一种自保护大速比液压缸.pdf

本发明提供一种自保护大速比液压缸及其制造方法，该液压缸包括：液压泵及液压油箱、换向阀、双向液压锁、带有A腔和B腔的双作用液压油缸，所述液压泵依次通过换向阀和双向液压锁连接至所述双作用液压油缸的A腔，所述双作用液压油缸的B腔依次通过双向液压锁、换向阀连接至液压油箱；其中，在所述双作用液压油缸的内部，所述A腔与B腔之间还设置有一溢流阀，当B腔压力高于A腔并且达到液压缸安全设定压力时，所述B腔的高压油经所述溢流阀泄入所述A腔。该方案不仅不增加整个液压系统的复杂性，而且不会影响液压缸外部空间结构，也可十分方便地在现有设备上实施。

1、  一种自保护大速比液压缸，包括：液压泵及液压油箱、换向阀、双向液压锁、带有A腔和B腔的双作用液压油缸，所述液压泵依次通过换向阀和双向液压锁连接至所述双作用液压油缸的A腔，所述双作用液压油缸的B腔依次通过双向液压锁、换向阀连接至液压油箱；其特征在于，在所述双作用液压油缸的内部，所述A腔与B腔之间还设置有一溢流阀。

2、  根据权利要求1所述的自保护大速比液压缸，其特征在于，所述溢流阀固定设置在所述活塞杆的头部。

3、  根据权利要求1或2所述的自保护大速比液压缸，其特征在于，所述活塞杆的头部开设有一由大到小的台阶式内腔，采用插装式结构的溢流阀固定在所述台阶式内腔内，所述台阶式内腔的开口端连通所述A腔，所述台阶式内腔的顶端连通所述B腔。

4、  根据权利要求3所述的自保护大速比液压缸，其特征在于，所述活塞杆又包括活塞杆体、活塞衬套、多个密封圈，所述活塞衬套固定在所述活塞杆体的端部，所述密封圈固定套在所述活塞衬套上并与所述液压油缸缸体内壁之间形成密封结构，所述活塞杆体与所述活塞衬套之间设置有密封结构。

5、  根据权利要求3或4所述的自保护大速比液压缸，其特征在于，所述插装式溢流阀又包括：锁紧螺母、密封件、调节螺栓、弹簧、阀体、阀芯，所述阀体为筒状腔体，筒状腔体底部中间开有阀孔，筒状腔体底部侧壁开有泄油孔和平衡孔，所述弹簧、阀体和阀芯设置在所述筒状腔体内，所述调节螺栓与所述腔体内壁呈螺纹连接并通过一密封件密封，所述阀芯的锥尖插入所述阀孔内，所述弹簧的两端分别设置在所述调节螺栓和阀芯的凹槽中，所述锁紧螺母螺设在所述调节螺栓伸出所述阀体的一端上并顶住所述阀体，与所述A腔连通的泄油孔和平衡孔分别连通所述阀芯的前后腔，所述阀孔连通所述B腔，所述阀芯的锥尖可在所述A腔、弹簧力和B腔的压力作用下在所述阀孔内移动形成阀体开/闭状态，在所述筒状腔体底部泄油孔和阀孔之间的外侧壁上还套有另一密封件。

6、  根据权利要求5所述的自保护大速比液压缸，其特征在于，所述活塞杆还包括另一套在所述活塞杆上的活塞套，所述活塞杆头部呈外径渐宽的阶梯状，所述活塞衬套和活塞套内侧均设有与所述活塞杆头部外侧相对应的台阶，所述活塞衬套将所述活塞套轴向固定在所述活塞杆上，所述活塞套上开有分别与所述B腔和阀孔连通的导油孔。

