文_宋喜秀

油缸之剛

文_宋喜秀

在專用車零部件家族中車用油缸與日俱增：支腿缸“支”地有聲，舉升缸舉重若輕，變幅缸變化多端。液壓油缸猶如變形金剛，為我們演繹了一幕幕“缸”正不阿、“缸”舉目張的動(dòng)人畫面。

液壓油缸既是剛體力學(xué)中典型的液壓雙連桿機(jī)構(gòu)，又是專用汽車的重要組成部分。按運(yùn)動(dòng)方式可分為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)式和回轉(zhuǎn)擺動(dòng)式；按液壓力作用情況可分為單作用式、雙作用式；按結(jié)構(gòu)形式可分為活塞式、柱塞式、多級(jí)伸縮套筒式、齒輪齒條式等；按安裝形式可分為耳環(huán)、拉桿、鉸軸、底腳等；按專用裝置的作業(yè)特點(diǎn)分為支腿缸、舉升缸、變幅缸等。及設(shè)備安全。

用于半掛車的液壓支腿，包括一個(gè)位于半掛車左右縱梁上的油缸缸筒固定架、雙作用式液壓支腿油缸及支腿座，液壓油缸的缸體與缸筒固定架連接，活塞桿與支腿座鉸接。

1 點(diǎn)到為止的支腿缸

液壓雙連桿機(jī)構(gòu)的最經(jīng)典運(yùn)用是液壓千斤頂，液壓油按照帕斯卡原理積累能量，擔(dān)起千斤重?fù)?dān)。那么，能否將液壓千斤頂?shù)脑碛糜趯Ｓ闷嚹?？以電控方式取代手工操作的液壓支腿油缸系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

液壓支腿油缸系統(tǒng)是以車載蓄電池為電源、將支腿通過安裝支架固定在汽車大梁的合適位置，使用時(shí)支腿向下伸出觸地，將車身頂起，使車輛的大部分重量由支腿支撐，從而保持車體的平穩(wěn)，減輕車輛彈簧鋼板的負(fù)載。使用完畢，支腿座向上收起收藏，保持足夠的離地高度，保證行車

1.1 四通閥收放自如

兩條支腿由三位四通手動(dòng)換向閥控制其伸出和縮回動(dòng)作。布置在駕駛室的M型三位四通換向閥具有伸、縮換向和中位靜止不動(dòng)3種控制功能，且工作油路采用并聯(lián)方式，保證兩條支腿步調(diào)一致且收放自如。

由圖2可知，液壓支腿支撐作業(yè)時(shí)，換向閥處于出油位置：液壓油長(zhǎng)驅(qū)直入活塞腔，活塞腔的液壓油通過換向閥回流至油箱，活塞受壓下移，活塞桿向下伸長(zhǎng)，將半掛車車身抬高到合適位置后，換向閥回到中間的進(jìn)出油口封閉位置。座板面積是活塞桿橫截面積N倍多的支腿座，進(jìn)一步增強(qiáng)了液壓支腿在支承面上的負(fù)載能力。液壓支腿收腿作業(yè)時(shí)，換向閥處于回油位置：支腿油缸的回油系統(tǒng)開啟，活塞桿向上收縮，收縮到初始安裝位置后，換向閥恢復(fù)到中間位置，支腿油缸的液壓油停止流動(dòng)。

1.2 雙向鎖

液壓支腿伸出是否牢固，收縮是否到位，分別關(guān)系到半掛車停放和行駛期間的安全可靠性性。因此每個(gè)液壓缸均設(shè)計(jì)有雙向鎖緊回路，使進(jìn)油與回油連鎖聯(lián)控。

(1)壓力解鎖：支腿伸縮作業(yè)時(shí)，活塞腔、活塞桿腔的單向閥同時(shí)打開，油缸油路按設(shè)計(jì)的程序進(jìn)油出油。

(2)無壓自鎖：換向閥處于中停位置時(shí)，支腿油缸的進(jìn)出油通道處于無壓自鎖的封閉狀態(tài)，戛然而止的液力傳遞，可以避免支腿在行車過程中自行滑落。

