油缸之刚

文_宋喜秀

油缸之刚

文_宋喜秀

在专用车零部件家族中车用油缸与日俱增：支腿缸“支”地有声，举升缸举重若轻，变幅缸变化多端。液压油缸犹如变形金刚，为我们演绎了一幕幕“缸”正不阿、“缸”举目张的动人画面。

液压油缸既是刚体力学中典型的液压双连杆机构，又是专用汽车的重要组成部分。按运动方式可分为直线往复运动式和回转摆动式；按液压力作用情况可分为单作用式、双作用式；按结构形式可分为活塞式、柱塞式、多级伸缩套筒式、齿轮齿条式等；按安装形式可分为耳环、拉杆、铰轴、底脚等；按专用装置的作业特点分为支腿缸、举升缸、变幅缸等。及设备安全。

用于半挂车的液压支腿，包括一个位于半挂车左右纵梁上的油缸缸筒固定架、双作用式液压支腿油缸及支腿座，液压油缸的缸体与缸筒固定架连接，活塞杆与支腿座铰接。

1 点到为止的支腿缸

液压双连杆机构的最经典运用是液压千斤顶，液压油按照帕斯卡原理积累能量，担起千斤重担。那么，能否将液压千斤顶的原理用于专用汽车呢？以电控方式取代手工操作的液压支腿油缸系统应运而生。

液压支腿油缸系统是以车载蓄电池为电源、将支腿通过安装支架固定在汽车大梁的合适位置，使用时支腿向下伸出触地，将车身顶起，使车辆的大部分重量由支腿支撑，从而保持车体的平稳，减轻车辆弹簧钢板的负载。使用完毕，支腿座向上收起收藏，保持足够的离地高度，保证行车

1.1 四通阀收放自如

两条支腿由三位四通手动换向阀控制其伸出和缩回动作。布置在驾驶室的M型三位四通换向阀具有伸、缩换向和中位静止不动3种控制功能，且工作油路采用并联方式，保证两条支腿步调一致且收放自如。

由图2可知，液压支腿支撑作业时，换向阀处于出油位置：液压油长驱直入活塞腔，活塞腔的液压油通过换向阀回流至油箱，活塞受压下移，活塞杆向下伸长，将半挂车车身抬高到合适位置后，换向阀回到中间的进出油口封闭位置。座板面积是活塞杆横截面积N倍多的支腿座，进一步增强了液压支腿在支承面上的负载能力。液压支腿收腿作业时，换向阀处于回油位置：支腿油缸的回油系统开启，活塞杆向上收缩，收缩到初始安装位置后，换向阀恢复到中间位置，支腿油缸的液压油停止流动。

1.2 双向锁

液压支腿伸出是否牢固，收缩是否到位，分别关系到半挂车停放和行驶期间的安全可靠性性。因此每个液压缸均设计有双向锁紧回路，使进油与回油连锁联控。

(1)压力解锁：支腿伸缩作业时，活塞腔、活塞杆腔的单向阀同时打开，油缸油路按设计的程序进油出油。

(2)无压自锁：换向阀处于中停位置时，支腿油缸的进出油通道处于无压自锁的封闭状态，戛然而止的液力传递，可以避免支腿在行车过程中自行滑落。

(3)双向互锁。进油压力不足时，出油通道也被可靠地锁住，能够有效防止在起重作业过程发生“软腿”现象。

1.3 液压油“液”往无前

支腿缸将数10 t车身轻松顶起，除了油缸、油阀、油泵等液压元件自身的精密构造，液压系统的压力来源不容忽视。液压油缸的作用力F(N)、活塞面积S(mm2)与液压系统压力p(MPa)的关系：

F=p·S

在相同活塞面积S条件下，液压系统压力p越高，液压油缸的作用力F越大。液压系统按压力等级可分为中压、高压、中高压等。足够的液压系统压力是液压油缸“液”往无前的动力基础。

表1 液压系统压力等级表

表2 摆缸机构连接方式

对于双作用式支腿缸来说，由于活塞腔面积大于活塞杆腔面积，而活塞移动速度与油压面积成反比，所以活塞作往复运动的速度也有差别。系统压力p值越高，要求的活塞杆径也就越大，对应的往复运动的速比越大。液压系统压力等级及对应的速比见表1。

半挂车支腿的发展过程，经历了从机械式到机械液压组合式，再到全液压式的创新和转型。对支腿收放动作的远程控制，提高了挂车停车效率，体现了液压操作系统的先进性。

2 步步高升的举升缸

最初，摆缸机构应用于自卸车升降系统时，油缸结构形式主要是活塞式，当时自卸车车型也是载质量十分有限的轻型和中型自卸车。随着重型自卸车市场需求的日益成熟和多级伸缩套筒式液压油缸生产工艺的不断成熟，特别是海沃油缸产品的强势推广之后，自卸车举升系统的油缸结构形式逐渐告别了活塞式时代。

