新型集成式轮边制动器液压缸的设计*

冯文慧 ， 姚 庆 ， 陈 强 ， 马晓三，2

（1.黄河交通学院，河南 焦作 454950；2.河南理工大学，河南 焦作 454000）

液压轮边制动器是港口、码头等室外大中型起重机及港口装卸机械重要的安全保护装置，主要用于整机防风制动和非工作状态下的辅助防风制动[1]。目前，国内外对轮边制动器的研究主要围绕实际安装应用过程中的问题分析[2]、制动器的结构和优化设计以及轮边制动器的防风性能的论证和制动的有限元分析[3-5]、智能轮边制动器压力补偿监控系统[6]等方面展开。对于制动器的制动装置外的驱动装置研究一直以来采用传统的液压缸驱动和控制方式，并没有对液压驱动装置集成系统进行结构设计上的优化[7-9]。目前，液压轮边制动器将液压泵站与制动装置分开设置[10]，由于液压泵站体积庞大，导致轮边制动器空间体积较大，严重制约了这类产品的推广使用。本研究根据轮边制动器的工作特点，将液压泵站与制动装置的液压缸集成于一体[11-12]，设计出了一种新型电液集成式轮边制动器液压缸，以减小轮边制动器的空间体积，减轻重量，提高产品的推广使用价值。

1 新型液压轮边制动器的工作原理

为了缩小产品体积，新型电液轮边制动器在以往产品的基础上，将液压泵站和制动装置集成为整体结构，其结构如图1 所示。工作原理如下：液压系统在电控系统指令下向制动器油缸供给压力油，推动活塞杆运动并进一步压缩碟簧，制动衬垫在制动臂的牵引下脱离车轮轮边，制动力矩消除；液压系统在电控系统指令控制下接通回油通道，压力油在碟簧力作用下回流，碟簧力通过制动臂与制动衬垫传递到车轮轮边上，产生规定的制动力矩。在实现产品布局集成化的基础上[13-14]，为使制动器制动性能不受影响[15-16]，新型制动器液压缸驱动装置的控制可以采用PLC 或者单片机进行控制，控制方式的智能化程度也得到了提升。

图1 液压轮边制动器结构

2 新型制动器液压缸的设计

以往设计的液压轮边制动器包括制动架以及设置在制动架上的液压缸，液压缸包括缸体和设置在缸体内的活塞杆，活塞杆的输出端传动连接有制动臂，通过活塞杆的伸缩实现制动臂的收缩，同时在缸体内活塞杆上套设有碟簧，正常工作状态下，由于碟簧的存在会顶压活塞杆伸出，此时制动器为制动状态，而液压油施压会驱动活塞杆回缩到活塞腔，这时制动装置则解除制动。液压缸配置有液压控制油路，液压控制油路的输入端连接液压站，正常工作情况下，液压泵站向液压控制油路供油，通过液压控制油路中的电磁阀、单向阀等阀组结构实现向缸体内供油和回油，进而实现对缸体内活塞杆的伸缩驱动。液压站与缸体为分体结构，通过外界油管连接在一起，占用空间较大，在实际使用过程中，非常容易导致油液泄漏，污染环境，后期维护清理非常麻烦。

针对传统的电力液压制动器设计、制造和使用中存在的问题，对一种新型电液一体化集成式工业制动器的设计进行研究，以实现液压泵站、制动缸和制动执行元件等结构的体积最小化。这种新型电液一体化集成式制动缸包括液压缸体、油箱体（油缸）、驱动机构以及连接在油箱体上的阀块，液压缸体内的腔室为活塞腔，油箱体（油缸）内的腔室为储油腔，活塞腔内导向穿装有活塞杆，阀块、油箱体（油缸）与液压缸体为一体成型结构或液压缸体通过油箱体（油缸）与阀块连接为集成式结构，阀块具有进油油道，进油油道的两端口分别为进油口和出油口，液压缸体和油箱体（油缸）之间设有回油油道；油箱体腔内设有加压油泵，阀块上安装有驱动结构，进油油道内设有单向阀，阀块内还设有回流油道，回流油道上连接电磁阀，液压缸体装有制动簧，以实现缸体的运动复位，以上设计能够减少制动器液压管路布置，优化产品设计功能和布局。

2.1 新型制动器液压缸结构介绍

新型集成式液压缸的应用实例如图2 所示，从图2 可以看到液压缸整体穿装于下方的储油箱（油缸）箱体里并固定连接，箱体内部就形成了储油腔，储油箱（油缸）由阀块和箱体侧壁构成，同时液压缸无杆腔侧壁上设有通孔与储油腔实现连通，阀块上的出油口与液压缸有杆腔的加压油口通过中间油道连接，也可以通过高压胶管与液压缸体有杆腔上方开设的接口连接，这样就形成了整个油路的内循环通道，从而实现液压缸活塞杆的运动。而活塞杆的运动带动了外部连接的制动装置的活动制动杠杆来实现制动效果，同时，液压缸箱体底板下方焊接有连接另一个制动杠杆的固定安装部位，使制动杠杆通过销轴与液压缸铰接连接。

