液压缸机械系统的研究与改进

时间：2024-04-23

赵福伟

云南机电职业技术学院机械工程系

液压缸机械系统的研究与改进

赵福伟

云南机电职业技术学院机械工程系

本文通过简单介绍液压缸的原理、组成等，然后详细探讨液压缸机械系统的作用、结构、分类、常见故障等方面内容，最后得出对液压缸机械系统的改进意见。液压机械系统属于比较精密的机械系统，在机械系统的发展中起到了不可忽视的作用。

液压缸；机械系统；发展

前言

液压缸在设备系统中一般作为执行元件。液压缸可以把压力能转化为机械能，具有结构简单、性能稳定等优点，并且具有自锁的功能，所以液压缸机械系统在重型设备应用非常广泛。在这类设备中，一般采用将液压油通过液压泵加压然后以很高的压力，从而产生很高的液压能，然后输送到到设备的执行机构中。系统中液压泵通常由发动机或者电动马达驱动。并且可以通过控制阀控制液压油的压力从而控制液压缸机械系统所输出的动力。液压缸机械系统的核心部件就是液压缸，结构设计会导致液压缸爆裂、扭曲及断裂等后果，从而造成一系列的经济损失，并对生产安全构成严重的威胁，所以液压缸的属性参数直接影响着整个系统的性能。

一、液压缸简介

1.1液压缸分类

液压缸产生于18世纪，发展至今已经有200多年的历史，液压缸的种类也发展的多种多样。液压缸的分类方法主要有结构形式、运动方式、安装形式、压力等级等。液压缸根据结构形式的不同分类，可分为活塞式、柱塞式、多级伸缩套筒式等；根据运动方式的不同可分为直线往复运动式和回转摆动式；液压缸的安装可以有拉杆、耳环、底脚、铰轴等多种方式，液压缸的压力等级可分为16Mpa、25Mpa、31.5Mpa等。

1.2液压缸的组成

液压缸可以将系统的液压能转变执行元件的机械能，一般情况下，液压缸做直线往复运动或者回转摆动运动。液压缸结构比较简单、性能稳定、寿命较长。液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置等组成。在一个液压缸系统中，除去缓冲装置与排气装置可以视具体应用条件而确定，其他装置则必不可少。

但是在往复运动的液压缸上一般可以省略减速装置，并且没有传动间隙。缓冲装置用于在液压缸活塞高速运动至行程终端时避免受到由于行程限制而造成的剧烈的钝力、压力冲击，从而提高系统的稳定性以及避免液压传动零部件被损坏。液压缸使用经验表明，在液压缸工作在0.03m/s—0.5m/s时，在系统设计时，就需要考虑到缓冲装置的添加问题，液压缸工作在0.5m/s以上时，必须加装缓冲装置，以免液压缸活塞受到损坏。

1.3液压缸的故障分析

液压缸的故障基本可以归纳为三类分别为误动作、无力推动负载和活塞滑移或爬行。由于液压缸经常在系统中作为关键元件，一旦液压缸发生故障多数情况下系统不能正常工作而影响工作效率。所以平时要注重对液压缸的维护工作。

1.3.1液压缸误动作

液压缸产生误动作的原因多种多样，一般可以总结为以下几个方面：首先，在系统温度较低时容易出现这种现象。这是因为温度较低时液压油比较粘稠，从而使得液压缸动作缓慢。其次，阀芯被卡住或阀孔被油污等堵住时也会有液压缸误动作产生。再次，液压系统压力源受到干扰，控制压力太稳定时，误动作产生比较频繁。再次，在液压循环油中进入空气也会造成液压缸误动作的现象。

1.3.2工作时不能驱动负载

这种故障的主要表现是停位不准、推力不足、速度下降、工作不稳定等。产生这种现象的原因多数情况下是因为出现了泄漏。在发生液压缸内部泄漏、液压回路泄漏、液压油经溢流阀旁通回油箱等情况时，都会造成压力不足而不能驱动负载的情况。

1.3.3活塞滑移或爬行

一般认为液压缸发生活塞滑移或爬行的根本原因是流量与负载速度不匹配，解决起来比较困难。一般发生这种现象的具体原因是液压缸内部各零件相互不匹配而涩滞、润滑不良、液压泵或液压缸进入空气、密封件质量不过关等。在液压缸发生活塞滑移或爬行时，可以逐步排查找到原因，从而在根本上解决。

二、液压缸机械系统

2.1液压缸机械系统的结构

图1　液压缸传动系统示意图

图2　液压缸的基本结构

液压缸传动系统结构示意图如图1所示。如此液压传动系统可以得到较大的功率并且安装灵活方便，工作平稳。液压传动系统的体积、强度、刚度及载荷作用位置等属性基本上受到其液压缸结构和尺寸的限制。

2.1.1液压泵

液压泵是液压动力的来源。液压泵在结构上可以分为齿轮油泵和串联泵（包括外啮合与内啮合）两种结构形式，在压力产生方法上又可以分为齿轮油泵、叶片油泵、柱塞油泵，几种液压泵各有其优缺点，在设计液压系统时需要结合实际情况对其进行选择。液压泵的原理是通过泵腔内部件的运动改变泵腔的体积，从而增加泵腔内的流体的压力。在实际工作中，通过液压泵在液压油箱中吸入油液，让后对其加压而形成压力油输出到液压缸中从而为其提供动力。

