超长斜支撑旋转油缸防垂研究

在一些特殊场合，为了满足现场的实际需求，油缸被设计得非常长，随着油缸活塞的不断伸出油缸出现垂绕现象。轻者会刮伤活塞杆密封件，严重时折弯折断油缸造成事故。本文设计了一套防垂系统，有效防止了下垂现象发生，保证了设备的正常运行。

1 超长斜支撑旋转油缸的作用及特点

超长斜支撑旋转油缸工作如图1所示：

1.LED屏（主框架）；2.上限位橡胶；3.支撑部件；4.大油缸；5.下限位橡胶

图1 超长斜支撑旋转油缸工作状态图

由于特殊视角效果及防台风的需要，需要在海边建造一个可以翻转的大型LED屏，屏尺寸为10m×12m（长×高），LED屏需要完成的动作要求是从水平状态翻转到垂直于地面状态。

考虑的LED屏安装在海边常受台风影响，且在翻转过程中风力也会作用到后面的动力执行系统，所以给显示屏提供动力的油缸只能按如图1所示倾斜方向排布，且需跟随显示屏旋转。

LED屏在旋转过程中要求平稳、速度均匀，所以本系统采用双向活塞式油缸。油缸全部伸出后总长达10m。受油缸自身的重量和油缸结构间隙等因素影响，在油缸顶伸且活塞逐渐伸长过程中，油缸将在重力作用下向下垂绕。也就是说油缸会自动弯曲，如果此时继续加压就有可能加速弯曲直至油缸折断。其弯曲后如图2所示：

油缸两端连接方式为铰接，在工程应用中一般可看做一个简单的二力杆。在油缸伸出时因为下垂，力的作用线会偏离轴线，形成一个平面三力的受力情况，基于平面上三力交汇原理，可知在下垂点会产生一个很大的合力。这个合力可能会对油缸产生一个很大的破坏，甚至影响到整个设备的运行。由于油缸压力的不断增加，使得油缸的出力不断加大，造成合力更大，进而造成更大的弯曲，形成如图2所示的变形，油缸的活塞会在进出油缸筒密封部位时，刮坏密封圈造成泄露。

2 液压防垂自动校正系统设计

2.1 液压防垂自动校正系统结构

该系统结构是在大油缸中间部位装设一个小油缸，小油缸为柱塞式油缸。小油缸与地基和大油缸均为铰链接。在大油缸缸筒的上部焊接一支耳，小油缸柱塞与此支耳链接中间靠销轴装配，小油缸底部的支耳与地基的预埋铁之间进行焊接，在支耳中间装配上销轴。小油缸的液压控制系统由油压泵站、红外直线传感器、电动控制系统和行程限位开关等部分组成。主机体结构由主框架、大油缸、油压泵站、电控系统、行程限位开关、支撑部件等部分组成。主框架底端与支撑部件采用铰接，框架中间部位和大油缸的柱塞采用铰接，大油缸的底部和支耳采用铰接，支耳和地基的预埋铁板采用螺栓链接，支撑部件与地基的预埋铁板采用螺栓链接。在地基的两端分别设置了一个限位橡胶块，在框架运行到位之后其主要重力由限位橡胶块和支撑部件支撑，大油缸处于泄压状态，小油缸也处于泄压状态。

2.2 液压防垂自动校正系统的受力分析

大油缸在伸出过程中，可近似看做一个二力杆，但是由于长度过长和制造误差等原因，油缸和活塞之间会有很大间隙，在重力作用下将产生一定的下垂。其受力如图4

所示：

（a）大油缸正常受力 （b）下垂之后的受力

图4 大油缸的受力分析图

由图分析可知，在正常运行时，由于油缸自身的刚性，FA、FB是一个二力杆上的作用力FA=FB，方向相反。但是由于有下垂，则在油缸会形成一个平面三力，此时则会在C点处行成一个合力F合，当阻力越大时，F合也越大，合力使油缸有更大的下垂趋势，当这个合力大到使油缸发生弹性弯曲变形时继续加压，这样在弯曲的情况下，会使合力成倍的增加，最后导致油缸塑性弯曲变形或断裂。防垂自动校正系统有效地防止此情况的发生。其原理如图5

所示：

原理为在油缸的三个点A、B、C处各加一个红外直线传感器。其中B为发射端，A、C为接收端。当有弯曲发生时，A和C均接收不到信号，只有在油缸成为一条直线之后，才能接收到信号。其控制原理图如图6所示。

利用校正油缸的不断调整去满足A、B、C点在一条直线。在上升过程中，不断进行启动校油泵，使校正油缸托住大油缸不断去找正。当满足在一条直线后，油泵停止。如此反复进行直到大油缸工作完成。下降过程中，则是利用校正油缸里面液压油的背压。在大油缸的压迫下，小油缸回落，因为有背压所以大油缸就不会有机会下垂，从而实现了在上升和下降过程中的下垂校正。

