浅析液压缸侧向力产生原因及解决措施

导向长度、耳环的宽度以及活塞杆的刚度。 4) 为减小耳环、销轴间的摩擦力，应 在操作时严格按照起重机操作标准进行， 尽 量 做 到 在 变幅完 成及 伸 展完 成 后再进行 起 重 工作 以 减小 液压缸 在 有挠 度 的情况下 承 受的轴向载荷。 5) 对于内部摩擦力， 由于在振动分析 中可 以 看 到内 部摩擦 力对振 动 有一定 的影 响， 所以应尽可能的全面考虑各种因素后选 择 合 理 的缸筒 内 径以 及 导向 套等 部件接 触 部位的粗糙度和材料特性。 6) 在配合运动处提高润滑效果， 以减 少干摩擦的产生。 7) 在一些应用中， 外连接使用球式或 关节轴承等连接来进行一定的受力补偿。
' F侧 = F × tan ( a )
（3）
1/3
又有
tan ( a ) =
其中 δ 为 销轴 和 耳环孔 同 轴时 的 单侧 间隙， L 为耳环宽度。 所以，可有
' F侧 =F×
2δ L
（4）
如果把导向套与活塞杆的配合看成刚 性的，则 最大扰度
w=
由以上各式得
FL2 3 3EI
（9）
2δ L
（5）
F ' × u ×源自文库r=F侧 × L F = F外 F侧1 = F侧2 F侧2 × L2 = F外 × w
（6） （7） （8） 则外部摩擦力产生的侧向力
（11）
F侧 =
Fru L
（12）
2) 内部摩擦力对侧向力的影响 由 于 起重 机 用 液压缸的 径 向 尺寸 都 较 大， 内部摩擦力不能简单的简化为作用在活 塞中心上的总摩擦力； 由于液压缸存在了一
浅析液压缸侧向力产生原因及解决措施
刘邦才，尹立松，范华志，李永奇
(徐州徐工液压件有限公司 技术中心) 摘要：液压缸作为工程机械上主要的执行元件，其性能的优劣直接影响到整机的使用情况，而侧向力 的产生又关系着液压缸的性能，为了研究侧向力导致的液压缸在使用过程中的一些异常情况，本文从原因 分析及理论计算上对液压缸侧向力进行了初步的探索。 在分析过程中以大吨位起重机液压缸为例进行探讨， 并提出了减少或消除侧向力的相应解决措施，可以为其它液压缸侧向力的分析提供一种方法和思路，同时 也可为液压缸的设计计算和主机应用提供一定的参考和依据。 关键词：液压缸；侧向力；原因分析；解决措施
随着国内工程机械的快速发展， 液压缸 行业也取得了长足的进步， 市场对液压缸的 各种性能要求也变得越来越严格， 它的好坏 直接影响到整机的性能和质量， 关系到整机 的工作可靠性及其市场竞争力，为此，各主 机厂对液压缸质量的关注也变得越来越多。 对于液压缸，一般情况下，都会产生侧 向力，但对于不同种类、不同工况下的液压 缸， 其侧向力的大小与其影响因素亦存在着 较大 的 区别，其 造成 的 危害形式 也较 为 繁 多。其常见问题，比如异响、爬动、漏油， 甚至结构件的破坏等， 可能造成主机系统无 法正常工作，从而带来客户的严重抱怨。而 目前， 整个行业对液压缸侧向力的研究还较 为少见，对此，本文将结合起重机液压缸的 应用进行一次的初步的探讨。
1 侧向力产生的原因分析
以大吨位起重机上使用的液压缸为例， 其 上所 产生的侧向力主要是由本身特 性 所 造成的，如工作行程大、结构尺寸大、自重 大、加工困难等。而由于侧向力的存在，其 活塞、导向套就承受了侧向负载，从而导致 密封件的加剧磨损，间隙增大，泄露的可能 性变大，同时还产生了轴向偏载，加大了摩 擦阻力， 从而造成抖动、 爬行、 异响等情况。 为有效减小或消除侧向力， 有必要研究 液压缸侧向力产生的原因。 针对于液压缸本 身展开具体分析， 可以将液压缸中产生的侧 向力归结为三个方面。 1.1 加工及安装误差所引起的侧向力 起重 机中液压缸的 安装方 式 多为 铰 接 式 联 接。 构成 铰 接副 的 元素 多为 销轴 和 耳 环。 为了保证液压缸能有良好的绕销轴转动 特性， 在设计时此处的配合就被定为间隙配 合。在安装中，由于销轴和耳环的尺寸都较 大，难免会加大了对间隙的控制，这就很容
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F侧1 =F侧2 =
( FL3 )
2
3EIL2
（10）
1.3 摩擦力所产生的侧向力 作 用在 液压缸 上 的 摩擦 力主要来 自 于 两个方面。 其一是耳环和销轴之间的外部摩擦力； 其二是活塞与缸筒、 活塞杆与导向套等 构件间的内部摩擦力。 1) 外 部摩擦 力的 存在 对侧向力的影 响 由于耳环与销轴间摩擦力的存在， 影响 了液压缸的转动； 而液压缸承受的载荷又非 常大，致使在液压缸改变角度时，耳环和销 轴间的摩擦力矩不能忽视；为平衡该力矩，
