摘要 針對多級油缸設計時經(jīng)常出現(xiàn)的問題，本文通過實例分析，歸納了幾種結(jié)構(gòu)的適用條件、設計制造要點，可供油缸設計人員參考。

關鍵詞 多級油缸，雙作用，單作用，鋼環(huán)

1前 言

多級油缸因其結(jié)構(gòu)緊湊，在給定的安裝空間內(nèi)可實現(xiàn)比單級油缸更長的行程，從而在安裝空間緊張的情況下得到了廣泛的運用，如自卸車的翻斗油缸、垃圾站的推鏟油缸、設備搬運橋架中的提升油缸等；但國內(nèi)的油缸設計資料中較少對其結(jié)構(gòu)分類、受力計算、材料選用、加工工藝、密封件選用作一個較詳細的介紹，導致設計人員經(jīng)常無法借鑒既有的設計經(jīng)驗。有鑒于此，筆者在本文對此作一個歸納，供油缸設計人員參考。

對于單級油缸來講，油缸設計方面的介紹較容易從相關資料中查得，因此本文是在基于讀者已了解單級油缸設計知識的前提下來進行介紹。

2幾種常見的多級油缸結(jié)構(gòu)

多級油缸的典型運用是三級缸，其余各種多級缸的結(jié)構(gòu)和工作原理可以參照三級油缸的結(jié)構(gòu)和工作原理進行拓展。本文重點分析三級油缸，其余讀者可類推。

2.1 桿頭進出油的活塞式雙作用多級缸的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1是垃圾站推鏟油缸的典型結(jié)構(gòu)，該缸是一個三級缸，壓力油從桿頭進出，并最終作用于活塞的左右兩面，來實現(xiàn)伸出和縮回，故稱為桿頭進出油的活塞式雙作用三級缸。按缸徑從大到小標記，各級油缸及其組成與圖1的序號及名稱的對應關系見表1。

如圖1所示，當油缸伸長時，高壓力油從B口進入，流經(jīng)13-油管，到達各級活塞的右邊（圖1中的方向），并由于作用面積的不同，由大到小依次推動第一級油缸的活塞桿5-缸筒Ⅱ、第二級油缸的活塞桿8-缸筒Ⅲ、第三級油缸的活塞桿12-活塞桿Ⅲ，使其向左伸出（相對于各自的缸筒而言）。此時，低壓力油從第一級油缸的有桿腔經(jīng)小孔E口流至第二級油缸的有桿腔，再經(jīng)小孔D口流至第三級油缸的有桿腔，最后經(jīng)小孔C口流至11-桿頭，最后從A口流出。

當油缸縮回時，高壓力油從A口進，經(jīng)由C口，進入第三級油缸的有桿腔，推動第三級油缸的活塞桿回縮；等D口接通后，進入第二級油缸的有桿腔，推動第二級油缸的活塞桿回縮；直至E口接通，進入第一級油缸的有桿腔，推動第一級油缸的活塞桿回縮。同時，低壓力油經(jīng)由13-油管從B口流出。

2.2 缸筒進出油的活塞式雙作用多級缸的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖2所示的是一個設備搬運架提升油缸的典型結(jié)構(gòu)，該缸是一個三級缸，壓力油由缸筒進出，并最終作用于活塞的左右兩面，實現(xiàn)伸出和縮回作用，故稱為缸筒進出油的活塞式雙作用三級缸。按缸徑從大到小標記，各級油缸及其組成與圖2的序號及名稱的對應關系見表2。

圖2中，3-活塞Ⅰ上開有軸向的孔“G口”和徑向的孔“E口”，但兩者并不相通。與此類似，5-活塞Ⅱ上則開有軸向的“F口”和徑向的“D口”，同樣“F口”和“D口”也不相通。

如圖2所示，當油缸伸長時，高壓力油從B口進入，流經(jīng)G口和F口，到達各級活塞的右邊（圖2中的方向），并由于作用面積的不同，由大到小依次推動第一級油缸的活塞桿16-缸筒Ⅱ、第二級油缸的活塞桿9-缸筒Ⅲ，以及第三級油缸的活塞桿10-活塞桿Ⅲ，使其向左伸出（相對于各自的缸筒而言）。此時，第一級油缸的有桿腔內(nèi)的低壓力油從A口流出；第二級油缸的有桿腔內(nèi)的低壓力油從小孔D口，流入8-油管Ⅲ和7-油管Ⅱ，然后經(jīng)小孔E口流入第一級油缸的有桿腔，最后經(jīng)A口流出；第三級油缸的有桿腔內(nèi)的低壓力油從小孔C口流入7-油管Ⅱ，然后經(jīng)小孔E口流入第一級油缸的有桿腔，最后經(jīng)A口流出。

