一种液压缸锁紧装置应用分析

刘浩亮，李 智，邹玉蓉，张 旋

(西安电子工程研究所，陕西 西安 710100)

0 引 言

在工程机械的液压系统中，为了保证液压缸的位置，常常使用液压锁紧回路，一般采用液压锁或者平衡阀来防止液压缸内油液的泄漏[1-2]。对有重力负载的回路，还需要用平衡阀来平衡负载重量。因此平衡阀多用于锁紧回路，其原理图如图1所示。

液压锁紧回路基本没有泄漏，但是由于活塞在液压缸中没有精确限位，常常会因为液压油的泄漏或者热胀冷缩而改变位置。因此在很多工程机械和工业机械设备中，在需要精确定位的工况下，液压锁紧回路满足不了使用要求，常常要求液压缸被机械锁紧。

图1 液压锁紧回路

图2 锁紧装置组成

近年来出现了一种液压缸机械锁紧装置[3-7]，见图2，它是由活塞杆、弹簧、锥形轴套、锥形轴瓦和A腔等组成。该装置利用了摩察锁紧原理，锁紧时A腔中无压力油，碟簧推动锥形轴套往右运动，弹性压缩变形轴瓦，从而压紧锥形轴瓦抱紧活塞杆。解锁时，高压油进入A腔，推动锥形轴套和碟簧往左运动，释放锥形轴瓦，锥形轴瓦弹性恢复张开，从而使活塞杆解锁。相比于液压缸端头锁紧装置(液压缸完全伸到位锁紧或者完全收到位锁紧)，这种锁紧装置的特点是可以在行程内任意位置锁紧液压缸，满足多个位置锁紧的需求。该装置的缺点是需要额外增加1个锁紧回路，使液压系统变复杂。

作为1种比较新的应用，其对液压回路的影响以及相互匹配在公开报道中还比较少见，有很多问题需要进一步分析研究，本文将系统分析这种液压缸机械锁紧装置的应用。

1 锁紧装置

1.1 解锁压力

这种锁紧装置常常需要1个单独的液压回路来解锁。解锁压力常常被限定在1个固定的范围内，这与锁紧装置内的弹簧和A腔内轴套的截面积有关，常见的压力范围是3～5 MPa和9～15 MPa。压力过低时，轴套不能推动弹簧解锁装置；压力过高时，会过度挤压碟簧，使其产生塑性变形而损坏。解锁压力一般在产品样本和使用手册里面有详细的说明，安装后需要在解锁回路中增加单独的溢流阀，限制该路的最高压力。

1.2 解锁逻辑判断

确定如何锁紧装置是否解锁到位，目前厂家推荐的方法是通过检测压力来判断，锁紧装置上一般有压力开关的选项。在没有到达解锁压力之前，锁紧装置是锁紧的；压力达到解锁压力区间，锁紧装置解锁。这种压力判断实现起来非常简单，只要在回路中增加压力开关或者压力传感器即可。

但是由于压力检测属于间接判断，认为压力值达到后锥形轴套和锥形轴瓦就会完全脱开，这样的判断在大多数工况下没有问题，但在有些特殊的场合中是存在问题的。比如液压回路中的压力和流量冲击；双锁紧装置的解锁不同步等。

2 解锁回路

常见的解锁回路有2种，解锁原理如下图3、4所示。它们都是在原负载回路的基础上，增加1个解锁回路。

一种方式是增加1路液压换向阀，在大多情况下是增加1片多路阀来解锁，这片阀上设有溢流阀来控制这路的最高压力，这种回路可以简称为液压阀解锁回路。其优点是结构简单，增加的元器件不多。缺点是阀前补偿的多路阀在总的流量不够时，或者其他回路有压力流量冲击时，会导致解锁这一回路流量或者压力不足以解锁，从而使液压缸不停地抖动，液压系统往往会伴随有尖叫等噪声。

另一种方式是单独增加1个液压泵和相关的阀，组成1个专供解锁用的回路解锁，可以简称为液压泵解锁回路。其优点是解锁很稳定，其他回路的压力流量冲击对这一路没有影响。缺点是增加了液压泵、溢流阀、单向阀等元器件，使整体结构复杂，重量和造价增加，系统可靠性降低。

3 解锁先行

在运动前，需要先解开锁紧装置，再完成其他升降动作，不能同步进行，以避免不同回路之间的不协调而导致机械故障。解锁完后，解锁压力需要一直保持，使锁紧装置一直保持解锁状态，要求锁紧装置锁定时，切掉解锁压力，再重新实现机械锁紧。

