劉浩亮，李 智，鄒玉蓉，張 旋

(西安電子工程研究所，陜西 西安 710100)

0 引 言

在工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)中，為了保證液壓缸的位置，常常使用液壓鎖緊回路，一般采用液壓鎖或者平衡閥來(lái)防止液壓缸內(nèi)油液的泄漏[1-2]。對(duì)有重力負(fù)載的回路，還需要用平衡閥來(lái)平衡負(fù)載重量。因此平衡閥多用于鎖緊回路，其原理圖如圖1所示。

液壓鎖緊回路基本沒(méi)有泄漏，但是由于活塞在液壓缸中沒(méi)有精確限位，常常會(huì)因?yàn)橐簤河偷男孤┗蛘邿崦浝淇s而改變位置。因此在很多工程機(jī)械和工業(yè)機(jī)械設(shè)備中，在需要精確定位的工況下，液壓鎖緊回路滿(mǎn)足不了使用要求，常常要求液壓缸被機(jī)械鎖緊。

圖1 液壓鎖緊回路

圖2 鎖緊裝置組成

近年來(lái)出現(xiàn)了一種液壓缸機(jī)械鎖緊裝置[3-7]，見(jiàn)圖2，它是由活塞桿、彈簧、錐形軸套、錐形軸瓦和A腔等組成。該裝置利用了摩察鎖緊原理，鎖緊時(shí)A腔中無(wú)壓力油，碟簧推動(dòng)錐形軸套往右運(yùn)動(dòng)，彈性壓縮變形軸瓦，從而壓緊錐形軸瓦抱緊活塞桿。解鎖時(shí)，高壓油進(jìn)入A腔，推動(dòng)錐形軸套和碟簧往左運(yùn)動(dòng)，釋放錐形軸瓦，錐形軸瓦彈性恢復(fù)張開(kāi)，從而使活塞桿解鎖。相比于液壓缸端頭鎖緊裝置(液壓缸完全伸到位鎖緊或者完全收到位鎖緊)，這種鎖緊裝置的特點(diǎn)是可以在行程內(nèi)任意位置鎖緊液壓缸，滿(mǎn)足多個(gè)位置鎖緊的需求。該裝置的缺點(diǎn)是需要額外增加1個(gè)鎖緊回路，使液壓系統(tǒng)變復(fù)雜。

作為1種比較新的應(yīng)用，其對(duì)液壓回路的影響以及相互匹配在公開(kāi)報(bào)道中還比較少見(jiàn)，有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步分析研究，本文將系統(tǒng)分析這種液壓缸機(jī)械鎖緊裝置的應(yīng)用。

1 鎖緊裝置

1.1 解鎖壓力

這種鎖緊裝置常常需要1個(gè)單獨(dú)的液壓回路來(lái)解鎖。解鎖壓力常常被限定在1個(gè)固定的范圍內(nèi)，這與鎖緊裝置內(nèi)的彈簧和A腔內(nèi)軸套的截面積有關(guān)，常見(jiàn)的壓力范圍是3～5 MPa和9～15 MPa。壓力過(guò)低時(shí)，軸套不能推動(dòng)彈簧解鎖裝置；壓力過(guò)高時(shí)，會(huì)過(guò)度擠壓碟簧，使其產(chǎn)生塑性變形而損壞。解鎖壓力一般在產(chǎn)品樣本和使用手冊(cè)里面有詳細(xì)的說(shuō)明，安裝后需要在解鎖回路中增加單獨(dú)的溢流閥，限制該路的最高壓力。

1.2 解鎖邏輯判斷

確定如何鎖緊裝置是否解鎖到位，目前廠家推薦的方法是通過(guò)檢測(cè)壓力來(lái)判斷，鎖緊裝置上一般有壓力開(kāi)關(guān)的選項(xiàng)。在沒(méi)有到達(dá)解鎖壓力之前，鎖緊裝置是鎖緊的；壓力達(dá)到解鎖壓力區(qū)間，鎖緊裝置解鎖。這種壓力判斷實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，只要在回路中增加壓力開(kāi)關(guān)或者壓力傳感器即可。