套筒式油缸由外缸筒、中间级活塞(杆)和安装在活塞上及缸筒内的支撑环、导向带、UN圈、防尘圈、挡圈、挡环等配件组装而成。套筒式油缸的结构特点是：除外缸筒和末级活塞杆外，中间级活塞(杆)的内腔即是下一级的缸筒——大筒套小筒，一级套一级，所以被称之为套筒缸。图3是一种4TG油缸的结构示意图。

多级伸缩套筒式摆缸机构举升力量大，工作行程长，能够将自卸车货箱直接推举起来，所以又被称之为直推式升降系统。多级伸缩套筒式液压油缸在直推式升降系统中的布局形式五花八门。

2.1 以车为本步步高

事实上，直推式升降系统工作原理与套筒式液压油缸的套筒伸缩一样直来直去。假设一级缸筒与副车架铰接于A点，末级活塞杆与货箱连接于B点，货箱与副车架铰接于O点，初始安装时，OA=a(m)，OB=b(m)，∠AOB=θ(°)(见图4),由余弦定理可知，升降缸的安装尺寸：

AB= a2+b2-2ab·cosθ

如果设计要求货箱的举升角度为γ(°),则可同理求得升降缸的工作行程∶

AB′= a2+b2-2ab·cos(θ+γ)

如果设计要求货箱的举升力矩为M(Nm), ∠OBA=β(°),一级活塞从液压系统获得的压力为F(N)，则，货箱获得的举升力T(N)满足以下关系∶

T= F·cos(90°-β)=F·sinβ

M=T·b=F·b·sinβ

由此可以计算液压系统的压力及一级活塞的参数。

由F和T的数学关系式可以看出，在货箱、油缸与副车架组成的△AOB中，角θ及其对边AB越小，举升力臂OB和油缸作用力F的夹角β就越大，F转化成举升力T的效率越高，举升缸举升越省力。所以，中顶自卸车通常采用缸筒中铰式液压油缸，而且，为了满足升降缸的安装尺寸要求，一级缸筒与副车架的铰接位置往往偏下布置，也就是使α＜90°。

布置在副车架中部的中铰式液压油缸，由于货箱底部空间的局限性，油缸的工作行程及压力不能太大，所以适用于轻型、中型自卸车，而且常常2个一组，成对布置成双缸中顶自卸车。

前顶自卸车为了缩短AB长度，常将上绞轴活接在防护罩上，防护罩与末级活塞杆是刚性连接，能够准确无误地将活塞杆推力通过活接绞轴传递给货箱。同时，一级缸筒与副车架的铰接位置和车厢的翻转支耳中心O持平，即使α=90°。上下绞轴式液压油缸布置在副车架的前端，能够方便地形成较大的举升力矩，被广泛应用于重型自卸车。

2.2 同轴共济“伤不起”

摆缸机构是由刚性构件低副连接组成的平面连杆机构。刚性构件连杆的构造曲线丰富，可实现多种运动学动力学轨迹要求。低副连接的面接触形式，便于加工容易润滑，承载能力强。但是，由于运动副过多，累积误差较大，所以对于形状和位置公差的要求不容忽视。特别是套筒伸缩式举升油缸，结构精密，身价高贵，在摆动举升过程中很容易因为偏心偏位原因而拉伤缸体。

重型自卸车的摆缸机构与副车架及车厢的装配关系如图5所示。图中油缸上绞轴与车厢两个上固定座连接的中心线，油缸下绞轴与副车架下固定座连接的中心线，车厢后支耳与副车架后支座连接的中心线，是举升机构装配过程中应该密切关注的3条中心线。

(1)中心线必须是同心线。如果左右支耳、左右固定座内孔不同心，孔不同心而强行安装销轴、绞轴的结果，会导致加速轴或孔的磨损，增大轴与孔的配合间隙，进而为油缸套筒间偏磨以致拉缸创造有利条件。当然，将车厢后支耳的两根销轴分别联结改进为一根通轴联结，从结构设计和工艺原理上，可以降低孔不同心的可能性。

(2)中心线必须有定位线。为保证铰轴与孔座组成的转动副的灵活性，轴与孔在横向方向也应留有足够的装配间隙，三条中心线上的三组装配也不例外。但是，三组装配的横向装配间隙是有区别的——必须有一组间隙最小的定位转动副，才能保障其它两组转动副有足够的横向装配间隙；否则，没有定位线的三条中心线就有可能发生整体偏移，从而导致车辆重心明显偏离几何中心线的不良后果。