當油缸縮回時，高壓力油從A口進，進入第一級油缸的有桿腔，在進入E口、7-油管Ⅱ后，“油”分兩路進行：一路經(jīng)由C口進入第三級油缸的有桿腔，另一路經(jīng)由8-油管Ⅲ、D口進入第二級油缸的有桿腔，在各級油缸的有桿腔均有壓力油的情況下，根據(jù)3-活塞Ⅰ、5-活塞Ⅱ、6-活塞Ⅲ的受力面積的大小不同，從小到大依次推動6-活塞Ⅲ、5-活塞Ⅱ、3-活塞Ⅰ，從而實現(xiàn)第三級、第二級、第一級油缸的縮回。同時，低壓力油經(jīng)由F口、G口，最后經(jīng)B口流出。

2.3 柱塞式單作用三級缸的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖3所示的是自卸車翻斗油缸的典型結(jié)構(gòu)。該缸是一個三級缸，各級缸筒采用柱塞式結(jié)構(gòu)，伸出時對外作用，縮回時靠外力，故稱為柱塞式單作用三級缸。按缸徑從大到小標記，各級油缸及其組成與圖3的序號及名稱的對應關系見表3。

柱塞式單作用三級缸采用從缸筒進油的方式，若需要從桿頭進油，則不在缸筒上開A口，而將A口開在活塞上并通至油缸內(nèi)部即可。

以圖3為例，缸筒伸長時，高壓力油從A口進入，按柱塞直徑的大小，依次推動6-柱塞Ⅰ、7-柱塞Ⅱ、8-柱塞Ⅲ；縮回時，則依靠外力（在自卸車翻斗油缸中，依靠車斗及車載物品的重力）推動各級柱塞縮回。

3幾種多級油缸的設計及制造要點

3.1 桿頭進出油的活塞式雙作用多級缸的設計制造要點

3.1.1設計要點

（1） 缸蓋的導向：圖1中各級油缸的缸蓋（4-缸蓋Ⅰ、6-缸蓋Ⅱ、9-缸蓋Ⅲ）均無加裝導向圈，并非此種油缸不需要導向，而是為了使其結(jié)構(gòu)緊湊以節(jié)省空間而將缸蓋的材料選用了鑄鐵（HT200）。另外，圖1中各級缸蓋靠近活塞的一端開臺階孔，是為了使活塞上開有小孔的臺階得以進入此孔，以期實現(xiàn)在油缸伸長后，各級油缸的有桿腔內(nèi)的壓力油盡量少，從而提高各級活塞的有效作用面積，提高輸出力。

（2） 活塞上的縮回小孔：圖1中開在各級活塞上的D口、E口，是為了實現(xiàn)壓力油通向各級油缸的有桿腔，在這種結(jié)構(gòu)中肯定必需，但同時活塞上的密封件在每個動作循環(huán)中又必須兩次經(jīng)過這些小孔，而密封件經(jīng)過這些孔口時，易造成損壞，會導致密封壽命大大地縮短。在處理矛盾時，需要將這些小孔開得小些，且需將其孔口進行足夠的倒角。

（3） 過孔密封件的選擇：圖1中第二、三級油缸的密封件（17，18-過孔密封件）因頻繁經(jīng)過小孔，會使其密封壽命大打折扣。為延長其壽命，可以采用相同于發(fā)動機中的活塞環(huán)一樣的材質(zhì)制造這些密封環(huán)，通常可以向發(fā)動機活塞環(huán)制造商訂制。

（4） 彎曲穩(wěn)定性校核：首先，在工程使用中，多級油缸應盡量不使其承受徑向力，如有徑向力時需要另外設計導軌來承受；其次，油缸伸長后，多級缸需要進行彎曲穩(wěn)定性校核，在工程上，可以簡化為以單級油缸的彎曲穩(wěn)定性校核模型來近似計算，其中模型中的缸筒為多級缸第一級油缸的缸筒，模型中活塞桿的直徑為多級油缸第三級油缸的活塞桿的直徑，模型中活塞桿的長度則為除第一級油缸缸筒長度外的其余長度。

