液壓缸機械系統的研究與改進

趙福偉

云南機電職業技術學院機械工程系

液壓缸機械系統的研究與改進

趙福偉

云南機電職業技術學院機械工程系

本文通過簡單介紹液壓缸的原理、組成等，然后詳細探討液壓缸機械系統的作用、結構、分類、常見故障等方面內容，最后得出對液壓缸機械系統的改進意見。液壓機械系統屬于比較精密的機械系統，在機械系統的發展中起到了不可忽視的作用。

液壓缸；機械系統；發展

前言

液壓缸在設備系統中一般作為執行元件。液壓缸可以把壓力能轉化為機械能，具有結構簡單、性能穩定等優點，并且具有自鎖的功能，所以液壓缸機械系統在重型設備應用非常廣泛。在這類設備中，一般采用將液壓油通過液壓泵加壓然后以很高的壓力，從而產生很高的液壓能，然后輸送到到設備的執行機構中。系統中液壓泵通常由發動機或者電動馬達驅動。并且可以通過控制閥控制液壓油的壓力從而控制液壓缸機械系統所輸出的動力。液壓缸機械系統的核心部件就是液壓缸，結構設計會導致液壓缸爆裂、扭曲及斷裂等后果，從而造成一系列的經濟損失，并對生產安全構成嚴重的威脅，所以液壓缸的屬性參數直接影響著整個系統的性能。

一、液壓缸簡介

1.1液壓缸分類

液壓缸產生于18世紀，發展至今已經有200多年的歷史，液壓缸的種類也發展的多種多樣。液壓缸的分類方法主要有結構形式、運動方式、安裝形式、壓力等級等。液壓缸根據結構形式的不同分類，可分為活塞式、柱塞式、多級伸縮套筒式等；根據運動方式的不同可分為直線往復運動式和回轉擺動式；液壓缸的安裝可以有拉桿、耳環、底腳、鉸軸等多種方式，液壓缸的壓力等級可分為16Mpa、25Mpa、31.5Mpa等。

1.2液壓缸的組成

液壓缸可以將系統的液壓能轉變執行元件的機械能，一般情況下，液壓缸做直線往復運動或者回轉擺動運動。液壓缸結構比較簡單、性能穩定、壽命較長。液壓缸基本上由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置等組成。在一個液壓缸系統中，除去緩沖裝置與排氣裝置可以視具體應用條件而確定，其他裝置則必不可少。

但是在往復運動的液壓缸上一般可以省略減速裝置，并且沒有傳動間隙。緩沖裝置用于在液壓缸活塞高速運動至行程終端時避免受到由于行程限制而造成的劇烈的鈍力、壓力沖擊，從而提高系統的穩定性以及避免液壓傳動零部件被損壞。液壓缸使用經驗表明，在液壓缸工作在0.03m/s—0.5m/s時，在系統設計時，就需要考慮到緩沖裝置的添加問題，液壓缸工作在0.5m/s以上時，必須加裝緩沖裝置，以免液壓缸活塞受到損壞。

1.3液壓缸的故障分析

液壓缸的故障基本可以歸納為三類分別為誤動作、無力推動負載和活塞滑移或爬行。由于液壓缸經常在系統中作為關鍵元件，一旦液壓缸發生故障多數情況下系統不能正常工作而影響工作效率。所以平時要注重對液壓缸的維護工作。

1.3.1液壓缸誤動作

液壓缸產生誤動作的原因多種多樣，一般可以總結為以下幾個方面：首先，在系統溫度較低時容易出現這種現象。這是因為溫度較低時液壓油比較粘稠，從而使得液壓缸動作緩慢。其次，閥芯被卡住或閥孔被油污等堵住時也會有液壓缸誤動作產生。再次，液壓系統壓力源受到干擾，控制壓力太穩定時，誤動作產生比較頻繁。再次，在液壓循環油中進入空氣也會造成液壓缸誤動作的現象。

