油气弹簧油缸在履带起重机中的应用

薛 振 肖 华 刘 威 卞剑韬

徐州维尔力德重工科技有限公司 江苏 徐州 221000

履带吊具有起重量大、可吊装行走、工况组合多、吊重衰减小等优点，满足了多数大型设备安装与工程建设的需求。设计师们在设计履带起重机之初，不仅考虑了吊车的起重性能，而且考虑到了吊装整体稳定性和主动安全保护措施，以及被动安全（机械锁止限位）保护措施。塔式副臂防后倾就是一种被动安全保护措施。塔式副臂防后倾的作用一是抵消前撑杆系统的部分自身重力，二是在吊车吊重突然卸载时，避免履带起重机向后倾翻。

因油气弹簧缸缓冲效果好，能有效吸收突然卸载时储存在臂架中的弹性势能，所以越来越多的履带起重机将油气弹簧油缸连杆结构形式应用到塔式防后倾装置上来。但目前履带起重机的使用说明书上针对油气弹簧缸的介绍不够细致，只是简单说明了油气弹簧缸的初始压力值与极限位置时的报警压力值。履带吊操作人员在塔臂使用过程中，观察油气弹簧缸压力值时不能与臂架角度实时对比，带来一些危险隐患。为此，有必要对油气弹簧缸在使用过程中的变化情况进行描述。通过模拟臂架角度对油气弹簧缸的长度变化，进一步计算油气弹簧缸的压力变化。履带吊起重机操作人员可以根据表格快速查找到当前工况下，油气弹簧缸的压力显示是否与理论值一致。对履带起重机操作人员判断油气弹簧缸的使用状态提供了重要依据。

1 油气弹簧缸的安装位置

图1 为履带式起重机中油气弹簧缸的安装位置示意图，由图可见，油气弹簧缸一端与前撑杆连接，另一端与防后倾支架连接。油气弹簧缸与前撑杆的连接铰点，油气弹簧缸与防后倾支架的铰点，以及防后倾支架与臂头的连接铰点，三点构成一个三角形。这个三角形的三边中只有油气弹簧缸的长度会随着履带起重机的当前工况发生变化。一般情况下，履带起重机的塔臂工况下，中小吨位一般安装1 个油气弹簧缸，初始压力为8MPa 左右；中大吨位一般安装两个油气弹簧缸，初始压力为4MPa。虽然安装数量上有不同，但基本工作原理是一致的，在此主要论证一种用在中小吨位上的油气弹簧缸。

图1 油气弹簧缸的安装位置示意图

2 油气弹簧缸的工作原理

图2 为一种中小吨位油气弹簧缸结构示意图。油腔缸直径为220mm，长度为1100mm；氮气腔直径为140mm，长度为2900mm。在使用前，通常先将氮气腔充以8MPa 的氮气压力；然后油缸吊起，将油缸拉长至最长安装长度,此油缸的最长安装尺寸为4440mm。

图2 油气弹簧缸结构示意图

油气弹簧缸油腔中的液压油体积在油缸长度发生变化时基本不变，液压油分布在图3 所示的V1、V2和V3三个腔体内，因此液压油的总体积（V0）即为三者之和。油缸活动杆的长度变化会带动浮动油封位置变化，而浮动油封位置变化会影响氮气腔的体积大小变化。氮气腔体积减小时，氮气腔中氮气压力上升；反之，氮气腔中的氮气压力下降。因此，油气弹簧缸压力的大小由氮气腔的体积大小决定。

图3 油腔液压油分布示意图

3 油气弹簧缸的工作压力的计算

油气弹簧缸内液压油的位置变化满足式（1）—式（4）。

式中：V0——液压油体积；

Dy——油腔缸直径；

L0——油腔长度；

δι——油缸总长度变化量；

Dq——氮气腔直径；

ιq——浮动油封位置变化量；

Dg——活动杆外径。

由以上公式可计算出油缸总长度每缩短100mm 浮动油封位置的变化量，结果如表1 所示。

表1 浮动油封位移量对照表（单位：mm）

当油气弹簧缸长度发生变化时，氮气腔的压力变化可根据波义耳定律进行计算。在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比[式（5）]。且P1V1=P2V2= 常数。

式中：V——气体的体积；

P——压强；

C——常数。

经过计算可得油缸总长度每缩短100mm，浮动油封位置变化时的压力情况，如表2 所示。

表2 浮动油封位移量和压力对照表

4 计算参数验证

履带起重机在幅度变化过程中记录塔臂角度、油气弹簧缸压力值和主臂角度，并通过图纸模拟出对应的油缸长度，摘录的现场记录数据如表3 所示。

对照表2 与表3，可以看出实际测量值与理论计算值基本接近，说明此计算方法与实际工况较为贴合。

表3 现场记录数据

5 结束语

主要介绍油气弹簧缸在履带起重机塔式变幅工况中的应用，讲述了油气弹簧缸的安装位置、工作原理和压力变化，可以供同类油气弹簧缸参考，进行保养与维护，以及对油气弹簧缸的工作状态进行监控。通过查阅表格可以判断当前工况下，油气弹簧缸的压缩量及压力值是否在合理范围内，对履带起重机使用者判断油气缸的工作状态具有重要意义。