3.1.2組裝過程

圖1所示的油缸的組裝過程為：

步驟1：各級活塞桿及缸筒的組焊：

（1） 焊接13-油管與11-桿頭，以及焊接14-活塞Ⅲ與12-活塞桿Ⅲ，再將兩焊接件相互插入后焊接在一起，完成最終的第三級油缸的活塞桿組焊件。

（2） 將8-缸筒Ⅲ與15-活塞Ⅱ焊接在一起，構(gòu)成第二級油缸的活塞桿組焊件。

（3） 將5-缸筒Ⅱ與16-活塞Ⅰ焊接在一起，構(gòu)成第一級油缸的活塞桿組焊件。

（4） 將2-缸筒Ⅰ、19-缸底及1-底耳焊接在一起，構(gòu)成第一級油缸的缸筒組焊件。

步驟2：活塞桿與缸筒組焊件的組裝：將步驟1中的各級油缸的活塞桿組焊件按圖1所示的結(jié)構(gòu)裝入第一級油缸的缸筒組焊件中。

步驟3：各級油缸的缸蓋、壓蓋的組裝：先裝表1中第一級油缸的缸蓋和壓蓋（4-缸蓋Ⅰ和3-壓蓋Ⅰ），再裝第二級油缸的缸蓋和壓蓋（6-缸蓋Ⅱ和7-壓蓋Ⅱ），最后裝第三級油缸的缸蓋和壓蓋（9-缸蓋Ⅲ和10-壓蓋Ⅲ）。

另外，密封件的組裝按照單級油缸的裝配方法進行即可。

3.2 缸筒進出油的活塞式雙作用多級缸的設計制造要點

對圖2所示的結(jié)構(gòu)進行安裝時，缸蓋導向部分的要點與桿頭進出油的活塞式雙作用多級缸相同，活塞部分與單級油缸相同，穩(wěn)定性的校核與圖1相同。制造中需要保證G口與E口不連通，以及F口與D口不連通。

3.3 柱塞式單作用三級缸的設計制造要點

設計圖3所示的結(jié)構(gòu)時，需要注意每級油缸都要有限位結(jié)構(gòu)，如3-限位塊Ⅰ、4-限位塊Ⅱ和8-柱塞Ⅲ尾部的限位臺階。因為在實際使用中常會有某級油缸有所變形，造成各級柱塞不能按設計次序伸出，此時若無限位，就有可能導致某級油缸從整個多級缸脫出。

3.4 各種多級油缸的適用場合比較

圖1、圖2的結(jié)構(gòu)是雙作用缸，可以應用其伸出和縮回的兩個特性，而圖3僅可應用其伸出的特性，縮回時需要借助外力。

桿頭進出油的活塞式雙作用多級缸從桿頭進出油，使用時通常將桿頭固定，缸筒設計為活動。桿頭進出油的活塞式雙作用多級缸是“缸動型”油缸的應用，但需要訂制特殊的鋼環(huán)才能保證其有較長的使用壽命；缸筒進出油的活塞式雙作用多級缸則從缸筒進出油，使用時固定缸筒，將桿頭設計為活動。缸筒進出油的活塞式雙作用多級缸是“桿動型”油缸的應用，其各級油缸的活塞上密封的設計同單級油缸相同，對密封件無特殊的要求。

柱塞式單作用多級缸從桿頭或缸筒進油僅僅取決于位置的要求。若從桿頭進油，就固定桿頭。若從缸筒進油，則固定缸筒。這樣做同活塞式雙作用多級缸一樣，也是為了避免使用不必要的高壓油管。

4 結(jié) 束 語

在多級油缸設計過程中，理解或熟悉其結(jié)構(gòu)以及設計、制造要點，有助于合理選型和設計，并在維護過程中，有助于實現(xiàn)操作的得心應手。上述幾個結(jié)構(gòu)案例均取材于實際的生產(chǎn)實踐，可作為油缸結(jié)構(gòu)設計和使用的參考案例。

參考文獻

1 雷天覺.新編液壓工程手冊[M].北京:北京理工大學出版社，1998

2 成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社，2002