(3)雙向互鎖。進(jìn)油壓力不足時(shí)，出油通道也被可靠地鎖住，能夠有效防止在起重作業(yè)過程發(fā)生“軟腿”現(xiàn)象。

1.3 液壓油“液”往無前

支腿缸將數(shù)10 t車身輕松頂起，除了油缸、油閥、油泵等液壓元件自身的精密構(gòu)造，液壓系統(tǒng)的壓力來源不容忽視。液壓油缸的作用力F(N)、活塞面積S(mm2)與液壓系統(tǒng)壓力p(MPa)的關(guān)系：

F=p·S

在相同活塞面積S條件下，液壓系統(tǒng)壓力p越高，液壓油缸的作用力F越大。液壓系統(tǒng)按壓力等級(jí)可分為中壓、高壓、中高壓等。足夠的液壓系統(tǒng)壓力是液壓油缸“液”往無前的動(dòng)力基礎(chǔ)。

表1 液壓系統(tǒng)壓力等級(jí)表

表2 擺缸機(jī)構(gòu)連接方式

對(duì)于雙作用式支腿缸來說，由于活塞腔面積大于活塞桿腔面積，而活塞移動(dòng)速度與油壓面積成反比，所以活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度也有差別。系統(tǒng)壓力p值越高，要求的活塞桿徑也就越大，對(duì)應(yīng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速比越大。液壓系統(tǒng)壓力等級(jí)及對(duì)應(yīng)的速比見表1。

半掛車支腿的發(fā)展過程，經(jīng)歷了從機(jī)械式到機(jī)械液壓組合式，再到全液壓式的創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型。對(duì)支腿收放動(dòng)作的遠(yuǎn)程控制，提高了掛車停車效率，體現(xiàn)了液壓操作系統(tǒng)的先進(jìn)性。

2 步步高升的舉升缸

最初，擺缸機(jī)構(gòu)應(yīng)用于自卸車升降系統(tǒng)時(shí)，油缸結(jié)構(gòu)形式主要是活塞式，當(dāng)時(shí)自卸車車型也是載質(zhì)量十分有限的輕型和中型自卸車。隨著重型自卸車市場(chǎng)需求的日益成熟和多級(jí)伸縮套筒式液壓油缸生產(chǎn)工藝的不斷成熟，特別是海沃油缸產(chǎn)品的強(qiáng)勢(shì)推廣之后，自卸車舉升系統(tǒng)的油缸結(jié)構(gòu)形式逐漸告別了活塞式時(shí)代。

套筒式油缸由外缸筒、中間級(jí)活塞(桿)和安裝在活塞上及缸筒內(nèi)的支撐環(huán)、導(dǎo)向帶、UN圈、防塵圈、擋圈、擋環(huán)等配件組裝而成。套筒式油缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：除外缸筒和末級(jí)活塞桿外，中間級(jí)活塞(桿)的內(nèi)腔即是下一級(jí)的缸筒——大筒套小筒，一級(jí)套一級(jí)，所以被稱之為套筒缸。圖3是一種4TG油缸的結(jié)構(gòu)示意圖。

多級(jí)伸縮套筒式擺缸機(jī)構(gòu)舉升力量大，工作行程長(zhǎng)，能夠?qū)⒆孕盾囏浵渲苯油婆e起來，所以又被稱之為直推式升降系統(tǒng)。多級(jí)伸縮套筒式液壓油缸在直推式升降系統(tǒng)中的布局形式五花八門。

2.1 以車為本步步高

事實(shí)上，直推式升降系統(tǒng)工作原理與套筒式液壓油缸的套筒伸縮一樣直來直去。假設(shè)一級(jí)缸筒與副車架鉸接于A點(diǎn)，末級(jí)活塞桿與貨箱連接于B點(diǎn)，貨箱與副車架鉸接于O點(diǎn)，初始安裝時(shí)，OA=a(m)，OB=b(m)，∠AOB=θ(°)(見圖4),由余弦定理可知，升降缸的安裝尺寸：