但是由于壓力檢測(cè)屬于間接判斷，認(rèn)為壓力值達(dá)到后錐形軸套和錐形軸瓦就會(huì)完全脫開(kāi)，這樣的判斷在大多數(shù)工況下沒(méi)有問(wèn)題，但在有些特殊的場(chǎng)合中是存在問(wèn)題的。比如液壓回路中的壓力和流量沖擊；雙鎖緊裝置的解鎖不同步等。

2 解鎖回路

常見(jiàn)的解鎖回路有2種，解鎖原理如下圖3、4所示。它們都是在原負(fù)載回路的基礎(chǔ)上，增加1個(gè)解鎖回路。

一種方式是增加1路液壓換向閥，在大多情況下是增加1片多路閥來(lái)解鎖，這片閥上設(shè)有溢流閥來(lái)控制這路的最高壓力，這種回路可以簡(jiǎn)稱(chēng)為液壓閥解鎖回路。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增加的元器件不多。缺點(diǎn)是閥前補(bǔ)償?shù)亩嗦烽y在總的流量不夠時(shí)，或者其他回路有壓力流量沖擊時(shí)，會(huì)導(dǎo)致解鎖這一回路流量或者壓力不足以解鎖，從而使液壓缸不停地抖動(dòng)，液壓系統(tǒng)往往會(huì)伴隨有尖叫等噪聲。

另一種方式是單獨(dú)增加1個(gè)液壓泵和相關(guān)的閥，組成1個(gè)專(zhuān)供解鎖用的回路解鎖，可以簡(jiǎn)稱(chēng)為液壓泵解鎖回路。其優(yōu)點(diǎn)是解鎖很穩(wěn)定，其他回路的壓力流量沖擊對(duì)這一路沒(méi)有影響。缺點(diǎn)是增加了液壓泵、溢流閥、單向閥等元器件，使整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量和造價(jià)增加，系統(tǒng)可靠性降低。

3 解鎖先行

在運(yùn)動(dòng)前，需要先解開(kāi)鎖緊裝置，再完成其他升降動(dòng)作，不能同步進(jìn)行，以避免不同回路之間的不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致機(jī)械故障。解鎖完后，解鎖壓力需要一直保持，使鎖緊裝置一直保持解鎖狀態(tài)，要求鎖緊裝置鎖定時(shí)，切掉解鎖壓力，再重新實(shí)現(xiàn)機(jī)械鎖緊。

圖3 液壓閥解鎖回路原理

圖4 液壓泵解鎖回路原理

4 解鎖沖擊

這種鎖緊裝置能解決由于液壓缸泄漏而引起活塞桿的移動(dòng)，特別是有重力負(fù)載的活塞桿移位。但是在解鎖的瞬間，負(fù)載回路常常會(huì)伴隨壓力沖擊和振動(dòng)。這是由于在鎖緊狀態(tài)下，負(fù)載回路液壓缸油液存在泄漏，兩腔壓力會(huì)逐漸歸零，當(dāng)鎖緊裝置解鎖時(shí)，重力負(fù)載會(huì)瞬間作用到液壓缸上，而產(chǎn)生巨大的解鎖沖擊。通過(guò)分析負(fù)載回路，簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)模型，得到以下分析。

4.1 平衡閥沒(méi)有溢出

假定平衡閥在沖擊的過(guò)程沒(méi)有油液溢出，液壓缸和鎖緊裝置原理如下圖5所示(假定無(wú)桿腔支撐重力)，液壓缸活塞桿的振動(dòng)可以簡(jiǎn)化成初始狀態(tài)為1個(gè)彈簧在零位的諧振運(yùn)動(dòng)。

圖5 活塞桿振動(dòng)原理

根據(jù)圖5，可以得到活塞桿的動(dòng)力學(xué)方程為 ：

(1)

式中：m為負(fù)載質(zhì)量；k1為液壓缸內(nèi)油液的剛度；c為液壓缸內(nèi)油液的阻尼；g為重力加速度。

根據(jù)液壓缸和液壓油的參數(shù)可以計(jì)算出k1

(2)

式中：k1為油液剛度；A1為無(wú)桿腔面積；V1為無(wú)桿腔油液容積，E為油液彈性模量。

阻尼c與液壓缸泄漏和活塞、活塞桿與缸體之間的摩擦有關(guān)，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定或者實(shí)際測(cè)定。求解動(dòng)力學(xué)方程(1)，可以得到液壓缸活塞桿的振動(dòng)軌跡，同時(shí)得到解鎖沖擊力的大小和沖擊時(shí)間。