1.3.2工作時不能驅動負載

這種故障的主要表現是停位不準、推力不足、速度下降、工作不穩定等。產生這種現象的原因多數情況下是因為出現了泄漏。在發生液壓缸內部泄漏、液壓回路泄漏、液壓油經溢流閥旁通回油箱等情況時，都會造成壓力不足而不能驅動負載的情況。

1.3.3活塞滑移或爬行

一般認為液壓缸發生活塞滑移或爬行的根本原因是流量與負載速度不匹配，解決起來比較困難。一般發生這種現象的具體原因是液壓缸內部各零件相互不匹配而澀滯、潤滑不良、液壓泵或液壓缸進入空氣、密封件質量不過關等。在液壓缸發生活塞滑移或爬行時，可以逐步排查找到原因，從而在根本上解決。

二、液壓缸機械系統

2.1液壓缸機械系統的結構

圖1　液壓缸傳動系統示意圖

圖2　液壓缸的基本結構

液壓缸傳動系統結構示意圖如圖1所示。如此液壓傳動系統可以得到較大的功率并且安裝靈活方便，工作平穩。液壓傳動系統的體積、強度、剛度及載荷作用位置等屬性基本上受到其液壓缸結構和尺寸的限制。

2.1.1液壓泵

液壓泵是液壓動力的來源。液壓泵在結構上可以分為齒輪油泵和串聯泵（包括外嚙合與內嚙合）兩種結構形式，在壓力產生方法上又可以分為齒輪油泵、葉片油泵、柱塞油泵，幾種液壓泵各有其優缺點，在設計液壓系統時需要結合實際情況對其進行選擇。液壓泵的原理是通過泵腔內部件的運動改變泵腔的體積，從而增加泵腔內的流體的壓力。在實際工作中，通過液壓泵在液壓油箱中吸入油液，讓后對其加壓而形成壓力油輸出到液壓缸中從而為其提供動力。

2.1.2液壓閥

液壓閥是液壓缸的主要控制器件。在控制功能上可以分為流量閥，壓力閥，方向閥三類。流量閥用來調節液壓油的流量，根據流量閥的功能可以分為節流閥、調速閥，分流集流閥。壓力閥用于壓力控制，壓力閥可以分為溢流閥，減壓閥，卸荷閥等幾類。方向閥用于方向控制，根據控制特點可以分為單向閥及換向閥。并且液壓閥按照在系統中安裝的方式可以分為板式閥、疊加閥、管式閥、螺紋插裝閥、蓋板閥等幾類。在現代化液壓缸機械系統中液壓閥通常與電磁閥配合使用，以達到自動控制的目的。

2.2液壓缸機械系統的設計理念

在進行液壓缸機械系統設計時首先要考慮其所使用的環境及需要滿足的參數條件。在設計液壓缸機械系統時可以設計其傳遞的力矩在合理范圍內盡量放大，活塞伸縮運動速度也應該盡量快，從而可以及時伸出或者縮回，提高響應速度及生產效率。并且在設計液壓泵時，應考慮壓力泵的壓力范圍應在其額定范圍內，否則會有動力不足等現象產生。在設計重型液壓缸機械系統時，還要考慮其運動和受力部件的受力情況，盡可能地避免液壓缸受到不規則力，比如側向力，偏離活塞桿中心的偏心力矩等，以免因受力不規則而受到破壞。并且在設計液壓缸與機械設備的連接方式時，還要注意使其簡單合理，盡量使實際行程在液壓缸的有效行程范圍內，避免出現“有勁兒使不出”的現象，并且可以增加系統的穩定性。最后還要對密封部件等輔助部件進行合理的設計，這對液壓缸機械系統的使用壽命的增加，減少故障的發生幾率，以及增加系統的穩定性都具有十分重要的意義。