AB= a2+b2-2ab·cosθ

如果設(shè)計(jì)要求貨箱的舉升角度為γ(°),則可同理求得升降缸的工作行程∶

AB′= a2+b2-2ab·cos(θ+γ)

如果設(shè)計(jì)要求貨箱的舉升力矩為M(Nm), ∠OBA=β(°),一級(jí)活塞從液壓系統(tǒng)獲得的壓力為F(N)，則，貨箱獲得的舉升力T(N)滿足以下關(guān)系∶

T= F·cos(90°-β)=F·sinβ

M=T·b=F·b·sinβ

由此可以計(jì)算液壓系統(tǒng)的壓力及一級(jí)活塞的參數(shù)。

由F和T的數(shù)學(xué)關(guān)系式可以看出，在貨箱、油缸與副車架組成的△AOB中，角θ及其對(duì)邊AB越小，舉升力臂OB和油缸作用力F的夾角β就越大，F(xiàn)轉(zhuǎn)化成舉升力T的效率越高，舉升缸舉升越省力。所以，中頂自卸車通常采用缸筒中鉸式液壓油缸，而且，為了滿足升降缸的安裝尺寸要求，一級(jí)缸筒與副車架的鉸接位置往往偏下布置，也就是使α＜90°。

布置在副車架中部的中鉸式液壓油缸，由于貨箱底部空間的局限性，油缸的工作行程及壓力不能太大，所以適用于輕型、中型自卸車，而且常常2個(gè)一組，成對(duì)布置成雙缸中頂自卸車。

前頂自卸車為了縮短AB長(zhǎng)度，常將上絞軸活接在防護(hù)罩上，防護(hù)罩與末級(jí)活塞桿是剛性連接，能夠準(zhǔn)確無誤地將活塞桿推力通過活接絞軸傳遞給貨箱。同時(shí)，一級(jí)缸筒與副車架的鉸接位置和車廂的翻轉(zhuǎn)支耳中心O持平，即使α=90°。上下絞軸式液壓油缸布置在副車架的前端，能夠方便地形成較大的舉升力矩，被廣泛應(yīng)用于重型自卸車。

2.2 同軸共濟(jì)“傷不起”

擺缸機(jī)構(gòu)是由剛性構(gòu)件低副連接組成的平面連桿機(jī)構(gòu)。剛性構(gòu)件連桿的構(gòu)造曲線豐富，可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)軌跡要求。低副連接的面接觸形式，便于加工容易潤(rùn)滑，承載能力強(qiáng)。但是，由于運(yùn)動(dòng)副過多，累積誤差較大，所以對(duì)于形狀和位置公差的要求不容忽視。特別是套筒伸縮式舉升油缸，結(jié)構(gòu)精密，身價(jià)高貴，在擺動(dòng)舉升過程中很容易因?yàn)槠钠辉蚨瓊左w。

重型自卸車的擺缸機(jī)構(gòu)與副車架及車廂的裝配關(guān)系如圖5所示。圖中油缸上絞軸與車廂兩個(gè)上固定座連接的中心線，油缸下絞軸與副車架下固定座連接的中心線，車廂后支耳與副車架后支座連接的中心線，是舉升機(jī)構(gòu)裝配過程中應(yīng)該密切關(guān)注的3條中心線。

(1)中心線必須是同心線。如果左右支耳、左右固定座內(nèi)孔不同心，孔不同心而強(qiáng)行安裝銷軸、絞軸的結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致加速軸或孔的磨損，增大軸與孔的配合間隙，進(jìn)而為油缸套筒間偏磨以致拉缸創(chuàng)造有利條件。當(dāng)然，將車廂后支耳的兩根銷軸分別聯(lián)結(jié)改進(jìn)為一根通軸聯(lián)結(jié)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝原理上，可以降低孔不同心的可能性。