7、  根据权利要求5所述的自保护大速比液压缸，其特征在于，所述插装式溢流阀还包括一阀罩，所述阀罩设有一容置空间，所述锁紧螺母和调节螺栓伸出所述阀体的一端容置在所述容置空间内，所述阀罩的开口处延伸有弯折边，所述弯折边卡在所述锁紧螺母和所述阀体之间的凹槽中。

8、  根据权利要求5所述的大速比液压缸，其特征在于，所述调节螺栓伸出所述阀体一端的端头部还开有调节旋孔。

9、  根据权利要求3所述的自保护大速比液压缸，其特征在于，所述溢流阀螺旋连接在所述台阶式内腔内壁上。

10、  根据权利要求5所述的自保护大速比液压缸，其特征在于，所述阀体前端侧壁上还开设有与所述台阶式内腔内壁连接的螺纹。

11、  根据权利要求5所述的自保护大速比液压缸，其特征在于，所述平衡孔设置在阀体的前端侧壁上，或者设置在所述阀芯上。

12、  一种自保护大速比液压油缸的制造方法，包括如下步骤：
设置一液压泵及液压油箱，用于提供和回收高压液压油；
设置一换向阀，用于根据需要切换油路方向；
设置一双向液压锁，用于闭锁油路，防止油缸活塞杆自由伸缩；
设置一带有A腔和B腔的双作用液压油缸，用于通过在A腔和B腔输入/输出液压油推动油缸移动；
其特征在于，在所述双作用液压油缸的内部，所述A腔与B腔之间设置一溢流阀，当B腔压力高于A腔并且达到液压缸安全设定压力时，所述B腔的高压油经所述溢流阀泄入所述A腔；所述安全设定压力为液压油缸不发生因缸筒变形而失效的安全压力。

13、  根据权利要求12所述的自保护大速比液压系统的制造方法，其特征在于，所述溢流阀的溢流压力是可调的。

14、  根据权利要求12所述的自保护大速比液压缸，其特征在于，所述溢流阀的溢流调定压力可通过如下公式进行：
p＝(1-1/i)p_B
其中，p_B为溢流阀刚开始溢流时的B腔压力，p_B＝2δσ_b/D₁/n；
液压缸缸筒内径为D₁，缸筒最薄处的壁厚为δ，材料抗拉强度为σ_b，安全系数为n，i为速比。