图2 新型集成式制动器液压缸结构（上）及外观（下）图

从图2（上半部分）液压缸内部结构中可以看到，箱体的中部位置通过隔板将箱体内部分隔开，形成了左右两个腔室，左腔室和液压缸连接构成了活塞腔，而右腔室和阀块连接构成了储油腔。整个箱体内部充满了液压油，箱体的左右侧壁上设置有堵头，堵头处可以实现向箱体充油或者排油。阀块是用于连接活塞腔和储油腔的油路通道，连接活塞腔的有杆腔和储油腔的是进油的通道，进油通道的两端口被称为进油口和出油口；连接活塞腔的无杆腔和储油腔的是回油的通道，回油通道位于中间隔板上左右延伸。阀块上方的驱动电机通过电机轴连接到阀块中心的通孔处，阀块下方的液压泵被驱动电机带动，从而实现液压泵工作泵油。连通出油口和储油腔的通道称为回流的通道，液压缸缸筒内部装配有制动碟簧，制动碟簧为复位簧，顶压装配于活塞杆和液压缸体内壁的台阶面上，制动簧用于在回流的通道连通之后驱动活塞杆伸出，进而带动制动杠杆使制动器处于夹紧状态；回流通道断开后，液压泵泵出的高压油通过进油的通道进入活塞腔的有杆腔，有杆腔和无杆腔之间形成压力差时，会推动活塞杆缩回至活塞缸内，无杆腔里的液压油通过回油油道进入储油腔来补偿液压油，在这个过程中，活塞杆带动和它连接的制动杠杆张开解除制动。

2.2 新型制动器液压缸阀块内部油路介绍

制动器液压缸阀块结构如图3 所示，阀块内部设置有进油油道和回流的油道，下方安装有液压泵实现对液压系统供油并实现增压的效果，液压泵通过十字接头与阀块上方的驱动电机连接，驱动电机可以是直流电机或交流电机，电机轴上安装有驱动手柄，可以实现在断电状况下用手动方式驱动液压泵。当系统得电时，驱动电机带动液压泵工作，电磁阀控制使回流的油道处于断开状态，储油腔的油经过液压泵加压后形成高压油，高压油通过阀块上的进油通路进入液压缸的有杆腔中，进油通路上连接有单向阀、测压接头、压力继电器和溢流阀来控制液压油的流向、压力和安全，这样，液压缸的有杆腔和无杆腔之间形成了压力差，从而使活塞杆移动至缩回状态。此时，无杆腔的液压油通过液压缸侧壁上的通孔流回储油腔以补给储油腔的液压油，同时，与活塞杆连接的制动杠杆移动使制动器处于打开状态。当液压油压力值达到压力继电器设置的油压时驱动电机断电，液压泵停止工作，由于单向阀的设置，液压油无法返回到储油腔当中，故液压缸活塞处于蓄能保持状态。当系统失电时，回流的油道处于接通状态，液压油通过回流的油道流回储油腔，回流的油道上连接有节流阀和温度控制开关，以实现对回流的液压油流量和温度的控制。此时，实现活塞杆的伸出，并使与其连接的制动杠杆实现制动。

图3 集成式制动器液压缸阀块结构

进油口在阀块的底部偏心位置，进油口与液压泵的输出口连接，进油油道中间位置连通进油口，出油口可设置在阀块左侧侧壁上，以方便与液压缸体右侧壁接口连接，图3 所示两条左右延伸的油路通道平行布置，垂直于两油道的中间有一条前后延伸的油路通道，第一条油路通道两侧连接单向阀和溢流阀，垂直油道两侧连接测压接头和堵头，第一条油路通道和垂直油路通道连通处安装单向阀，出油口与垂直油路通道的中心位置连通，回流的油路通道一端与垂直油路通道连通，另一端连接节流阀和电磁阀，电磁阀和储油箱连通。

阀块上的出油口与加压油口通过布置在中间隔板上的V 型油道连通，V 型油道两端口朝上，一端与阀块上的出油口贴合连通，另一端与缸体上的加压油口贴合连通，油腔里的高压油经过加压油口流进到活塞杆下台阶面和液压缸内壁上的限位面之间设置的环空中，为防止液压油从环空中移除到无杆腔，在活塞杆的下台阶面下方的侧壁与缸体之间装上了密封圈，这样高压油就可以进入环空，进而顶推活塞杆缩回到活塞腔。

3 结论

本研究介绍的液压缸能够实现液压泵站与制动装置的液压缸集成化结构，具有体积小、重量轻、外部无外接管路泄漏风险，液压传动效率高。内部油缸与油箱相通，油缸的泄漏直接流回油箱，减少了外部泄漏。同时具有手动功能，使操作更加方便。此外，该新型液压缸除了可以和轮边制动器的制动装置配合使用外，还可以应用于安全制动器、电液夹轨器等制动装置，构成各种新类型的液压制动器，它能够使液压制动器具有集成程度高、体积小、重量轻、容易安装、免维护的特点，同时可为其他大型装备液压制动器的设计和制造提供借鉴和参考。