图6 校正原理流程图

3 液压防垂自动校正系统的工作过程

液压原理如图7所示。

3.1 上升阶段

启动系统，液压泵3开始工作，同时YV1、YV8、YV5、YV6同时得电，三位四通电磁阀7处左位，三位四通电磁阀8处左位，二位四通电磁阀9处右位，二位四通电磁阀处于右位。在主系统中，液压油经滤油器2进入齿轮泵，经过三位四通电磁阀7和三位四通电磁阀8、单向阀12、可调式节流阀13、单向阀14、可调式节流阀14进入油缸11的无杆腔。此时，油缸11的有杆腔中的液压油经单向阀17、可调式节流阀16、单向阀18、可调式节流阀19、并经过三位四通电磁阀7、三位四通电磁阀8进入油箱。在主框架绕销轴旋转到快到位时，会有一个惯性冲击力。为了避免冲击，在此处设置了一个液压缓冲。当主框架碰到上升缓冲限位开关时，此时YV1失电，三位四通电磁换向阀7回到中位处于不工作状态。液压油只经过三位四通电磁换向阀8和其上的单向阀14、节流阀15，因为节流油缸11就会缓慢伸出，促使框架快到位时缓慢旋转避开到位时的惯性摆动。到位之后压下上升到位行程开关，电控系统就会切断油泵电机的电源，同时YV3、YV5、YV6失电，三位四通电磁阀8处于中位，二位四通电磁阀9处于左位，二位四通电磁阀6处于左位，主机运行到位停机。

在大油缸运行过程中，尤其是在油缸伸出一定长度之后，大油缸的下垂现象就会出现。实际上校正油缸的油泵一直处于工作状态，其工作过程为液压油经滤油器20、液压泵21、单向阀23进入柱塞缸。当压力超过电接点压力表25调定的压力时，校正油泵会停止工作，当油缸中的压力小于电接点压力表的最压力时，校正油泵又会重新启动开始工作，如此不断循环。这时装设在大油缸上的三个红外直线传感器在监测油缸的运行状况，假如油缸没有下垂的话，那么传感器的三个点会全部监测到信号。当油缸有下垂的现象，三个点就不可能同时监测到，此时也会启动校正油泵，使校正油缸工作进行找正，三个传感器监测到位之后，校正油泵停止如此反复进行直到整个过程结束。

（a）主体液压原理图

（b）校正系统液压原理图

1.油箱；2.滤油器；3.油泵；4.电机；5.溢流阀；6.二位四通电磁阀；7.三位四通电磁阀；8.三位四通电磁阀；9.二位四通电磁阀；10.可调式节流阀；11.大油缸；12、14、17、18.单向阀；13、15、16、19.可调式节流阀；20.滤油器；21.校正油泵；22.电机；23.单向阀；24.溢流阀；25、26.电接点压力表；27.校正油缸

图7 液压原理图

3.2 收回阶段

启动油泵3系统开始工作，YV2、YV4、YV6同时得电，三位四通电磁阀7处于右位，三位四通电磁阀8处于右位，二位四通电磁阀6处于右位，此时液压油经油泵通过三位四通电磁阀7、三位四通电磁阀8、单向阀17、节流阀16、单向阀18、节流阀19进入油缸11的有杆腔，而油缸11无杆腔中的液压油经节流阀10、节流阀15、节流阀13、二位四通电磁阀9、三位四通电磁阀8、三位四通电磁阀7进入油箱。当框架碰触到下降限位开关后（此位置的行程开关离下降到位有100mm距离）YV4失电，三位四通电磁阀8回到中位，那么此时回油只经过节流阀10和二位四通电磁阀9。此原理是形成三个不同的阶段的下降速度，减低框架在下降过程中的撞击力。

与此同时，校正油缸中的液压泵不工作。因为校正油缸为柱塞缸，只能靠外力进行回位，油缸中的液压油经溢流阀24回到油箱。溢流阀24可以调整。只需根据几次的运行情况将其调整到刚好可以抵消大油缸下垂时的压力。在回落过程中，其液压油会经溢流阀24，慢慢流入油箱，起到克服下垂度。系统工作过程中的电磁铁实际动作顺序，如表1所示：

3.3 断电保护

实际工作中，当意外事情（如突然断电）发生时，会对液压系统产生很大的冲击。LED屏设备比较昂贵，很容易损坏。若对系统不加以保护和补救措施，一定会造成严重的损失。为防止类似事情的发生，在油路上均设置有手动调节溢流阀，可配合电磁换向阀将设备缓慢回到初始位置，从而保护设备和系统。

3.4 过载保护

实际工作中，若突然遇到大风等非正常因素，会使油缸中的压力突然增大，设置溢流阀5和溢流阀24为定值，当油缸中的压力达到此设定值时，即通过溢流阀10卸载，过载消除系统恢复正常，不至于损坏设备。

4 结语

液压防垂自动校正系统根据大油缸的工作情况自动调节其位置和压力，以保证大油缸的直线度，使其运行平稳。由于使用了液压防垂系统，为超长斜支撑旋转油缸提供了可靠的技术安全保障，保证了设备安全可靠运行平稳，在使用过程中故障率大大降低，延长了设备的使用

寿命。