一种自保护大速比液压缸
技术领域
本发明涉及一种液压油缸，尤其涉及一种带有自保护装置结构的大速比液压油缸。
背景技术
当用定量液压泵给双作用液压缸供油时，液压缸的往复运动速度是不相等的。液压缸的往复运动速度之比可由双作用活塞缸的无杆腔截面积和有杆腔截面积之比求得。设液压缸的速比为i，无杆腔截面积为S_A，有杆腔截面积S_B，液压缸活塞杆伸出速度为V₁，液压缸活塞杆退回速度为V₂，则有：
i＝V₂/V₁＝S_A/S_B
一般油缸的速比i不大于2，但在一些特殊场合，如希望提高活塞杆的压杆稳定性而液压缸直径或重量受到限制以及要求推力远大于拉力时，不得不提高液压缸的速比，如汽车起重机的伸缩液压缸和垂直液压缸就是典型的例子。然而这种大速比液压缸却经常出现有杆腔缸筒直径涨大或弯曲变形的现象，导致液压缸的报废。
图1是汽车起重机垂直液压缸的液压控制回路原理图。其垂直液压缸是典型的大速比液压缸，速比一般为i＝2.5～5。
液压泵1从油箱5中提取液压油，扳动换向阀2的操纵手柄，使双向液压锁3的A口进油，压力油便打开左边的单向阀，从AA口进入垂直液压缸4的无杆腔(A腔)，同时通过双向液压锁内部的控制油路打开右边的单向阀，使垂直液压缸4的有杆腔(B腔)的液压油通过该单向阀和换向阀回到油箱5，垂直液压缸的活塞杆伸出。适时将换向阀操纵手柄扳到中位，双向液压锁闭锁，活塞杆可停在需要的位置。当需要活塞杆回缩时，反向扳动换向阀2的操纵手柄，使双向液压锁B口进油，压力油便打开右边的单向阀，从BB口进入垂直液压缸有杆腔，同时通过双向液压锁内部的控制油路打开左边的单向阀，使垂直液压缸无杆腔的油通过该单向阀和换向阀回到油箱，垂直液压缸的活塞杆缩回。
在现有技术中，该大速比液压缸常常在有杆腔一侧的缸筒因为超压造成的涨缸失效现象。该大速比液压缸缸筒变形报废的原因是由于B腔的高压，而这一高压为非工作高压，如何消除这一高压是解决问题的关键
在2002年8月出版的《液压气动与密封》的第4期中公开了一篇“自保护大速比液压缸设计研究”，分析了大速比液压缸失效的原因，并提供了一种自保护大速比液压缸，其通过外部管路将B腔的高压油经溢流阀泄入油箱，来解决液压缸失效的问题，但是该方案，一方面会使整个液压系统变得复杂，另一方面甚至会因液压缸外部空间所限而无法实施。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带有自保护装置的大速比液压油缸，其不仅不增加整个液压系统的复杂性，而且不会影响液压缸外部空间结构，使该方案可十分方便地在现有设备上实施。
为了实现上述目的，本发明提供一种自保护大速比液压缸及其制造方法，该液压缸包括：液压泵及液压油箱、换向阀、双向液压锁、带有A腔和B腔的双作用液压油缸，所述液压泵依次通过换向阀和双向液压锁连接至所述双作用液压油缸的A腔，所述双作用液压油缸的B腔依次通过双向液压锁、换向阀连接至液压油箱；其中，在所述双作用液压油缸的内部，所述A腔与B腔之间还设置有一溢流阀。
上述的自保护大速比液压缸，其中，所述溢流阀固定设置在所述活塞杆的头部。
上述的自保护大速比液压缸，其中，所述活塞杆的头部开设有一由大到小的台阶式内腔，采用插装式结构的溢流阀固定在所述台阶式内腔内，所述台阶式内腔的开口端连通所述A腔，所述台阶式内腔的顶端连通所述B腔。
上述的自保护大速比液压缸，其中，所述活塞杆又包括活塞杆体、活塞衬套、多个密封圈，所述活塞衬套固定在所述活塞杆体的端部，所述密封圈固定套在所述活塞衬套上并与所述液压油缸缸体内壁之间形成密封结构，所述活塞杆体与所述活塞衬套之间设置有密封结构。