2.3液壓缸機械系統鎖定問題

液壓缸因為其結構的特點具有自鎖的功能，并且其鎖止效果也是其在設計和實際工作中的重要指標。在很多生產場景中，機械設備停止或者載荷突然變化時都需要自動鎖定功能，以提高生產效率或者保證安全生產。一般在設計一個液壓缸機械系統時首先考慮其自鎖能力能否滿足實際工作的要求，并且經常留有很大的安全空間，從而保證鎖止的效果以及生產安全。因此在原材料選擇加工、以及液壓用油的選擇等影響到液壓缸鎖止效果的因素上都要認真設計，嚴格管理。

但是在液壓缸傳統的鎖定方式設計中，通常對液壓系統的鎖止效果要求不高，因此只是認為液體是不可以繼續壓縮的而只通過鎖止液壓油回路，從而使得液體停止流動，進而使液壓缸不再繼續發生位移變化而達到鎖止的效果。但是，由于任何液體在液壓系統工作時所產生的巨大的壓力作用下，其體積都會有所減小并且密度變大，進而使得液壓缸繼續發生位移，也就是通常所說的卸壓。在如礦山、吊車等特殊的場合下，如果液壓缸在載荷突變而鎖止效果不佳，液壓缸繼續發生位移，極有可能造成安全事故。

2.4液壓缸強度校核

液壓缸是液壓傳動系統中的重要的傳遞力的部分，當液壓缸在中、低壓傳動系統中工作時，因缸體實際承受的壓力較小，缸筒厚度主要由結構工藝決定；但當液壓缸用于高壓傳動系統承擔傳動任務時，如礦山重型液壓缸，運轉時其所承載的壓力峰值將達到幾十兆帕。所以，需要對液壓缸的強度進行校核，從而檢驗液壓缸缸體的強度是否能夠滿足生產環境所能產生的拉力、壓力以及沖擊力等多種作用力的作用，從而保證液壓缸的可靠性與安全性。

三、液壓缸機械系統的改進建議

液壓缸的自鎖功能對于提高工作效率以及保證安全生產都具有十分重要的意義，所以為了增加液壓缸機械鎖止效果，套筒式鎖緊裝和鋼球摩擦鎖等專門使用于增加液壓缸鎖止效果的裝備被開發出來，以保證安全生產。

3.1套筒式鎖緊裝置

這種鎖緊裝置可以將活塞桿在任意位置進行鎖止，以至于液壓缸隨時停車都可以進行鎖止。

這主要是因為套筒式鎖緊裝置采用了過盈配合的方式，通過液壓缸端蓋上的彈性材料制作的鎖緊套筒和活塞桿，液壓液的壓力進行鎖定和卸鎖，在停車時將活塞桿鎖止。其具體的原理是在液壓油進入套筒，套筒膨脹，活塞桿可以移動自如；液壓油壓力解除后，套筒迅速收縮，從而自動鎖緊活塞桿。

3.2鋼球摩擦鎖

鋼球摩擦鎖是通過在活塞桿上開一個槽，并放一鋼球在槽內，再用彈簧圈擋住小鋼球。當解除液壓液的壓力即停車時，活塞如果有向左運動的趨勢，但是由于被鋼球卡住不能動；如果有向右運動的趨勢，右面鋼球也會卡住它，從而活塞向左向右都不能運動而處于鎖止的狀態。并液壓油壓力增加時，活塞被推向右側，右面的鋼球自然落入槽中，從而自動解除鎖定。

結語

液壓缸在輕重工業中的應用都非常廣泛，所以對液壓機械系統的研究十分必要。尤其是液壓缸機械系統的鎖止效果，更應該受到廣泛的關注。有關部門研發了套筒式鎖緊裝和鋼球摩擦鎖，可以有效地增加液壓系統鎖止性能，從而保證生產安全的進行。

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趙福偉（1971-），男，云南省華坪縣人，大學本科，實驗師，高級技師，研究方向：機械設備。