液压缸机械锁紧技术新发展

韶关学院学报·自然科学Journal of Shaoguan University ·Natural Science 2010年9月
第31卷第9期Sep.2010Vol.31No.9
液压缸机械锁紧技术新发展
黄长征
（韶关学院物理与机电工程学院，广东韶关512005）
摘要：机械式锁紧技术是液压缸关键技术之一.根据当前国内外液压缸机械式锁紧技术的研究与应用成果，综合归纳了液压缸机械锁紧技术研究现状，分析了目前机械锁紧技术的种类、结构、原理、特点及应用等，并指出了其关键技术和发展趋势.
关键词：液压缸；锁紧技术；综述
中图分类号：TH137.51文献标识码：A 文章编号：1007-5348（2010）09-0040-05
收稿日期：2010－09－06
基金项目：韶关市技术创新项目(韶科（成）2008-04)
作者简介：黄长征（1970－），男，湖南耒阳人，韶关学院物理与机电工程学院副教授，博士，主要从事现代机电液集成控制理论与技术应用研究.
液压缸是一种驱动并承受大载荷的执行元件，通常要求它在运动停止时能长时间稳定地承受外负载而无任何位移，即需要具有锁紧定位功能、无“软腿”现象.例如，某机动雷达天线座车的自动调平系统，要求液压缸在4t 载荷下每24h 的下沉量小于2mm.实现液压缸锁紧定位功能的方法有两个：一是采用液压锁定回路，即利用O 型或M 型三位换向阀、单向阀、液控单向阀、双向液压锁等组成液压锁紧回路，实现单向或双向锁紧定位功能；二是采用机械锁紧方法实现液压缸的锁紧定位功能［1］.但是液压锁定回路因无法解决液压缸不可避免存在的内泄漏而产生的活塞滑移和稳定性问题，所以只能用于锁紧定位要求不高的场合.对于一些锁紧定位要求较高的场合，特别是要求在载荷作用下长期可靠锁定的场合，就必须采用机械式锁紧液压缸.这是一种特殊的液压缸，采用机械结构实现活塞在外部载荷下在任意位置的长时间、高精度的锁紧定位，即可避免因液压缸内部泄漏而产生的活塞滑移，并且有的锁定装置结构简单，无单独的锁定、解锁回路，简化了液压系统设计，降低了成本，得到了广泛应用［2］.目前液压缸机械式锁紧技术得到了长足发展
.本文针对液压缸机械锁紧技术，分析归纳了其技术现状，阐述了目前存在的问题及发展趋势.1液压缸机械锁紧方式最新发展
目前液压缸机械式锁紧方法有很多，常用的
有套筒式、刹片式、钢球摩擦式、滚子摩擦式、内
涨式、卡环式、楔块-卡环式和锥面-碟簧式锁紧
方法等，分述如下.
1.1套筒式锁紧
其结构如图1所示，在活塞杆外伸部分，装
一个固定在液压缸端盖上一个锁紧套筒，其内孔
与活塞杆的外圆为过盈配合，可使活塞杆被锁紧
在任意位置.锁紧套筒内孔有螺旋槽，槽的两端装有密封圈.锁紧套筒较薄且具有一定弹性.当解锁高压油进入螺旋槽后，在高压油压力的作用下，锁紧套筒径向向外膨胀从而使其与活塞杆的过盈配合变为间隙配合，松开活塞杆，这时活塞杆即可如普通液压缸一样自由移动.若解锁压力油卸除之后活塞杆又被立即自动
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锁紧在锁紧套筒内［2］.这种机构结构简单、性能可靠，在轴线方向和圆周方向均可锁定.目前锁紧负载可达到5MN［3］.
