丁 柏

(南湖機械總廠， 湖北 荊州 434007)

鋼球鎖緊液壓缸在雷達(dá)主塔舉升機構(gòu)中的應(yīng)用*

丁 柏

(南湖機械總廠， 湖北 荊州 434007)

通常雷達(dá)主塔舉升機構(gòu)和主塔位置鎖緊機構(gòu)是分開設(shè)計的，隨著雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，常規(guī)設(shè)計已難以滿足整車質(zhì)量和空間的更高要求。文中設(shè)計了一種應(yīng)用鋼球鎖緊液壓缸的雷達(dá)主塔機構(gòu)，它將舉升和鎖緊2種功能合二為一，從而大大簡化了設(shè)計，節(jié)約了空間。文中介紹了鋼球鎖緊液壓缸的原理，進(jìn)行了鎖緊強度分析，針對快換接頭插不上的現(xiàn)象，改進(jìn)了液路設(shè)計。實際使用表明，該雷達(dá)主塔舉升機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單可靠，能很好地滿足使用要求，對類似產(chǎn)品的設(shè)計具有借鑒意義。

鋼球鎖緊液壓缸；雷達(dá)主塔；液壓舉升系統(tǒng)

引 言

雷達(dá)主塔是雷達(dá)系統(tǒng)的主要承載部件，其舉升和倒伏通過油缸或者絲桿實現(xiàn)。通常，主塔舉升到位后由液壓插銷或電動插銷鎖定，液壓插銷或電動插銷都需要占用一定的空間，還需要增加插拔到位檢測傳感器，當(dāng)結(jié)構(gòu)空間受限時，此種常規(guī)設(shè)計給設(shè)計工作帶來了很大不便。

近年來，采用機械鎖緊方式的鎖緊油缸受到了工程技術(shù)人員的關(guān)注。鎖緊油缸能有效克服液壓鎖內(nèi)泄漏導(dǎo)致的鎖緊不可靠問題，可以在額定負(fù)載下長期可靠鎖緊。按鎖緊方式，鎖緊油缸可分為套筒式、剎片式、鋼球式、楔塊式、內(nèi)漲式、卡環(huán)式等[1-6]。其中，鋼球式是在活塞桿行程末端鎖緊油缸，當(dāng)活塞桿伸至行程末端時，鋼球鎖緊機構(gòu)自動起作用，鎖緊活塞和缸筒，此時油缸相當(dāng)于剛性桿。鋼球式鎖緊油缸的特點非常符合雷達(dá)主塔舉升到位后需要長期保持主塔角度精度的要求。為此，本文設(shè)計了一種應(yīng)用鋼球鎖緊液壓缸的雷達(dá)主塔舉升機構(gòu)，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文詳細(xì)討論了鎖緊油缸的關(guān)鍵指標(biāo)——鎖緊力，也對實際使用中液壓快換接頭無法插上的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，給出了改進(jìn)措施。

1 雷達(dá)主塔舉升機構(gòu)

圖1為應(yīng)用鋼球鎖緊液壓缸的雷達(dá)舉升機構(gòu)。主塔、鋼球鎖緊油缸位于大盤之上，通過液壓快換接頭與

液壓源相連?？鞊Q接頭接上后，當(dāng)鋼球鎖緊缸的無桿腔通液壓油時，活塞桿伸出，主塔舉升，活塞桿伸至極限位置時，活塞相對于缸筒自動鎖緊，此時油缸對主塔起支撐作用。當(dāng)有桿腔通液壓油時，活塞相對于缸筒自動解鎖，活塞桿收回，主塔倒伏。當(dāng)主塔舉升到位并鎖定，快換接頭分離時，鎖緊油缸和主塔隨大盤轉(zhuǎn)動。

圖1 雷達(dá)主塔舉升機構(gòu)