上述的自保护大速比液压缸，其中，所述插装式溢流阀又包括：锁紧螺母、密封件、调节螺栓、弹簧、阀体、阀芯，所述阀体为筒状腔体，筒状腔体底部中间开有阀孔，筒状腔体底部侧壁开有泄油孔和平衡孔，所述弹簧、阀体和阀芯设置在所述筒状腔体内，所述调节螺栓与所述腔体内壁呈螺纹旋连接并通过一密封组件密封，所述阀芯的锥尖插入所述阀孔内，所述弹簧的两端分别设置在所述调节螺栓和阀芯的凹槽中，所述锁紧螺母螺设在所述调节螺栓伸出所述阀体的一端上并顶住所述阀体，与所述A腔连通的泄油孔和平衡孔分别连通所述阀芯的前后腔，所述阀孔连通所述B腔，所述阀芯的锥尖可在所述A腔、弹簧力和B腔的压力作用下在所述阀孔内移动形成阀体开/闭状态，在所述筒状腔体底部泄油孔和阀孔之间的外侧壁上还套有另一密封件。
上述的自保护大速比液压缸，其中，所述活塞杆还包括另一套在所述活塞杆上地活塞套，所述活塞杆头部呈外径渐宽的阶梯状，所述活塞衬套和活塞套内侧均设有与所述活塞杆头部外侧相对应的台阶，所述活塞衬套将所述活塞套轴向固定在所述活塞杆上，所述活塞套上开有分别与所述B腔和阀孔连通的导油孔。
上述的自保护大速比液压缸，其中，所述插装式溢流阀还包括一阀罩，所述阀罩设有一容置空间，所述锁紧螺母和调节螺栓伸出所述阀体的一端容置在所述容置空间内，所述阀罩的开口处延伸有弯折边，所述弯折边卡在所述锁紧螺母和所述阀体之间的凹槽中。
上述的大速比液压缸，其中，所述调节螺栓伸出所述阀体一端的端头部还开有调节旋孔。
上述的自保护大速比液压缸，其中，所述溢流阀螺旋连接在所述台阶式内腔内壁上。
上述的自保护大速比液压缸，其中，所述阀体外壁上还开设有与所述台阶式内腔内壁连接的螺纹。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种自保护大速比液压油缸的制造方法，包括如下步骤：
设置一液压泵及液压油箱，用于提供和回收高压液压油；
设置一换向阀，用于根据需要切换油路方向；
设置一双向液压锁，用于闭锁油路，防止油缸活塞杆自由伸缩；
设置一带有A腔和B腔的双作用液压油缸，用于通过在A腔和B腔输入/输出液压油推动油缸移动；
其中，在所述双作用液压油缸的内部，所述A腔与B腔之间设置一溢流阀，当B腔压力高于A腔并且达到液压缸安全设定压力时，所述B腔的高压油经所述溢流阀泄入所述A腔；所述安全设定压力为液压油缸不发生因缸筒变形而失效的安全压力。
上述的自保护大速比液压系统的制造方法，其中，所述溢流阀的溢流压力是可调的。
上述的自保护大速比液压缸，其中，所述溢流阀的溢流调定压力可通过如下公式进行：
p＝(1-1/i)p_B
其中，p_B为溢流阀刚开始溢流时的B腔压力，p_B＝2δσ_b/D₁/n；
液压缸缸筒内径为D₁，缸筒最薄处的壁厚为δ，材料抗拉强度为σ_b，安全系数为n，i为速比。
采用上述方案，在A、B腔间加装一个B腔至A腔的溢流阀，当B腔压力高于A腔并且达到液压缸安全设定压力时，则B-A连通泄压，高压泄掉后，溢流阀又恢复闭锁状态。溢流阀的溢流压力提前设定好，不会因A腔压力变化而变化；这样溢流阀和大速比液压缸就组成了具有保护功能的大速比液压缸。加装了溢流阀的大速比液压缸，不仅可以保证在极大推力负载突然卸荷时，保护液压缸有杆腔不会超压涨缸，而且还能保证在任何情况下，液压锁都能正常开启，从而实现了大速比液压缸的可靠工作。
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施例。
附图说明
图1为现有用于汽车起重机上的大速比液压缸的工作原理示意图；
图2为本发明采用自保护结构的大速比液压缸的工作示意图；
图3为本发明所示的一种带有自保护结构的大速比液压缸结构；
图4为图3所示的大速比液压缸中的插装式溢流阀结构。
其中，附图标记：
1-液压泵，2-换向阀，3-双向液压锁；
4-双作用液压油缸，41-A腔，42-B腔，43-缸体内壁；