2.1.2液压阀

液压阀是液压缸的主要控制器件。在控制功能上可以分为流量阀，压力阀，方向阀三类。流量阀用来调节液压油的流量，根据流量阀的功能可以分为节流阀、调速阀，分流集流阀。压力阀用于压力控制，压力阀可以分为溢流阀，减压阀，卸荷阀等几类。方向阀用于方向控制，根据控制特点可以分为单向阀及换向阀。并且液压阀按照在系统中安装的方式可以分为板式阀、叠加阀、管式阀、螺纹插装阀、盖板阀等几类。在现代化液压缸机械系统中液压阀通常与电磁阀配合使用，以达到自动控制的目的。

2.2液压缸机械系统的设计理念

在进行液压缸机械系统设计时首先要考虑其所使用的环境及需要满足的参数条件。在设计液压缸机械系统时可以设计其传递的力矩在合理范围内尽量放大，活塞伸缩运动速度也应该尽量快，从而可以及时伸出或者缩回，提高响应速度及生产效率。并且在设计液压泵时，应考虑压力泵的压力范围应在其额定范围内，否则会有动力不足等现象产生。在设计重型液压缸机械系统时，还要考虑其运动和受力部件的受力情况，尽可能地避免液压缸受到不规则力，比如侧向力，偏离活塞杆中心的偏心力矩等，以免因受力不规则而受到破坏。并且在设计液压缸与机械设备的连接方式时，还要注意使其简单合理，尽量使实际行程在液压缸的有效行程范围内，避免出现“有劲儿使不出”的现象，并且可以增加系统的稳定性。最后还要对密封部件等辅助部件进行合理的设计，这对液压缸机械系统的使用寿命的增加，减少故障的发生几率，以及增加系统的稳定性都具有十分重要的意义。

2.3液压缸机械系统锁定问题

液压缸因为其结构的特点具有自锁的功能，并且其锁止效果也是其在设计和实际工作中的重要指标。在很多生产场景中，机械设备停止或者载荷突然变化时都需要自动锁定功能，以提高生产效率或者保证安全生产。一般在设计一个液压缸机械系统时首先考虑其自锁能力能否满足实际工作的要求，并且经常留有很大的安全空间，从而保证锁止的效果以及生产安全。因此在原材料选择加工、以及液压用油的选择等影响到液压缸锁止效果的因素上都要认真设计，严格管理。

但是在液压缸传统的锁定方式设计中，通常对液压系统的锁止效果要求不高，因此只是认为液体是不可以继续压缩的而只通过锁止液压油回路，从而使得液体停止流动，进而使液压缸不再继续发生位移变化而达到锁止的效果。但是，由于任何液体在液压系统工作时所产生的巨大的压力作用下，其体积都会有所减小并且密度变大，进而使得液压缸继续发生位移，也就是通常所说的卸压。在如矿山、吊车等特殊的场合下，如果液压缸在载荷突变而锁止效果不佳，液压缸继续发生位移，极有可能造成安全事故。

2.4液压缸强度校核

液压缸是液压传动系统中的重要的传递力的部分，当液压缸在中、低压传动系统中工作时，因缸体实际承受的压力较小，缸筒厚度主要由结构工艺决定；但当液压缸用于高压传动系统承担传动任务时，如矿山重型液压缸，运转时其所承载的压力峰值将达到几十兆帕。所以，需要对液压缸的强度进行校核，从而检验液压缸缸体的强度是否能够满足生产环境所能产生的拉力、压力以及冲击力等多种作用力的作用，从而保证液压缸的可靠性与安全性。

三、液压缸机械系统的改进建议

液压缸的自锁功能对于提高工作效率以及保证安全生产都具有十分重要的意义，所以为了增加液压缸机械锁止效果，套筒式锁紧装和钢球摩擦锁等专门使用于增加液压缸锁止效果的装备被开发出来，以保证安全生产。

3.1套筒式锁紧装置

这种锁紧装置可以将活塞杆在任意位置进行锁止，以至于液压缸随时停车都可以进行锁止。

这主要是因为套筒式锁紧装置采用了过盈配合的方式，通过液压缸端盖上的弹性材料制作的锁紧套筒和活塞杆，液压液的压力进行锁定和卸锁，在停车时将活塞杆锁止。其具体的原理是在液压油进入套筒，套筒膨胀，活塞杆可以移动自如；液压油压力解除后，套筒迅速收缩，从而自动锁紧活塞杆。

3.2钢球摩擦锁

钢球摩擦锁是通过在活塞杆上开一个槽，并放一钢球在槽内，再用弹簧圈挡住小钢球。当解除液压液的压力即停车时，活塞如果有向左运动的趋势，但是由于被钢球卡住不能动；如果有向右运动的趋势，右面钢球也会卡住它，从而活塞向左向右都不能运动而处于锁止的状态。并液压油压力增加时，活塞被推向右侧，右面的钢球自然落入槽中，从而自动解除锁定。