1.2刹片式锁紧
刹片式锁紧装置如图2所示，在液压缸的端盖上有一制动刹片2，它
在碟形弹簧1的作用下被紧紧地压在活塞杆3上，依靠摩擦力抵消活塞
杆的轴向负载，从而使活塞杆锁紧在任意位置.解锁时，压力油进入A
腔，在液压力的作用下碟形弹簧被压缩，并带动制动刹片松开活塞杆，这
时活塞杆即可自由移动.当油压卸去后，又立即自动锁紧活塞杆.这种锁
紧液压缸结构简单，使用寿命长，锁紧力不受环境温度影响，可在（-45～
50）℃条件下正常工作［4］.但锁紧时制动块必须与活塞杆抱紧，可能使活
塞杆表面磨损，从而影响其伸缩运动.
1.3钢球摩擦式锁紧
钢球摩擦式锁紧缸的结构如图3所示，有双向锁紧和单向锁紧两种
形式.双向锁紧如图3（a）所示，活塞杆3中间段开一圈斜面槽，斜面槽内放置若干个钢球4，并用弹簧圈挡住.两斜面槽之间的游动活塞5能游动，当液压缸左腔卸压或无压力且活塞杆在外力作用下有左移趋势时，则左边斜面槽内钢球与缸体内壁紧密挤压，产生足够摩擦力阻止活塞杆左移，实现活塞杆被锁紧功能；当液压缸右腔卸压或无压力且活塞杆在外力作用下有右移趋势时，则右边斜面槽内钢球与缸体内壁紧密挤压，产生足够摩擦力阻止活塞杆右移，实现活塞杆被锁紧功能.当液压缸左腔进压力油时，游动活塞5在压力油作用下先右移，并迫使右边斜面槽内钢球沿斜面槽斜面下滑；然后活塞杆右移，左边斜面槽内钢球沿斜面槽斜面下滑，实现解锁功能.当液压缸右腔进压力油时，游动活塞在压力油作用下先左移，并迫使左边斜面槽内钢球沿斜面槽斜面下滑；然后活塞杆左移，右边斜面槽内钢球沿斜面槽斜面下滑，实现解锁功能.这种液压缸在运动停止不工作时具有双向锁紧功能，而控制油路和普通液压缸一样；但在工作时能自然解锁.若只要求单向锁定功能时，只需一个斜面槽（如图3（b）所示）.
a双向锁紧b单向锁紧
1油孔2缸筒3活塞杆4钢球5游动活塞6弹簧圈7油孔
图3钢球摩擦式锁紧缸原理图
这种液压缸锁紧结构简单、易于实现.解锁过程中，钢球相对缸壁会发生滑动，钢球压入缸壁产生犁沟效应，因此液压缸筒壁会被擦伤；必须限制压入深度以保证液压缸的实际工作性能和寿命不受影响.活塞杆斜面因与钢球有固定的接触部位和斜面的自行补偿作用，即使被压出微小凹坑也不至于影响锁紧效果.所以有较大的实用和推广价值.不过这种结构的主要缺点是缸壁承受正压力很大而易变形破坏，所以其承载能力较差，特别适用于外载荷不太大的场合.如果要求大载荷下双向锁紧功能时，这种结构不是很合适，可考虑采用内涨摩擦式锁紧结构［5］.这种锁紧形式在自锁式收放鳍油缸等方面得到应用［6］.
1.4滚子摩擦式锁紧
因钢球摩擦式锁紧缸承载能力较差，若将其中的钢球改为腰形滚子，即为滚子摩擦式锁紧液压缸.
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1
油孔2活塞杆
3游动活塞4腰鼓形滚子5缸筒图4单向滚子摩擦式锁紧缸原理图
单向滚子式锁紧液压缸的结构原理图如图4所示.其原理与钢球摩擦式锁紧缸一样，只是将其中的钢球改为腰形滚子.滚珠与缸体内壁的接触是点接触，而腰形滚子与缸体内壁的接触是线接触，采用腰鼓形滚子与缸壁的接触面积较大，其承载能力也较大，缸壁不易受损坏，工作寿命长.因此滚子式锁紧液压缸相对钢球摩擦式锁紧液压缸应用广泛些.不过这两种锁紧液压缸原理比较简单，但其锁紧力、解锁力计算及液压缸设计非常重要，参数选择必须准确，否则可能导致不能锁紧、无法解锁、缸壁受损等问题［7］.