5-油箱；
6-活塞杆，61-活塞衬套，62、64-密封圈，63-活塞套，631-导油孔，65-内腔的顶端，66-内腔开口端，661-泄油道；
7-溢流阀；
71-阀罩，711-容置空间，712-弯折边；
72-锁紧螺母；
73、78-密封件；
74-调节螺栓，741-调节旋孔，742-调节螺栓前螺纹，743-调节螺栓凹槽，742-调节螺栓后螺纹；
75-弹簧；
76-溢流阀阀体，761-阀孔，762-泄油孔，763-平衡孔，764-阀体外螺纹，765-阀体内螺纹；
77-阀芯，771-阀芯锥尖，772-阀芯前腔，773-阀芯后腔，774-泄油孔。
具体实施方式
在图2中，本发明所揭示的一种采用自保护结构的大速比液压缸，主要包括：液压泵1、换向阀2、双向液压锁3、双作用液压油缸4、油箱5、活塞杆6、溢流阀7，其中，双作用液压油缸4带有A腔41和B腔42，在A腔41和B腔42之间设置了溢流阀7。
在图3中，活塞杆6的头部开设有一由大到小的台阶式内腔，溢流阀7通过螺纹连接固定在该台阶式内腔内，台阶式内腔的开口端66连通A腔41，台阶式内腔的顶端65连通B腔42。该活塞杆6包括：活塞杆体60、活塞衬套61、活塞套63、多个密封圈62、64，活塞衬套61通过紧固螺钉64固定在活塞杆体60的端部，密封圈62固定套在活塞衬套61上，密封圈62与液压油缸缸体内壁43之间形成密封结构，活塞杆体60与活塞衬套之间也设置有一密封圈64。活塞套63套在活塞杆体60上，活塞杆体60头部呈外径渐宽的阶梯状，活塞衬套61和活塞套63内侧均设有与活塞杆体60头部外侧相对应的台阶，活塞衬套61将活塞套63轴向固定在活塞杆体60上，活塞套63上开有分别与B腔42和阀孔761连通的导油孔631。溢流阀7通过其上的螺纹螺旋连接在台阶式内腔内壁上。
在图4中，该插装式溢流阀7包括：锁紧螺母72，密封件73、78，调节螺栓74、弹簧75、阀体76、阀芯77，阀体76为筒状腔体，筒状腔体底部中间开有阀孔761，筒状腔体底部侧壁开有泄油孔762和平衡孔763，弹簧75、阀体76和阀芯66设置在该筒状腔体内，调节螺栓74与腔体内壁呈螺纹连接并通过一密封件73密封，阀芯77的锥尖771插入阀孔761内，弹簧75的两端分别设置在调节螺栓的凹槽743和阀芯后腔773(阀芯的凹槽)中，锁紧螺母72螺设在调节螺栓74伸出阀体76的一端上并顶住阀体76，与A腔41连通的泄油孔762和平衡孔763分别连通阀芯前腔772、阀芯后腔773，阀孔761连通B腔42，阀芯77的锥尖771可在A腔41、弹簧75的弹性力和B腔42的压力作用下在阀孔7611内移动形成阀体76的开/闭状态，在筒状腔体底部泄油孔762和阀孔761之间的外侧壁上还套有另一密封件78。当然，该平衡孔763即可设置在阀体76的前端侧壁上，也可设置在阀芯77上。
溢流阀7的阀孔761(P口)与双作用液压油缸4的B腔42相通，其压力作用到阀芯77的前部，而溢流阀7的泄油孔762(T口)与双作用液压油缸的A腔41相通，其压力作用到阀芯77后部。静止时溢流阀7呈关闭状态，溢流阀7的阀孔761与泄油孔762互不相通。当双作用液压油缸4承受推力负载时，泄油孔762压力升高，但不论泄油孔762压力多高，由于溢流阀7阀芯17后部受力大于前部受力，阀芯77不会移动，阀孔761不会开启，A腔41保持工作高压而不致于推力变小。当双作用液压油缸4的活塞杆6空载伸出，或极大推力负载突然卸载，阀孔761的压力增高并超过预定压力时，阀芯77打开，压力油通过阀体76上的泄油孔762泄流，这样，B腔42的高压就会泄向A腔41；当阀孔761的压力下降到预定压力后，阀芯77又在弹簧75的作用下关闭，这样不仅可以保证双作用液压油缸4的B腔42的压力不会升得过高，而且也能保证泄压后B腔42仍然为密闭的容积，从而保证活塞杆6在轴向的准确定位。当双作用液压油缸4的B腔42进油，活塞杆6回缩时，由于溢流阀7的开启压力大于系统工作压力，因而溢流阀7的阀孔761不会开启，保证活塞杆6能够顺利回缩，这样液压缸的工作状态始终能够保持正常有效。