4.2 平衡閥有溢出

對(duì)平衡閥有油液溢出的液壓回路，活塞桿的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況會(huì)更復(fù)雜，這與平衡閥設(shè)定的壓力有關(guān)。因?yàn)闆_擊力超過(guò)一定的值，會(huì)導(dǎo)致液壓缸內(nèi)壓力大于平衡閥內(nèi)設(shè)定的平衡壓力，液壓缸中的液壓油會(huì)從平衡閥中溢出。此時(shí)液壓缸活塞桿的動(dòng)力學(xué)模型會(huì)變成非線(xiàn)性模型，精確的運(yùn)動(dòng)過(guò)程需要用專(zhuān)業(yè)的軟件進(jìn)行仿真。

解決解鎖沖擊，從原理上分析可以從如下兩方面著手。

一方面從鎖緊裝置著手，適當(dāng)延長(zhǎng)解鎖時(shí)間，使重力載荷緩慢加載在液壓缸上。分析鎖緊裝置圖1可以看出，解鎖的過(guò)程是錐形軸套釋放錐形軸瓦變形的過(guò)程，錐形軸瓦變形很小，在0.1 m的量級(jí)上，目前在工程實(shí)際應(yīng)用中要精確控制這個(gè)過(guò)程十分困難。而且頻繁使用會(huì)加速錐形軸套和錐形軸瓦表面之間的磨損，導(dǎo)致裝置的解鎖和鎖定不可靠，鎖緊裝置生產(chǎn)廠家不建議這樣使用。

另一方面從整個(gè)液壓控制回路著手，在解鎖鎖緊裝置之前，先給液壓缸支撐腔充壓，直到壓力剛好平衡重力負(fù)載。這種方式需要增加壓力傳感器，同時(shí)增加1個(gè)解鎖前充壓的步驟。筆者在應(yīng)用中采用了這種方式，已驗(yàn)證可以有效地解決解鎖沖擊問(wèn)題。

5 解鎖不同步

對(duì)于雙液壓缸和雙鎖緊裝置結(jié)構(gòu)，由于它們的解鎖壓力存在差異但是相差很小，因此2個(gè)鎖緊裝置的解鎖并不同步。這是由于鎖緊裝置中的錐形軸套需要運(yùn)動(dòng)一段行程才能到位，然后再解鎖另一個(gè)鎖緊裝置，因此中間存在明顯的時(shí)間差。筆者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)很難用壓力傳感器判斷同一批次2個(gè)鎖緊裝置的解鎖壓力之間的差異，因此無(wú)法判斷是1個(gè)鎖緊裝置解鎖了，還是2個(gè)鎖緊裝置都解鎖了。這種工況下使用廠家推薦的壓力檢測(cè)方式顯然不合適。

但是通過(guò)對(duì)鎖緊裝置的分析可知，每個(gè)鎖緊裝置中A腔的最大容積是恒定的，解鎖需要的總油液量也是恒定的。因此根據(jù)解鎖回路流量，可以準(zhǔn)確判斷解鎖時(shí)間，故可以根據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)判斷鎖緊裝置是否已經(jīng)解鎖。

還有1種判斷方式，可在鎖緊裝置內(nèi)增加行程開(kāi)關(guān)來(lái)判斷錐形軸套是否解鎖到位或者鎖緊到位。這種方式更加直接可靠，遺憾的是目前還沒(méi)有廠家推出類(lèi)似的產(chǎn)品。但是，安裝行程開(kāi)關(guān)需要一定的空間，因此采用這種方式會(huì)增加鎖緊裝置的外形尺寸，不如壓力開(kāi)關(guān)安裝方便。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了一種的液壓缸機(jī)械鎖緊裝置的應(yīng)用，介紹了其組成、解鎖壓力、邏輯判斷以及常用的解鎖回路。并對(duì)其應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出了解決方案。提出的技術(shù)方案對(duì)工程機(jī)械中其他機(jī)械液壓鎖緊裝置，特別是液壓缸端頭鎖緊裝置，具有一定的參考意義。