承載能力強。但是，由于運動副過多，累積誤差較大，所以對于形狀和位置公差的要求不容忽視。特別是套筒伸縮式舉升油缸，結構精密，身價高貴，在擺動舉升過程中很容易因為偏心偏位原因而拉傷缸體。

重型自卸車的擺缸機構與副車架及車廂的裝配關系如圖5所示。圖中油缸上絞軸與車廂兩個上固定座連接的中心線，油缸下絞軸與副車架下固定座連接的中心線，車廂后支耳與副車架后支座連接的中心線，是舉升機構裝配過程中應該密切關注的3條中心線。

(1)中心線必須是同心線。如果左右支耳、左右固定座內孔不同心，孔不同心而強行安裝銷軸、絞軸的結果，會導致加速軸或孔的磨損，增大軸與孔的配合間隙，進而為油缸套筒間偏磨以致拉缸創造有利條件。當然，將車廂后支耳的兩根銷軸分別聯結改進為一根通軸聯結，從結構設計和工藝原理上，可以降低孔不同心的可能性。

(2)中心線必須有定位線。為保證鉸軸與孔座組成的轉動副的靈活性，軸與孔在橫向方向也應留有足夠的裝配間隙，三條中心線上的三組裝配也不例外。但是，三組裝配的橫向裝配間隙是有區別的——必須有一組間隙最小的定位轉動副，才能保障其它兩組轉動副有足夠的橫向裝配間隙；否則，沒有定位線的三條中心線就有可能發生整體偏移，從而導致車輛重心明顯偏離幾何中心線的不良后果。

(3)中心線必須有調節線。理想的裝配效果是三條中心線相互平行，但在實際裝配過程中，由于機構間剛性聯接的累計誤差和車輛運用過程中車廂受力變形現象的存在，三條中心線相互平行是絕對不可能的，所以應該有適應誤差和變形的自動調節空間。這個自動調節空間體現在油缸上絞軸的安裝結構上——上絞軸與上固定座是可以相互滑動的球面聯結關系(圖3、表2)，與上部擋盤間又是通過橡膠緩沖墊彈性聯結，該結構賦予了上絞軸一定角度范圍內的自動傾斜能力。傾斜角度的設計原則和安裝范圍是在傾斜不會引起拉缸的限度內盡量大一些(2°～5°)。

3條中心線同軸共濟，就能將造成拉缸現象的偏心偏位隱患消滅在生產和裝配階段。

3 隨機應變的變幅缸

除了推動自卸車貨箱舉升卸貨，擺缸機構更廣泛的用途是推動與活塞相固連的從動執行構件擺動變幅——諸如此類推動從動件擺動變幅的油缸統稱變幅油缸，簡稱變幅缸。變幅缸隨機應變，在汽車起重機吊臂系統、高空作業車升降系統、混凝土泵車臂架系統、垃圾車傾倒裝置、清障車變幅機構等，皆有變幅缸的身影。

3.1 動臂缸一柱擎天

汽車起重機是在汽車底盤上添加相應的起重功能部件，起重機的吊臂由基本臂和伸縮臂組成，伸縮臂套在基本臂之中，吊臂變幅通過一個液壓缸來改變起重臂的俯角角度。

與推動自卸車貨箱舉升卸貨不同的是，自卸車貨箱的舉升角度為γ一般不超過52°，而起重機的吊臂可以從水平位置變幅到將近90°。正是因為油缸擺動過程引起的執行件變位幅度有較大差別，所以，前者叫舉升缸，后者叫變幅缸。動臂缸推動吊臂一柱擎天，表現了變幅缸能屈能伸、剛正不阿的英雄本色。

3.2 臂架缸三頭六臂

在液壓多連桿機構中，六桿機構最為常見。將擺缸機構與普通四桿機構并聯，即將其中2個連桿并聯成1個三角臂，便可構成1個三頭六臂的六連桿機構。泵車的臂架結構就是這樣的六桿機構。

在泵車的臂架結構中，以第4、5臂架為例，液壓油缸驅動三角臂，雙臂合一的三角臂牽一角而動三角，帶動2個從動件——第4和第5臂架同時轉動，從而實現伸展和收縮功能，在“遠近高低各不同”的空間位置施工作業。六連桿機構串并聯、液壓油缸缸體串并聯與油缸油路串并聯等多種技術路線。特別是隨著高壓油泵、高壓油管、高精度控制閥、高強度缸體、高分子密封材料等液壓元件工藝水平的不斷提高，液壓元件外形越來越小，使液壓油缸串并聯越來越便利。

4 車用油缸與日俱增

六連桿機構幾乎可以完成現今生產條件下的所有機械運動功能，變幅缸的變幅功能工不可沒。事實上，除了擺缸機構并聯，還有擺缸機構串聯、六連桿機構串并聯、擺缸機構與

4.1 串聯串起大市場

近年來，廣泛應用于城市物流建設的隨車起重運輸車市場前景廣闊，其變幅連桿機構的本質就是2個串聯的六連桿機構。

圖7為某隨車起重運輸車起重臂展開圖，圖中ABCDE及GHJKF分別代表2組六連桿機構，AB、GF分別代表動臂油缸和吊臂油缸，△ACD、△JHF為兩個六連桿機構的三角臂。折臂式隨車起重機的2組六連桿機構，具有可折疊的特點，從而賦予了整車占地面積小、作業半徑大、可以曲線吊裝的顯著優勢。

動臂油缸用于變幅起吊，主要起驅動舉升作用，吊臂油缸主要起支撐作用。所以，與其連接的連桿BE、GK所受壓力較大。顯而易見，在滿足雙搖桿變幅機構正常工作條件下，將2油缸受力值盡可能最小化，是提高起重機起吊能力，推動折臂式隨車起重運輸車向大噸位進一步發展的關鍵因素。

4.2 并聯并出新境界

液壓支腿油缸系統采用油缸油路并聯的技術路線，成功實現了均衡受力、分擔載荷的設計目標。液壓油缸缸體并聯的技術路線，有異曲同工之效。

集裝箱自裝卸運輸車，是一種集集裝箱運輸與裝卸一體化的車輛，在碼頭和集裝箱堆場被廣泛應用。其裝卸系統的吊臂可以通過基本臂上下2個側面的變幅缸缸體并聯，一推一拉“聯手”完成吊裝功能：吊裝時上拉下推，卸貨時下拉上推，與獨當一面的單個變幅缸結構相比，不僅吊臂結構更加穩定，而且吊裝能力更加強大。傳統渣土車的翻蓋驅動系統，是將一對單作用式油缸的活塞桿并聯安裝在搖臂鏈輪鏈條上，在電動三位四通換向閥的控制下，分別對翻蓋機構的下翻動作、上翻動作施加驅動力矩，具有結構緊湊、力量集中、操作方便、動作靈敏等突出特點。