易造成耳环孔中心和销轴中心线不平行。 这 样一来，在液压缸工作过程中，销轴作用在 液压缸耳环上的力就不是垂直于耳环轴线， 即不平行于液压缸轴线。 这个侧向力的大小 取 决 于液压缸 所承受 的 轴向 载 荷 与液压缸 耳环与销轴的加工及安装精度。 如图 1 所示， 如果液压缸长期工作在这种状态， 不仅会产 生侧向力，还 会 造成 销轴和 耳环 的局部磨 损，加速液压缸的破坏。
即该侧向力大小与轴向外力、 间隙成正 比，与耳环宽度成反比。 1.2 存在挠度变化引起的侧向力 起重 机 用 液压缸的行程和 结构尺寸 都 很大，尤其是伸缩缸，在完全伸出后长度甚 至可达到十到二十几米。 同时活塞与缸筒的 配合、 多级杆间的配合都会存在一定的间隙 使 得此 时 的液压缸并 不 是一 个 可 近似 为 刚 体的系统。而液压缸外载荷及自重又很大， 所以液压缸会有一个挠度。 此时在液压缸的 轴线方向上加上作用力时， 力的传递已经不 能通过液压缸的轴线， 即液压缸不单是拉压 杆，同时承受弯曲作用，液压缸上侧受拉， 下侧受压，传递到铰接点即产生了侧向力。 如图 2 所示。
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定的挠度， 使得在活塞杆伸出或缩回的过程 中活塞的上侧和下侧的摩擦力不相等， 于是 产生了一个对活塞中心的摩擦力矩。 为平衡 该力矩， 又要产生一个侧向力。 如图 5 所示。 这 种情况同时 造成了 活塞密封 圈 和缸 筒 的 局部磨损，同样加速液压缸的破坏。
图 5 内部摩擦力产生的侧向力
针对于活塞与缸筒，可作如下分析： 假设活塞上下顶角所受挤压力分别为 F1 、 F2 且 F1 > F2 ， 摩擦系 数为 u ，侧向 力作用点距活塞中心距离为 L 由力矩平衡
4 结束语
通过对液压缸结构及受力的简化， 借此 展开侧向力的理论分析， 从而得出一些初步 的解决对策，可以为以后进一步的探索，埋 下一定的伏笔。 同时也可为液压缸的结构设 计，工艺生产提供一定的参考，为主机上的 操作应用提供些许建议。
参考文献 [1] 雷天觉.液压工程手册[M].北京：机械工业出 版社，1990. [2] 黄安贻，董起顺.液压传动[M].成都：西南交 通大学出版社，2005. [3] 李小平,邓伟.QLY9 型轮胎起重机[J].工程机 械，2011（11）. [4] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社， 2004. [5] 温诗铸，黄平.摩擦学原理[M].北京：清华大 学出版社，2002. 通信地址： 江苏徐州徐工液压件有限公司 （221004） 联系人：尹立松，手机 15062133565
图 2 挠度引起的侧向力
必然会有一个侧向力的存在。如图 4 所示。
图 4 外部摩擦力产生的侧向力
图 3 活塞杆的受力图
其理论分析如下: 取活塞杆为研究对象， 其受力如图 3 所 示 有
其理论分析如下: 假设轴向力为 F ，销轴半径为 r ，摩擦 系数为 u 轴向力平衡 F = F' （10） 由力矩平衡，有
F侧 × u − F2 × u − F侧 × L = 0 （13）
得
F侧 =
( F1 − F2 )u L
（14）
同样，对于活塞杆和导向套之间的摩擦 导致的侧向力，可用类似方法分析。
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解决措施
从以上的分析可以看出， 为消除或减小 侧向力，应该从以下几个方面着手： 1) 提高液压缸的加工和安装精度。 这 包括 耳环 与销轴间的 配 合精度 以 及活塞 密 封 圈 与 缸 筒的 配 合精度 和多 级 杆间的 配 合 精度，以减少间隙值。 2) 保证活塞杆的直线度， 加工时注意 活塞杆和活塞的同轴度和密封槽加工尺寸。 3) 允许的情况下， 适当提高液压缸的
图 1 销轴与耳环心轴不平行引起的侧向力
其理论分析如下: 取活塞杆为研究对象， 由于销轴和耳环 可看作线面接触， 其作用力必垂直于销轴的 表面，受力示意图可参考图 1 沿水平方向有
F = F ' × cos ( a )
又有
' F侧 = F ' × sin ( a )
（1）
（2）
由（1） 、 （2）得