一種新型雙作用二級液壓缸

王 濤，張 鵬，姚金柯，劉雨林

（1. 中國建筑科學(xué)研究院 建筑機械化研究分院，河北 廊坊 065000；2. 河北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300130；3. 廊坊凱博建設(shè)機械科技有限公司，河北 廊坊 065000）

隨著船舶、橋梁以及工程機械等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，液壓缸作為能夠?qū)⒂鸵旱膲毫δ苻D(zhuǎn)換成機械能以驅(qū)動工作機構(gòu)作直線運動或擺線運動的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，被廣泛地采用。雖然普通液壓缸具有結(jié)構(gòu)簡單、傳力大、壽命長等優(yōu)點，但同時也存在軸向尺寸大的缺點。為解決這個問題，現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)了多級液壓缸，多級液壓缸可以滿足安裝空間小而行程大的應(yīng)用場合?，F(xiàn)有的多級液壓缸可分為單作用多級缸和雙作用多級缸，而雙作用多級缸中大多數(shù)情況下采用的是雙作用二級液壓缸，雙作用二級液壓缸具有結(jié)構(gòu)緊湊、外形尺寸小、行程比較長和推力大等優(yōu)點。

通常，雙作用二級液壓缸均包括缸筒、一級活塞桿和二級活塞桿。在一些特殊場合，例如用在汽車起重機伸縮臂里，要求二級液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕、進出油口均設(shè)置在一級伸出活塞桿端部、雙向承受載荷、動作順序確定且唯一等。此時，普通的二級液壓缸難以滿足以上要求，并且由于要雙向承受載荷，因此在活塞桿和缸筒上均需要加工油孔，進而導(dǎo)致二級液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸大、重量大。另外，普通的二級液壓缸的動作順序是由一級活塞桿和二級活塞桿受力確定的，為了保證動作順序，一般在設(shè)計時，要求一級活塞桿伸出時油液作用面積是二級活塞桿油液作用面積的1.5倍，二級活塞桿收回時油液作用面積是一級活塞桿油液作用面積的1.5倍。以往設(shè)計時，通常采用活塞打孔加裝液壓閥等措施，但無疑加大了二級液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和重量。這樣帶來的后果是要加大伸縮結(jié)構(gòu)的尺寸以容納二級液壓缸，降低起重量等工作參數(shù)以適應(yīng)增加的結(jié)構(gòu)重量。因此這種以面積比實現(xiàn)順序伸縮的二級液壓缸因外形尺寸大，在安裝空間小的地方無法安裝使用。

本文所述的新型雙作用二級液壓缸通過利用結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成的二級控制啟閉油路，自動控制動作順序，在不附加外部油路，不更改外部液壓系統(tǒng)的條件下，不僅實現(xiàn)其動作順序確定且唯一、承受雙向載荷、無需加裝液壓閥等要求，而且還將進、出油口均設(shè)置在一級活塞桿的同一端部，進一步減小了雙作用二級液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和重量，可以在安裝空間較小的地方安裝使用。該新型雙作用二級液壓缸既適用于新產(chǎn)品設(shè)計，又適用于對已有產(chǎn)品改造。

1 結(jié)構(gòu)

本文所述的新型雙作用二級液壓缸主要由缸筒、一級活塞桿、二級活塞桿、行程終端導(dǎo)桿、閥芯、第一彈簧、第二彈簧和頂桿組成（見圖1）。油缸的第一油口和第二油口均設(shè)置在一級活塞桿的桿頭。二級活塞桿與缸筒的側(cè)面之間形成第一油腔，二級活塞桿與缸筒的底面之間形成第二油腔，一級活塞桿的側(cè)面與二級活塞桿之間形成第三油腔，一級活塞桿的底面與二級活塞桿之間形成第四油腔。行程終端導(dǎo)桿的上部設(shè)置有中心導(dǎo)油腔，并將一級活塞桿的內(nèi)部分隔成彼此獨立的第一導(dǎo)油腔和第二導(dǎo)油腔，中心導(dǎo)油腔與第一導(dǎo)油腔連通，第一油口與第一導(dǎo)油腔連通，第二油口與第二導(dǎo)油腔連通。行程終端導(dǎo)桿的下部設(shè)置有第一內(nèi)油孔。第三油腔通過一級活塞桿上的第二內(nèi)油孔與第二導(dǎo)油腔連通，二級活塞桿包括滑動導(dǎo)向槽和第三內(nèi)油孔，第三內(nèi)油孔連通第一油腔和第二導(dǎo)油腔，滑動導(dǎo)向槽的底面開設(shè)有連通第二油腔的底油口，滑動導(dǎo)向槽的側(cè)面開設(shè)有連通第四油腔的側(cè)油道。行程終端導(dǎo)桿的下部滑動配合在二級活塞桿的滑動導(dǎo)向槽內(nèi)，第一內(nèi)油孔連通中心導(dǎo)油腔和滑動導(dǎo)向槽，閥芯設(shè)置在側(cè)油道內(nèi)，頂桿安裝在二級活塞桿的底部。第一彈簧位于滑動導(dǎo)向槽內(nèi)且設(shè)置在行程終端導(dǎo)桿的下部與滑動導(dǎo)向槽頂面之間，第二彈簧位于在側(cè)油道內(nèi)且設(shè)置在閥芯和第四油腔之間，行程終端導(dǎo)桿的下部的底端能夠在第一彈簧的作用下關(guān)閉底油口，第二彈簧能夠推動閥芯以關(guān)閉側(cè)油道，頂桿能夠推動閥芯以開啟側(cè)油道。