加装了插装式溢流阀7的液压缸，保护功能是自动进行的，只需在装配前对溢流阀7的溢流压力进行设定，无需进行其他方面的调整，就可以保证该自保护液压缸的可靠运行。
在本实施例中，该溢流阀7的溢流调定压力是按如下方法确定的。
开始溢流时B腔的压力p_B要低于液压缸缸筒发生塑性变形时的压力，而且要有一定的安全裕度。
设液压缸缸筒内径为D₁，缸筒最薄处的壁厚为δ，材料抗拉强度为σ_b，安全系数为n，如果近似按薄壁筒公式计算，则溢流阀刚开始溢流时的B腔压力p_B应为：
p_B＝2δσ_b/D₁/n                       (6)
例如，汽车起重机垂直液压油缸的液压缸D₁＝125mm，δ＝12.5mm，σ_b＝600MPa，n＝3，则
P_B＝2×12.5×600/125/3＝40(MPa)
由于溢流阀7完全浸泡在油液中，阀芯77的背部总是作用着A腔压力，而一般溢流阀的调定压力是指泄油口(T口)压力为零时的开启压力，开启压力克服的是弹簧力，所以，溢流阀溢流调定压力需要进行折算才能确定。
设溢流阀溢流调定压力为p，弹簧力为F，阀体16的前部孔口直径为D₂，则有：
F＝pπD₂²/4                                    (7)
即将溢流时有：
P_B＝ip_A                                        (8)
阀芯17的受力平衡方成为
p_BπD₂²/4＝p_AπD₂²/4+F                         (9)
将式(7)、(8)带入式(9)，得
p＝(1-1/i)p_B                                   (10)
如上例中的液压缸，i＝2.78，则p＝(1-1/2.78)×40＝25.6(MPa)
溢流阀的实际溢流调定压力可在24~26MPa之间选择，调定压力范围要求并不苛刻。
在上例的液压缸中安装一个这样的溢流阀，在液压缸活塞杆空载伸出，或极大推力负载突然卸载时，当B腔压力达到40MPa时，溢流阀就自动开启泄压，又因为液压油体积弹性模量较高，只有很小的压缩量，所以，只需泄出极少量的液压油，B腔压力就会迅速下降，所以B腔压力永远也不会达到致使缸筒发生塑性变形的程度，同时B腔泄出极少量的液压油，不会对活塞杆的伸出长度产生明显影响。
通过在大速比液压缸内部安装一个溢流阀，可以组成一个具有自保护功能的液压缸，这比普通大速比液压缸有强得多的抗失效能力，而成本仅提高约1％，是一个投入少、效果好的结构设计，值得在大速比液压缸上推广应用。
本发明的特点是溢流阀安装于液压缸内部，因为液压缸速比大，活塞上一般没有足够的空间布置溢流阀，溢流阀将安装于活塞杆的头部。该结构的优点
①安装孔主要尺寸的加工与活塞杆头部的加工处于同一工位，便于一次装夹中加工成形，同时安装孔与活塞杆外圆各尺寸间无严格同轴度要求。
②只有溢流阀的安装螺纹与密封圈孔之间的同轴度要求较高，但容易加工。
③溢流阀溢流调定压力范围较宽，可靠性高。
④不受外部尺寸空间限制，结构紧凑、容易在类似液压缸上推广应用。
⑤保护作用自动执行，无需外部干预。
以上所述内容，仅为本发明其中的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明构思进行的等同变化与修饰，皆为本发明权利要求的保护范围所涵盖。