(3)中心线必须有调节线。理想的装配效果是三条中心线相互平行，但在实际装配过程中，由于机构间刚性联接的累计误差和车辆运用过程中车厢受力变形现象的存在，三条中心线相互平行是绝对不可能的，所以应该有适应误差和变形的自动调节空间。这个自动调节空间体现在油缸上绞轴的安装结构上——上绞轴与上固定座是可以相互滑动的球面联结关系(图3、表2)，与上部挡盘间又是通过橡胶缓冲垫弹性联结，该结构赋予了上绞轴一定角度范围内的自动倾斜能力。倾斜角度的设计原则和安装范围是在倾斜不会引起拉缸的限度内尽量大一些(2°～5°)。

3条中心线同轴共济，就能将造成拉缸现象的偏心偏位隐患消灭在生产和装配阶段。

3 随机应变的变幅缸

除了推动自卸车货箱举升卸货，摆缸机构更广泛的用途是推动与活塞相固连的从动执行构件摆动变幅——诸如此类推动从动件摆动变幅的油缸统称变幅油缸，简称变幅缸。变幅缸随机应变，在汽车起重机吊臂系统、高空作业车升降系统、混凝土泵车臂架系统、垃圾车倾倒装置、清障车变幅机构等，皆有变幅缸的身影。

3.1 动臂缸一柱擎天

汽车起重机是在汽车底盘上添加相应的起重功能部件，起重机的吊臂由基本臂和伸缩臂组成，伸缩臂套在基本臂之中，吊臂变幅通过一个液压缸来改变起重臂的俯角角度。

与推动自卸车货箱举升卸货不同的是，自卸车货箱的举升角度为γ一般不超过52°，而起重机的吊臂可以从水平位置变幅到将近90°。正是因为油缸摆动过程引起的执行件变位幅度有较大差别，所以，前者叫举升缸，后者叫变幅缸。动臂缸推动吊臂一柱擎天，表现了变幅缸能屈能伸、刚正不阿的英雄本色。

3.2 臂架缸三头六臂

在液压多连杆机构中，六杆机构最为常见。将摆缸机构与普通四杆机构并联，即将其中2个连杆并联成1个三角臂，便可构成1个三头六臂的六连杆机构。泵车的臂架结构就是这样的六杆机构。

在泵车的臂架结构中，以第4、5臂架为例，液压油缸驱动三角臂，双臂合一的三角臂牵一角而动三角，带动2个从动件——第4和第5臂架同时转动，从而实现伸展和收缩功能，在“远近高低各不同”的空间位置施工作业。六连杆机构串并联、液压油缸缸体串并联与油缸油路串并联等多种技术路线。特别是随着高压油泵、高压油管、高精度控制阀、高强度缸体、高分子密封材料等液压元件工艺水平的不断提高，液压元件外形越来越小，使液压油缸串并联越来越便利。

4 车用油缸与日俱增

六连杆机构几乎可以完成现今生产条件下的所有机械运动功能，变幅缸的变幅功能工不可没。事实上，除了摆缸机构并联，还有摆缸机构串联、六连杆机构串并联、摆缸机构与

4.1 串联串起大市场

近年来，广泛应用于城市物流建设的随车起重运输车市场前景广阔，其变幅连杆机构的本质就是2个串联的六连杆机构。

图7为某随车起重运输车起重臂展开图，图中ABCDE及GHJKF分别代表2组六连杆机构，AB、GF分别代表动臂油缸和吊臂油缸，△ACD、△JHF为两个六连杆机构的三角臂。折臂式随车起重机的2组六连杆机构，具有可折叠的特点，从而赋予了整车占地面积小、作业半径大、可以曲线吊装的显著优势。

动臂油缸用于变幅起吊，主要起驱动举升作用，吊臂油缸主要起支撑作用。所以，与其连接的连杆BE、GK所受压力较大。显而易见，在满足双摇杆变幅机构正常工作条件下，将2油缸受力值尽可能最小化，是提高起重机起吊能力，推动折臂式随车起重运输车向大吨位进一步发展的关键因素。

4.2 并联并出新境界

液压支腿油缸系统采用油缸油路并联的技术路线，成功实现了均衡受力、分担载荷的设计目标。液压油缸缸体并联的技术路线，有异曲同工之效。

集装箱自装卸运输车，是一种集集装箱运输与装卸一体化的车辆，在码头和集装箱堆场被广泛应用。其装卸系统的吊臂可以通过基本臂上下2个侧面的变幅缸缸体并联，一推一拉“联手”完成吊装功能：吊装时上拉下推，卸货时下拉上推，与独当一面的单个变幅缸结构相比，不仅吊臂结构更加稳定，而且吊装能力更加强大。传统渣土车的翻盖驱动系统，是将一对单作用式油缸的活塞杆并联安装在摇臂链轮链条上，在电动三位四通换向阀的控制下，分别对翻盖机构的下翻动作、上翻动作施加驱动力矩，具有结构紧凑、力量集中、操作方便、动作灵敏等突出特点。