(2)中心線必須有定位線。為保證鉸軸與孔座組成的轉(zhuǎn)動(dòng)副的靈活性，軸與孔在橫向方向也應(yīng)留有足夠的裝配間隙，三條中心線上的三組裝配也不例外。但是，三組裝配的橫向裝配間隙是有區(qū)別的——必須有一組間隙最小的定位轉(zhuǎn)動(dòng)副，才能保障其它兩組轉(zhuǎn)動(dòng)副有足夠的橫向裝配間隙；否則，沒有定位線的三條中心線就有可能發(fā)生整體偏移，從而導(dǎo)致車輛重心明顯偏離幾何中心線的不良后果。

(3)中心線必須有調(diào)節(jié)線。理想的裝配效果是三條中心線相互平行，但在實(shí)際裝配過程中，由于機(jī)構(gòu)間剛性聯(lián)接的累計(jì)誤差和車輛運(yùn)用過程中車廂受力變形現(xiàn)象的存在，三條中心線相互平行是絕對(duì)不可能的，所以應(yīng)該有適應(yīng)誤差和變形的自動(dòng)調(diào)節(jié)空間。這個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)空間體現(xiàn)在油缸上絞軸的安裝結(jié)構(gòu)上——上絞軸與上固定座是可以相互滑動(dòng)的球面聯(lián)結(jié)關(guān)系(圖3、表2)，與上部擋盤間又是通過橡膠緩沖墊彈性聯(lián)結(jié)，該結(jié)構(gòu)賦予了上絞軸一定角度范圍內(nèi)的自動(dòng)傾斜能力。傾斜角度的設(shè)計(jì)原則和安裝范圍是在傾斜不會(huì)引起拉缸的限度內(nèi)盡量大一些(2°～5°)。

3條中心線同軸共濟(jì)，就能將造成拉缸現(xiàn)象的偏心偏位隱患消滅在生產(chǎn)和裝配階段。

3 隨機(jī)應(yīng)變的變幅缸

除了推動(dòng)自卸車貨箱舉升卸貨，擺缸機(jī)構(gòu)更廣泛的用途是推動(dòng)與活塞相固連的從動(dòng)執(zhí)行構(gòu)件擺動(dòng)變幅——諸如此類推動(dòng)從動(dòng)件擺動(dòng)變幅的油缸統(tǒng)稱變幅油缸，簡(jiǎn)稱變幅缸。變幅缸隨機(jī)應(yīng)變，在汽車起重機(jī)吊臂系統(tǒng)、高空作業(yè)車升降系統(tǒng)、混凝土泵車臂架系統(tǒng)、垃圾車傾倒裝置、清障車變幅機(jī)構(gòu)等，皆有變幅缸的身影。

3.1 動(dòng)臂缸一柱擎天

汽車起重機(jī)是在汽車底盤上添加相應(yīng)的起重功能部件，起重機(jī)的吊臂由基本臂和伸縮臂組成，伸縮臂套在基本臂之中，吊臂變幅通過一個(gè)液壓缸來改變起重臂的俯角角度。

與推動(dòng)自卸車貨箱舉升卸貨不同的是，自卸車貨箱的舉升角度為γ一般不超過52°，而起重機(jī)的吊臂可以從水平位置變幅到將近90°。正是因?yàn)橛透讛[動(dòng)過程引起的執(zhí)行件變位幅度有較大差別，所以，前者叫舉升缸，后者叫變幅缸。動(dòng)臂缸推動(dòng)吊臂一柱擎天，表現(xiàn)了變幅缸能屈能伸、剛正不阿的英雄本色。

3.2 臂架缸三頭六臂

在液壓多連桿機(jī)構(gòu)中，六桿機(jī)構(gòu)最為常見。將擺缸機(jī)構(gòu)與普通四桿機(jī)構(gòu)并聯(lián)，即將其中2個(gè)連桿并聯(lián)成1個(gè)三角臂，便可構(gòu)成1個(gè)三頭六臂的六連桿機(jī)構(gòu)。泵車的臂架結(jié)構(gòu)就是這樣的六桿機(jī)構(gòu)。

