浅析液压缸侧向力产生原因及解决措施

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随着国内工程机械的快速发展，市场对液压缸的各种性能要求也变得越来越严格。液压缸的质量直接影响到整机的性能，关系到整机的工作可靠性及其市澈争力，为此，各主机厂也越来越多地关注液压缸的质量。

- 般情况下，液压缸都会产生侧向力 ，从而会引发-些问题，比如异响、爬行、漏油，甚至结构件的破坏等 ，进而造成主机系统无法正常工作，损坏客户的利益。对于不同种类、不同工况下的液压缸，其侧向力的大小与其影响因素亦存在着较大的区别，所造成的危害形式也较为繁多。本文将结合起重机液压缸的应用进行初步探讨。

1 侧向力产生的原因分析以大吨位起重机上使用的液压缸为例，所产生的侧向力主要是由液压缸本身特性所造成的，如工作行程大、结构尺寸大、自重大及加工困难等。而由于侧向力的存在 ，其活塞、导向套就承受了侧向负载 ，进而导致密封件的加剧磨损，间隙增大，泄漏的可能性变大 ，同时还产生了轴向偏载，加大了摩擦阻力，造成抖动、爬行、异响等情况。

针对液压缸本身的特点具体分析，可以将液压缸中产生的侧向力归结为以下 3个方面。

1.1 外接部位的加工及安装误差所引起的侧向力起重机中液压缸的安装方式多为铰接式连接，构成铰接副的元素多为销轴和耳环。为了保证液压缸能有良好的绕销轴转动特性，在设计时此处的配合被定为间隙配合。由于此间隙的存在，在安装时，就容易造成销轴的轴线和耳环孔的轴线不平行。这样-来 ，在液压缸工作过程中，销轴作用在液压缸耳环上的力就不垂直于耳环轴线，即不平行于液压缸轴线。这个侧向力的大小撒于液压缸所承受的轴向载荷，以及液压缸耳环与销轴的加工及安装精度。如图 1所示，如果液压缸长期工作在这种状态，不仅会产生侧向力，还会造成销轴和耳环的局部磨损，加速液压缸的破坏。

图1 销轴与耳环孔两者轴线不平行引起的侧向力如图 1所示，为了对液压缸耳环与销轴的受力进行分析 ，可阮塞杆为研究对象 ，由于销轴和耳环可看作线面接触，销轴对耳环的作用力 垂直于销轴的表面。

活塞杆沿轴向受力有：F XCOS (1)活塞杆侧向受力有： xsin仅 (2)式中：F为活塞杆左端所受的轴向载荷 ； 为销轴施加在耳环上的力； 、 分别为 的轴向和侧向的分力为； 为销轴轴线与耳环轴线之间的夹角。

由式(1)、(2)得：Fxtan (3)又有：tan 0[： (4) L式中： 为耳环宽度；6为销轴和耳环孔同轴时的单侧间隙。

所 以：，： (5)L 即该侧向力大小与轴向载荷、间隙成正比，与耳环宽度成反比。

同时，由加工引起侧向力的可能原因，还有不采用关节轴承等情况下的液压缸活塞杆轴线与耳环孔轴线的垂直度问题(图2)，以及销轴与耳环孔- 12～ 图 2 活塞杆与耳环垂直度误差引起的侧向力加工圆柱面的圆柱度及直线度等因素。

在图2中，侧向力 为：FF，xtanfl (6)式中：F为销轴施予耳环的外力； 、 为 F的轴向和侧向的分力 ； 为活塞杆轴线与耳环孔轴线的垂直度误差偏角(即F与 的夹角)。

1.2 存在挠度变化引起的侧向力起重机用液压缸的行程和结构尺寸都很大，尤其是伸缩液压缸，在完全伸出后长度甚至可达到1O～20 m。同时活塞与缸筒的配合、多级杆间的配合都会存在-定的间隙，使得此时的液压缸并不是-个可近似为刚体的系统。而液压缸外载荷及自重又很大，所以液压缸会有-个挠度。此时在液压缸的轴线方向上加上作用力时，力的传递已经不能通过液压缸的轴线，即液压缸不单是拉压杆，同时还承受弯曲作用，液压缸-侧受拉，另-侧受压，传递到铰接点即产生了侧向力。如图3所示。