2 鋼球鎖緊液壓缸設(shè)計

鋼球鎖緊液壓缸鎖緊原理如圖2所示。

圖2 鋼球鎖緊液壓缸原理圖

活塞上分布若干徑向孔，內(nèi)有鋼球。當(dāng)活塞在無桿腔液壓油作用下向左移動，臨近行程末端時，鋼球推動滑動套向左壓迫彈簧，使滑動套和卡套之間的開口增大，當(dāng)此開口大于鋼球外徑時，鋼球落入卡套的環(huán)槽內(nèi)，彈簧壓迫滑動套右移至活塞凹槽內(nèi)，此時鋼球位于卡套環(huán)槽、滑動套、活塞徑向孔三者之間，活塞桿上可以承受雙向軸向載荷。

當(dāng)往有桿腔里注入液壓油時，滑動套向左移動，使滑動套和卡套之間的開口增大，活塞在壓力油作用下有向右移動的趨勢，徑向孔和卡套對鋼球的作用力使鋼球徑向向內(nèi)移動，當(dāng)鋼球完全落入活塞徑向孔內(nèi)時，鋼球機械鎖解鎖，此時鋼球鎖緊缸相當(dāng)于普通油缸。

由鋼球鎖緊液壓缸原理可知，上鎖和解鎖時，鋼球會沿活塞上的徑向孔作徑向移動，應(yīng)保證鋼球不發(fā)生自鎖。

上鎖時，圖2中最上部的鋼球最不容易沿徑向向外移動，圖3為鋼球上鎖時的受力圖。

圖3 上鎖時的鋼球受力圖

鋼球力沿鋼球鎖緊缸軸向和徑向的平衡方程為

N2=N1sinα+fN1cosα

(1)

N1cosα≥G+fN1sinα+fN2

(2)

式中：N1、N2分別為滑動套、活塞徑向孔壁對鋼球的正壓力；f為摩擦系數(shù)；G為鋼球自重；α為鋼球與滑動套接觸點的法線與鋼球鎖緊油缸軸線相垂直的平面之間的夾角，該夾角與滑動套的傾斜角相同。

忽略鋼球自重，解得：

(3)

取f= 0.15，代入式(3)得α≤72.9°。

設(shè)計中滑動套的傾斜角取45°，故鋼球上鎖時不會自鎖。

解鎖時，圖2中最下部的鋼球最不容易沿徑向孔向軸心移動，圖4為解鎖時鋼球的受力圖。

圖4 解鎖時的鋼球受力圖

同理可得：

(4)

設(shè)計時α取60°，故解鎖時，鋼球不會自鎖。

鎖緊力是鋼球鎖緊液壓缸最重要的性能指標(biāo)。鎖緊時，鋼球的受力如圖5所示。

圖5 鎖緊時鋼球受力圖

鋼球所受的接觸應(yīng)力與接觸點處的曲率半徑、接觸方式、彈性模量有關(guān)。該系統(tǒng)中，鋼球、卡套滑動套、活塞都采用Gr15，彈性模量E= 206 × 103MPa，卡套對單個鋼球的法向力Fn、活塞對單個鋼球的軸向力(鎖緊力)Ft產(chǎn)生的最大接觸應(yīng)力σmax為[7]

(5)

式中：P為接觸件接觸點處的法向力，將Fn或Fr代入P；R1為鋼球的半徑；計算Fn產(chǎn)生的接觸應(yīng)力時，R2為卡套的環(huán)槽半徑，計算Ft產(chǎn)生的接觸應(yīng)力時，R2為活塞徑向孔的半徑。卡環(huán)的環(huán)槽半徑為87 mm，活塞徑向孔的半徑為6.2 mm，所以Fn產(chǎn)生的接觸應(yīng)力遠(yuǎn)大于Ft。R1= 6 mm，F(xiàn)t= 10 000 N，經(jīng)計算，F(xiàn)n產(chǎn)生的最大接觸應(yīng)力為139 MPa。

Fr(滑動套對單個鋼球的徑向力)產(chǎn)生的最大接觸應(yīng)力σmax為

(6)

軸承鋼Gr15的許用接觸應(yīng)力為3 800MPa，鋼球、卡環(huán)、滑動套滿足強度要求。

3 環(huán)境溫度對舉升機構(gòu)的影響

因結(jié)構(gòu)空間有限，液壓源沒有放在大盤上，隨大盤轉(zhuǎn)動的是一個體積很小的閥箱，主塔舉升倒伏時采用液壓快換接頭與液壓源連接。在樣機調(diào)試過程中，曾出現(xiàn)快換接頭無法插上的現(xiàn)象，此現(xiàn)象是由液壓油熱脹冷縮導(dǎo)致的。溫度變化引起的液壓油體積變化率為[8]