在泵車的臂架結(jié)構(gòu)中，以第4、5臂架為例，液壓油缸驅(qū)動(dòng)三角臂，雙臂合一的三角臂牽一角而動(dòng)三角，帶動(dòng)2個(gè)從動(dòng)件——第4和第5臂架同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)伸展和收縮功能，在“遠(yuǎn)近高低各不同”的空間位置施工作業(yè)。六連桿機(jī)構(gòu)串并聯(lián)、液壓油缸缸體串并聯(lián)與油缸油路串并聯(lián)等多種技術(shù)路線。特別是隨著高壓油泵、高壓油管、高精度控制閥、高強(qiáng)度缸體、高分子密封材料等液壓元件工藝水平的不斷提高，液壓元件外形越來越小，使液壓油缸串并聯(lián)越來越便利。

4 車用油缸與日俱增

六連桿機(jī)構(gòu)幾乎可以完成現(xiàn)今生產(chǎn)條件下的所有機(jī)械運(yùn)動(dòng)功能，變幅缸的變幅功能工不可沒。事實(shí)上，除了擺缸機(jī)構(gòu)并聯(lián)，還有擺缸機(jī)構(gòu)串聯(lián)、六連桿機(jī)構(gòu)串并聯(lián)、擺缸機(jī)構(gòu)與

4.1 串聯(lián)串起大市場(chǎng)

近年來，廣泛應(yīng)用于城市物流建設(shè)的隨車起重運(yùn)輸車市場(chǎng)前景廣闊，其變幅連桿機(jī)構(gòu)的本質(zhì)就是2個(gè)串聯(lián)的六連桿機(jī)構(gòu)。

圖7為某隨車起重運(yùn)輸車起重臂展開圖，圖中ABCDE及GHJKF分別代表2組六連桿機(jī)構(gòu)，AB、GF分別代表動(dòng)臂油缸和吊臂油缸，△ACD、△JHF為兩個(gè)六連桿機(jī)構(gòu)的三角臂。折臂式隨車起重機(jī)的2組六連桿機(jī)構(gòu)，具有可折疊的特點(diǎn)，從而賦予了整車占地面積小、作業(yè)半徑大、可以曲線吊裝的顯著優(yōu)勢(shì)。

動(dòng)臂油缸用于變幅起吊，主要起驅(qū)動(dòng)舉升作用，吊臂油缸主要起支撐作用。所以，與其連接的連桿BE、GK所受壓力較大。顯而易見，在滿足雙搖桿變幅機(jī)構(gòu)正常工作條件下，將2油缸受力值盡可能最小化，是提高起重機(jī)起吊能力，推動(dòng)折臂式隨車起重運(yùn)輸車向大噸位進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。

4.2 并聯(lián)并出新境界

液壓支腿油缸系統(tǒng)采用油缸油路并聯(lián)的技術(shù)路線，成功實(shí)現(xiàn)了均衡受力、分擔(dān)載荷的設(shè)計(jì)目標(biāo)。液壓油缸缸體并聯(lián)的技術(shù)路線，有異曲同工之效。

集裝箱自裝卸運(yùn)輸車，是一種集集裝箱運(yùn)輸與裝卸一體化的車輛，在碼頭和集裝箱堆場(chǎng)被廣泛應(yīng)用。其裝卸系統(tǒng)的吊臂可以通過基本臂上下2個(gè)側(cè)面的變幅缸缸體并聯(lián)，一推一拉“聯(lián)手”完成吊裝功能：吊裝時(shí)上拉下推，卸貨時(shí)下拉上推，與獨(dú)當(dāng)一面的單個(gè)變幅缸結(jié)構(gòu)相比，不僅吊臂結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，而且吊裝能力更加強(qiáng)大。傳統(tǒng)渣土車的翻蓋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是將一對(duì)單作用式油缸的活塞桿并聯(lián)安裝在搖臂鏈輪鏈條上，在電動(dòng)三位四通換向閥的控制下，分別對(duì)翻蓋機(jī)構(gòu)的下翻動(dòng)作、上翻動(dòng)作施加驅(qū)動(dòng)力矩，具有結(jié)構(gòu)緊湊、力量集中、操作方便、動(dòng)作靈敏等突出特點(diǎn)。