拉图 3 挠度引起 的侧 向力阮塞杆为研究对象，其受力如图4所示。

活塞杆受力状态方程为：l Fw (7) (8)l L2Fwxw (9)式中：F为油压载荷 ；FW为外部载荷； 、 为缸筒等对活塞杆的支反力；L 为导向长度； 为活塞杆最大挠度。

如果把缸筒与活塞杆之间的配合看成刚性的，则最大挠度为：图 4 活塞杆的受力图 (10)式中：肼为活塞杆的抗弯刚度，厶为活塞杆外伸长度。

由式(7)～式(10)得： )1.3 摩擦力所产生的侧向力作用在液压缸上的摩擦力主要来 自于两个方面。

其-是耳环和销轴之间的外部摩擦力；其二是活塞与缸筒、活塞杆与导向套等构件间的内部摩擦力。

1.3.1 外部摩擦力对侧向力的影响由于耳环与销轴间摩擦力的存在 ，影响了液压缸的转动。而液压缸承受的载荷又非常大，致使在液压缸改变角度时，耳环和销轴间的摩擦力矩不能忽视。为平衡该力矩，必然会有-个侧向力的存在，如图5所示。

图5 外部摩擦力产生的侧向力由轴向力平衡 ，得 ：FF由力矩平衡，得：MF xuxRF，xL则外部摩擦力产生的侧向力为：(12)(13)孚 (14)式中；F为轴向力； 为销轴对耳环的支反力； 为转动时的摩擦力矩； 为摩擦力导致的侧向力； 为销轴距支撑的长度； 为销轴半径； 为摩擦因数。

1.3.2 内部摩擦力对侧向力的影响由于起重机用液压缸的径向尺寸都较大，内部摩擦力不能简单地简化为作用在活塞中心轴上的总摩擦力。此外，由于液压缸存在-定的挠度，使得在活塞杆伸出或缩回的过程中，活塞的上侧和下侧的摩擦力不相等，于是产生了-个相对活塞中心的摩擦力矩。为平衡该力矩，又要产生-个侧向力，如图6所示。这种情况同时造成了活塞密封圈和缸筒的局部磨损，同样会加速液压缸的破坏。

图 6 内部摩擦力产生的侧向力针对于活塞与缸筒 ，可作如下分析 ：假设活塞上下顶角所受摩擦力分别为 ，且 > ，侧向力作用点距活塞中心距离为 ，缸筒内径为 R。由力矩平衡得：xR-f2xRFxL (15)即 ：： 篮 巫 (16)L同样，对于活塞杆和导向套之间因摩擦而导致的侧向力，可用类似方法分析，此处不再赘述。

2 解决措施从以上的分析可以看出，为消除或减小侧向力，应该从以下几个方面采取措施。

2.1 /jn-r方面提高液压缸的加工和安装精度。这包括耳环与销轴问的配合精度、形位公差要求，以及活塞密封圈与缸筒的配合精度和多级杆间的配合精度等。

保证活塞杆的直线度 ，加工时注意活塞杆和活塞的同轴度，以及密封槽的加工精度。

- 13- 2.2 挠度变形方面允许的情况下，适当提高液压缸的导向长度、耳环的宽度及活塞杆的刚度，以便增强液压缸的稳定性，减少挠度变形。

在-些应用中，外连接可使用球式或关节轴承等来进行-定的受力补偿。

2.3 摩擦学方面为减小耳环、销轴间的摩擦力 ，要注重考虑降低液压缸耳环内壁配合面的粗糙度，同时在主机操作时严格按照操作标准进行。对于起重机而言，尽量做到在变幅完成及伸展完成后再进行起重工作，以减小液压缸在有挠度的情况下承受轴向载荷。

对于内部摩擦力，由于在振动分析中可以看到内部摩擦力对振动有-定的影响，所以应旧能地全面考虑各种因素后再选择合理的缸筒内径，以及导向套等部件接触部位的粗糙度和材料特性。

3 结束语通过对液压缸结构及受力的简化 ，展开侧向力的理论分析 ，从而得出-些初步的解决对策 ，可为技术人员在进行液压缸的结构设计和制定加工工艺时提供-定的参考。