1.5内涨式锁紧
内涨式锁紧缸如图5所示，活塞（锁紧套）3和缸体2之
间因过盈配合产生巨大的锁紧力锁紧活塞.在锁紧状态下，活
塞杆能承受很大的轴向负载，且不发生任何位移.当解锁高压
油从解锁油口a ，经导管内孔c 、d 、b ，最终到达活塞与缸体之
间，使缸体2向外径向膨胀，此时活塞3和缸体2之间过盈
配合变为间隙配合，实现解锁.解锁状态下，动作油孔1可通
入液压油，与普通油缸一样工作.当高压油卸除后，活塞重新
被缸体内壁卡紧，又实现锁定.这种液压缸从根本上解决了液
压缸在承载情况下的长期锁定问题，可在多种军用及民用场
合获得广泛应用，具有重要的实用价值［8,9］.1.6卡环式锁紧
如图6所示，当活塞杆5在液压力作用下移到终点时，
卡环3与缸体4上的锁槽重合，游动活塞2的凸部插入卡环
内，卡环胀开并卡入槽内，活塞被锁定.当活塞杆收回时，游动
活塞在液压力作用下向左移动，并将卡环松开，卡环在其弹
力和活塞杆作用下从锁槽斜面滑出，最终实现解锁.这种锁紧
方式只能在终端位置进行锁定［2］.1.7楔块-卡环式锁紧
楔块-卡环式锁紧缸原理如图7示.缸体分为导向盖、上缸体、上端盖、缸体中段、下缸体、下端盖等六部分.其中导向盖内壁刻有螺旋形导向槽，用以容纳活塞杆的导向销.活塞杆为一整体结构.上出杆与导向槽对应位置开有一穿透孔，中间装上导向销；靠近活塞处加工一定位槽，主要靠该定位槽锁住活塞杆；下出杆的末端有螺纹，用于安装卡钩.锁紧装置由楔块、定位环、卡环组成.楔块是个环形件，可上下运动；定位环由螺钉固定在缸体中段，不能活动；卡环由两个半环拼成，安装在定位环上，其外斜面形状与楔块的楔形相吻合，内表面的斜面形状与活塞杆上定位槽斜面一致.
液压控制回路很简单，只需一个“Y ”型中位机能的三位四通换向阀和锁紧液压缸相连接，阀的一口接液压缸的中油口，另一口连接在液压缸的上、下油口.
其工作原理是：换向阀一端通电，液压缸的上、下油口通入高压油，中油口与回油连接，压差迫使活塞1、6油孔2游动活塞3卡环4缸体5活塞杆
图6卡环式锁紧缸原理图a b c d
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杆向上运动.由于上有楔块，下有定位环，卡环无法上下运动，
只能往两侧“胀开”或“收缩”.当活塞杆的定位槽运动到卡环
处时，楔块的侧向力迫使卡环“收缩”进入到定位槽内，同时
楔块向下运动锁住卡环，也就同时锁住了活塞杆，如图7（b ）
所示.当换向阀另一端通电，液压缸的中油口通入高压油，上、
下油口与回油连接，压差迫使楔块向上运动，活塞杆向下运
动，卡环“胀开”脱离定位槽，即解除了锁定状态，如图7（a ）所
示.当活塞杆作上下运动时，导向销在螺旋形导向槽内滑动，
迫使活塞杆同时相对于缸体转动，从而实现卡钩的自动卡住
与脱开.换向阀处于中位时，液压缸的3个油口都与回油相连
接，活塞杆不受力，因此液压缸将长期保持初始状态.该锁紧
液压缸可长期有效工作［10］.