图3 液压阀解锁回路原理

图4 液压泵解锁回路原理

4 解锁冲击

这种锁紧装置能解决由于液压缸泄漏而引起活塞杆的移动，特别是有重力负载的活塞杆移位。但是在解锁的瞬间，负载回路常常会伴随压力冲击和振动。这是由于在锁紧状态下，负载回路液压缸油液存在泄漏，两腔压力会逐渐归零，当锁紧装置解锁时，重力负载会瞬间作用到液压缸上，而产生巨大的解锁冲击。通过分析负载回路，简化液压系统模型，得到以下分析。

4.1 平衡阀没有溢出

假定平衡阀在冲击的过程没有油液溢出，液压缸和锁紧装置原理如下图5所示(假定无杆腔支撑重力)，液压缸活塞杆的振动可以简化成初始状态为1个弹簧在零位的谐振运动。

图5 活塞杆振动原理

根据图5，可以得到活塞杆的动力学方程为 ：

(1)

式中：m为负载质量；k1为液压缸内油液的刚度；c为液压缸内油液的阻尼；g为重力加速度。

根据液压缸和液压油的参数可以计算出k1

(2)

式中：k1为油液刚度；A1为无杆腔面积；V1为无杆腔油液容积，E为油液弹性模量。

阻尼c与液压缸泄漏和活塞、活塞杆与缸体之间的摩擦有关，只能根据经验设定或者实际测定。求解动力学方程(1)，可以得到液压缸活塞杆的振动轨迹，同时得到解锁冲击力的大小和冲击时间。

4.2 平衡阀有溢出

对平衡阀有油液溢出的液压回路，活塞杆的实际运动情况会更复杂，这与平衡阀设定的压力有关。因为冲击力超过一定的值，会导致液压缸内压力大于平衡阀内设定的平衡压力，液压缸中的液压油会从平衡阀中溢出。此时液压缸活塞杆的动力学模型会变成非线性模型，精确的运动过程需要用专业的软件进行仿真。

解决解锁冲击，从原理上分析可以从如下两方面着手。

一方面从锁紧装置着手，适当延长解锁时间，使重力载荷缓慢加载在液压缸上。分析锁紧装置图1可以看出，解锁的过程是锥形轴套释放锥形轴瓦变形的过程，锥形轴瓦变形很小，在0.1 m的量级上，目前在工程实际应用中要精确控制这个过程十分困难。而且频繁使用会加速锥形轴套和锥形轴瓦表面之间的磨损，导致装置的解锁和锁定不可靠，锁紧装置生产厂家不建议这样使用。

另一方面从整个液压控制回路着手，在解锁锁紧装置之前，先给液压缸支撑腔充压，直到压力刚好平衡重力负载。这种方式需要增加压力传感器，同时增加1个解锁前充压的步骤。笔者在应用中采用了这种方式，已验证可以有效地解决解锁冲击问题。

5 解锁不同步

对于双液压缸和双锁紧装置结构，由于它们的解锁压力存在差异但是相差很小，因此2个锁紧装置的解锁并不同步。这是由于锁紧装置中的锥形轴套需要运动一段行程才能到位，然后再解锁另一个锁紧装置，因此中间存在明显的时间差。笔者在实践中发现很难用压力传感器判断同一批次2个锁紧装置的解锁压力之间的差异，因此无法判断是1个锁紧装置解锁了，还是2个锁紧装置都解锁了。这种工况下使用厂家推荐的压力检测方式显然不合适。

但是通过对锁紧装置的分析可知，每个锁紧装置中A腔的最大容积是恒定的，解锁需要的总油液量也是恒定的。因此根据解锁回路流量，可以准确判断解锁时间，故可以根据时间长度来判断锁紧装置是否已经解锁。

还有1种判断方式，可在锁紧装置内增加行程开关来判断锥形轴套是否解锁到位或者锁紧到位。这种方式更加直接可靠，遗憾的是目前还没有厂家推出类似的产品。但是，安装行程开关需要一定的空间，因此采用这种方式会增加锁紧装置的外形尺寸，不如压力开关安装方便。

6 结 语

本文分析了一种的液压缸机械锁紧装置的应用，介绍了其组成、解锁压力、逻辑判断以及常用的解锁回路。并对其应用中存在的问题进行分析，并提出了解决方案。提出的技术方案对工程机械中其他机械液压锁紧装置，特别是液压缸端头锁紧装置，具有一定的参考意义。