圖1 新型雙作用二級液壓缸結(jié)構(gòu)

2 工作原理

（1）一級活塞桿伸出。

頂桿推動閥芯將側(cè)油道開啟，油液依次通過第一油口、第一導(dǎo)油腔、行程終端導(dǎo)桿的中心導(dǎo)油腔、第一內(nèi)油孔、側(cè)油道和閥芯進入第四油腔，從而作用于一級活塞桿上，推動一級活塞桿向缸筒外運動，此時行程終端導(dǎo)桿的下部的底端將底油口封閉；同時，第三油腔內(nèi)的油液依次通過第二內(nèi)油孔、第二導(dǎo)油腔和第二油口流出所述新型雙作用二級液壓缸，從而實現(xiàn)一級活塞桿伸出（見圖2）。

圖2 一級活塞桿伸出

（2）二級活塞桿伸出。

當(dāng)一級活塞桿全部伸出時，帶動行程終端導(dǎo)桿伸出，從而使行程終端導(dǎo)桿的下部的底端從底油口脫離而將底油口開啟，并且第一彈簧被壓縮；油液依次通過第一油口、第一導(dǎo)油腔、行程終端導(dǎo)桿的中心導(dǎo)油腔、第一內(nèi)油孔和底油口進入第二油腔，從而作用于二級活塞桿上，推動二級活塞桿向缸筒外運動；同時，第一油腔內(nèi)的油液依次通過第三內(nèi)油孔、第二導(dǎo)油腔和第二油口流出所述新型雙作用二級液壓缸，從而實現(xiàn)二級活塞桿伸出（見圖3）。

圖3 二級活塞桿伸出

（3）二級活塞桿回縮。

第二彈簧推動閥芯將側(cè)油道關(guān)閉，這樣能夠使一級活塞桿無法回縮；油液依次通過第二油口、第二導(dǎo)油腔和第三內(nèi)油孔進入第一油腔，從而作用于二級活塞桿上，推動二級活塞桿向缸筒內(nèi)運動；同時，第二油腔內(nèi)的油液依次通過底油口、第一內(nèi)油孔、行程終端導(dǎo)桿的中心導(dǎo)油腔、第一導(dǎo)油腔和第一油口流出所述新型雙作用二級液壓缸，從而實現(xiàn)二級活塞桿回縮（見圖4）。

圖4 二級活塞桿回縮

（4）一級活塞桿回縮。

當(dāng)二級活塞桿全部回縮時，頂桿推動閥芯將側(cè)油道開啟；油液依次通過第二油口、第二導(dǎo)油腔和第二內(nèi)油孔進入第三油腔，從而作用于一級活塞桿上，推動一級活塞桿向缸筒內(nèi)運動；同時，行程終端導(dǎo)桿的下部的底端能夠在第一彈簧的作用下關(guān)閉底油口，第四油腔內(nèi)的油液依次通過閥芯、側(cè)油道、第一內(nèi)油孔、行程終端導(dǎo)桿的中心導(dǎo)油腔、第一導(dǎo)油腔和第一油口流出所述新型雙作用二級液壓缸，從而實現(xiàn)一級活塞桿回縮（見圖5）。

圖5 一級活塞桿回縮

圖6 新型雙作用二級液壓缸應(yīng)用于蜘蛛式微型起重機的伸縮吊臂

3 應(yīng)用

本文所述的新型雙作用二級液壓缸已成功研發(fā)，獲得發(fā)明專利授權(quán)，并應(yīng)用于蜘蛛式微型起重機的伸縮吊臂中（見圖6）。2017年5月，蜘蛛式微型起重機參與了銀川市總體規(guī)劃模型展示廳的施工工程，在圓滿完成施工單位交給的鋼結(jié)構(gòu)吊裝任務(wù)的同時，也完成了樣機產(chǎn)品的可靠性考核。

4 結(jié)束語

本文所述的新型雙作用二級液壓缸通過利用結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成的二級控制啟閉油路，自動控制動作順序，在不附加外部油路，不更改外部液壓系統(tǒng)的條件下，實現(xiàn)液壓缸在伸出時，一級活塞桿先伸出，一級活塞桿全部伸出后二級活塞桿再伸出；回縮時，二級活塞桿先回縮，二級活塞桿全部回縮后一級活塞桿再回縮的動作順序，動作順序確定且唯一，并且能夠保證雙向承受載荷，無需再加裝液壓閥。并且將第一油口和第二油口均設(shè)置在一級活塞桿的同一端部，有利于進一步減小雙作用二級液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和重量，可以在安裝空間較小的地方安裝使用。該液壓缸既適用于新產(chǎn)品設(shè)計，又適用于對已有產(chǎn)品的改造。

本文所述的新型雙作用二級液壓缸在獲得專利保護的同時，也已成功研發(fā)出產(chǎn)品，應(yīng)用于蜘蛛式微型起重機的伸縮吊臂中，并且在銀川市總體規(guī)劃模型展示廳的施工工程中，圓滿完成鋼結(jié)構(gòu)吊裝任務(wù)，通過了可靠性考核。