1.8锥面-碟簧式锁紧
锥面-碟簧式锁紧缸如图8所示.当油口C 未通入高压油
时，在碟簧13弹簧压力作用下，压套11向左移动，通过锥面
紧紧将开口锁紧套10压紧在活塞杆5上，从而使活塞杆被
锁紧；当油口C 通入高压油时，高压油推动锁紧器活塞9右移，推动压套11右移，碟簧13被压缩，压套11施加在开口
锁紧套10的压力被解除，锁紧套10夹紧活塞杆的力也被解除，这时活塞杆处于解锁状态，在从油口A 或油口B 进入的压力油作用下，活塞杆可以向右或向左自由移动.锁紧力的大小可以通过调整垫片14的厚度来调节.这种结构形式
，活塞所受锁紧力比较均匀，夹紧可靠，但结构略显复杂.11缸底2油孔A 3活塞4缸筒5活塞杆6油孔B 7导向套18油孔C 9锁紧器活塞
10开口锁紧套11压套12夹紧器套筒13碟簧14调整垫片15缸盖
图8锥面-碟簧式锁紧缸原理图
2关键技术
2.1锁紧力
锁紧力应进行理论分析与计算，并留较大安全裕量.产品制成后一般采用液压加载法进行锁紧力等参数的测试.测试锁紧力约为有效锁紧力的2倍.对于较长行程的液压缸，应在各个位移段分段测试锁紧力.
2.2解锁压力
有的锁紧装置，如钢珠摩擦式锁紧缸无需专门的解锁控制油路.其它锁紧液压缸一般需单独的高压解锁控制油路.解锁压力应合适，压力过高，系统可能工作不正常；压力过低，解锁不完全，工作不可靠，并影响缸的寿命.
2.3工作可靠性和寿命
（1）结构、材料、工艺选择.材料选择主要考虑其弹性、强度、摩擦系数、温度系数等，尽量做到摩擦系数
1导向盖2导向销3上缸体4上缸盖5缸体中段6楔块7卡环8定位环9下缸体10下端盖11活塞杆12上油口
13中油口14下油口图7楔块-卡环式锁紧缸原理图
韶关学院学报·自然科学2010年大、温度系数匹配、强度高、弹性好，以提高锁紧缸工作寿命.缸体及锁紧套材料匹配一般有：钢-钢、钢-球墨铸铁、钢-青铜、钢一铝合金、铝合金-铝合金等.
（2）温度影响.有些场合，如军用装备系统，其环境温度变化范围比较大，要求液压缸在（-40～+50）℃环境下可靠工作，这时必须考虑温度影响.特别是内胀式锁紧液压缸，因为其产生锁紧力的过盈量很小，而温度变化就可导致过盈量变化，特别是缸体与锁紧套材料不同时影响更大，这时务必考虑温度影响，仔细计算其过盈量，确保锁紧力满足要求和系统工作可靠.
2.4制造工艺
带有锁紧装置的液压缸，相对来说结构比较复杂，设计时务必考虑其装配性和维护工艺性.对于内胀式锁紧液压缸，过盈量不大的可采用温差法装配；过盈量较大的，则采用专用装配工具装配；因过盈量很小，所以构件尺寸加工误差及形位误差都将严重影响锁紧力和解锁压力的大小，尺寸误差应小于过盈量的1/5～1/10［2］.
3发展趋势
液压缸机械式锁紧技术的发展趋势是：力求锁定装置结构简单，无须单独的锁定、解锁回路，易于实现；锁紧力、解锁力不大，且可准确计算、易调整、可控制；锁紧力比较均匀，夹紧可靠，液压缸锁紧和解锁过程中液压缸筒或活塞杆等液压件不受损伤；锁紧状况下可承受比较大的外界载荷；在任意位置可长时间、高精度地锁紧定位；设备成本低，构件的加工、制造、装配工艺性好；锁紧液压缸适应环境广，能在大温差、腐蚀环境下可靠工作；抗干扰能力强，工作可靠，寿命长.
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Study on locking technology of cylinder
HUANG Chang -zheng
（Institute of Physics and Mechanical &Electrical Engineering,Shaoguan University,
Shaoguan 512005,Guangdong,China ）
Abstract ：Mechanical locking technology is one of key technologies for locking cylinder.Present domestic and international materials about its research and application are collected and rearranged.Its type,structure princi -ple,characteristic,application,key technologies and development trend are introduced.
Key words ：cylinder;locking technology;summary
（E D.:Y ，D ）44··。