丁 柏

(南湖機(jī)械總廠， 湖北 荊州 434007)

鋼球鎖緊液壓缸在雷達(dá)主塔舉升機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用*

丁 柏

(南湖機(jī)械總廠， 湖北 荊州 434007)

通常雷達(dá)主塔舉升機(jī)構(gòu)和主塔位置鎖緊機(jī)構(gòu)是分開設(shè)計(jì)的，隨著雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，常規(guī)設(shè)計(jì)已難以滿足整車質(zhì)量和空間的更高要求。文中設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用鋼球鎖緊液壓缸的雷達(dá)主塔機(jī)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(jì)，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(qiáng)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(jì)。實(shí)際使用表明，該雷達(dá)主塔舉升機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)。通常，主塔舉升到位后由液壓插銷或電動(dòng)插銷鎖定，液壓插銷或電動(dòng)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(shí)，此種常規(guī)設(shè)計(jì)給設(shè)計(jì)工作帶來了很大不便。

近年來，采用機(jī)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(shí)，鋼球鎖緊機(jī)構(gòu)自動(dòng)起作用，鎖緊活塞和缸筒，此時(shí)油缸相當(dāng)于剛性桿。鋼球式鎖緊油缸的特點(diǎn)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(jì)了一種應(yīng)用鋼球鎖緊液壓缸的雷達(dá)主塔舉升機(jī)構(gòu)，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(shí)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(jī)構(gòu)

圖1為應(yīng)用鋼球鎖緊液壓缸的雷達(dá)舉升機(jī)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(shí)，活塞桿伸出，主塔舉升，活塞桿伸至極限位置時(shí)，活塞相對于缸筒自動(dòng)鎖緊，此時(shí)油缸對主塔起支撐作用。當(dāng)有桿腔通液壓油時(shí)，活塞相對于缸筒自動(dòng)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(shí)，鎖緊油缸和主塔隨大盤轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 雷達(dá)主塔舉升機(jī)構(gòu)

2 鋼球鎖緊液壓缸設(shè)計(jì)

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(dòng)，臨近行程末端時(shí)，鋼球推動(dòng)滑動(dòng)套向左壓迫彈簧，使滑動(dòng)套和卡套之間的開口增大，當(dāng)此開口大于鋼球外徑時(shí)，鋼球落入卡套的環(huán)槽內(nèi)，彈簧壓迫滑動(dòng)套右移至活塞凹槽內(nèi)，此時(shí)鋼球位于卡套環(huán)槽、滑動(dòng)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(shí)，滑動(dòng)套向左移動(dòng)，使滑動(dòng)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(dòng)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(dòng)，當(dāng)鋼球完全落入活塞徑向孔內(nèi)時(shí)，鋼球機(jī)械鎖解鎖，此時(shí)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(shí)，鋼球會沿活塞上的徑向孔作徑向移動(dòng)，應(yīng)保證鋼球不發(fā)生自鎖。

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

圖3 上鎖時(shí)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(dòng)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(dòng)套接觸點(diǎn)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(dòng)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(jì)中滑動(dòng)套的傾斜角取45°，故鋼球上鎖時(shí)不會自鎖。

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

圖4 解鎖時(shí)的鋼球受力圖

同理可得：

(4)

設(shè)計(jì)時(shí)α取60°，故解鎖時(shí)，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(shí)，鋼球的受力如圖5所示。

圖5 鎖緊時(shí)鋼球受力圖

鋼球所受的接觸應(yīng)力與接觸點(diǎn)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(dòng)套、活塞都采用Gr15，彈性模量E= 206 × 103MPa，卡套對單個(gè)鋼球的法向力Fn、活塞對單個(gè)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(diǎn)處的法向力，將Fn或Fr代入P；R1為鋼球的半徑；計(jì)算Fn產(chǎn)生的接觸應(yīng)力時(shí)，R2為卡套的環(huán)槽半徑，計(jì)算Ft產(chǎn)生的接觸應(yīng)力時(shí)，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(jì)算，F(xiàn)n產(chǎn)生的最大接觸應(yīng)力為139 MPa。

Fr(滑動(dòng)套對單個(gè)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(dòng)套滿足強(qiáng)度要求。

3 環(huán)境溫度對舉升機(jī)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(dòng)的是一個(gè)體積很小的閥箱，主塔舉升倒伏時(shí)采用液壓快換接頭與液壓源連接。在樣機(jī)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(shí)，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(jì)。

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(jì)。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(shí)，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(shí)，可能導(dǎo)致鋼球鎖緊缸自動(dòng)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(shí)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(jī)構(gòu)中并連了2個(gè)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(yàn)驗(yàn)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(jì)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(jī)，通過性能試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用鋼球鎖緊液壓缸的雷達(dá)主塔舉升機(jī)構(gòu)并研制了樣機(jī)，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(yàn)和使用驗(yàn)證，該機(jī)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(xiàng)目中推廣應(yīng)用。本文所做的理論研究工作及工程實(shí)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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丁 柏(1969-)，男，高級工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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