(7)

式中：αV為液壓油體積膨脹系數(shù)，約為8.7 × 10-4℃-1；Δt為環(huán)境溫度增量; ΔV為體積增量;V0為初始體積。

當(dāng)溫度升高時，缸體也會發(fā)生體積膨脹，碳鋼的線膨脹系數(shù)為11.3×10-6℃-1[9]，通常體積膨脹系數(shù)約為線膨脹系數(shù)的3倍，可見相對于液壓油的熱膨脹，缸體的體積膨脹可以忽略不計。

液壓油的體積彈性模量為(0.7-1.4)×103MPa，與鋼的彈性模量相比，也可以忽略不計。液壓油熱膨脹引起的壓力增量ΔP為

(8)

式中，κ為液壓油的體積彈性模量。

當(dāng)環(huán)境溫度升高30 ℃時，熱膨脹引起的壓力增量約為12 MPa，此壓力作用在快換接頭的自封單向閥上，造成快換接頭無法插上，嚴(yán)重時，可能導(dǎo)致鋼球鎖緊缸自動解鎖。在快換接頭的回油口端并接氣囊式或隔膜式儲能器，以緩沖液壓油的熱膨脹，儲能器的容量由以下公式確定：

καVΔt1=P1

(9)

Δt2αVV0=ΔV

(10)

Δt1+Δt2=Δtmax

(11)

P0V=P2(V-ΔV)

(12)

式中：P1為平衡閥的設(shè)定壓力；Δt1為對應(yīng)于P1的環(huán)境溫度增量；Δt2為鋼球鎖緊缸無桿腔壓力從P1增至P2時的環(huán)境溫度增量；V0為無桿腔的容積；ΔV為溫度上升Δt2引起的體積膨脹量；Δtmax為環(huán)境溫度最大增量；P0為儲能器初始壓力；P2為油液熱脹冷縮引起的最大壓力；V為儲能器容量。

本機構(gòu)中并連了2個容量為3L的隔膜式儲能器，初始壓力設(shè)為0.5 MPa，經(jīng)環(huán)境試驗驗證，該方法可以有效解決快換接頭插不上的問題，鋼球鎖定可靠。

4 結(jié)束語

本文對鋼球鎖緊油缸的原理、自鎖條件、鎖緊力計算等進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，研制了鋼球鎖緊油缸樣機，通過性能試驗驗證了理論分析的正確性。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地設(shè)計了一種應(yīng)用鋼球鎖緊液壓缸的雷達(dá)主塔舉升機構(gòu)并研制了樣機，詳細(xì)分析了調(diào)試中出現(xiàn)的快換接頭插不上的原因，提出了解決方案。經(jīng)試驗和使用驗證，該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可靠性高，可以在天線主塔、天線折疊板塊等類似項目中推廣應(yīng)用。本文所做的理論研究工作及工程實踐，對鋼球鎖緊油缸的推廣應(yīng)用也有一定的借鑒意義。

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[8] 雷天覺. 新編液壓工程手冊[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

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丁 柏(1969-)，男，高級工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Application of Ball Locking Cylinder to Lifting Mechanism of Radar Main Tower

DING Bai

(NanhuGeneralMachineryPlant，Jingzhou434007,China)

The lifting mechanism and the locking mechanism are normally designed as two separate parts in the radar main tower system. With the rapid development of modern radar technology, this conventional design can not meet higher requirements for lighter weight and more compact space. In this paper, the radar main tower mechanism with the ball locking cylinder is designed, which has both lifting and locking capabilities. The principle of the locking cylinder is introduced and the locking strength is analyzed. To solve the coupling failure in quick-action couplers, the hydraulic circuit is improved. Application shows that this simple and reliable mechanism can meet the use requirements. It provides a reference for similar product design.

ball locking cylinder；radar main tower；hydraulic lifting system

2013-08-05

TN876.7

A

1008-5300(2013)05-0034-04