變幅液壓缸設(shè)計(jì),液壓缸,設(shè)計(jì) 目 錄 一、概述……………………………………………………………………1　　　 二、 液壓缸的形式…………………………………………………………1 三、 液壓缸的結(jié)構(gòu)…………………………………………………………1 四、 液壓缸的細(xì)部構(gòu)造……………………………………………………2 1、缸筒…………………………………………………………………2 2、缸底…………………………………………………………………3 3、導(dǎo)向套………………………………………………………………3 4、活塞桿………………………………………………………………4 5、活塞…………………………………………………………………4 6、緩沖裝置……………………………………………………………5 五、 液壓缸的密封…………………………………………………………5 1、間隙密封……………………………………………………………6 2、接觸密封……………………………………………………………6 ⑴ O形密封圈……………………………………………………6 ⑵ 唇形密封………………………………………………………7 ⑶ 組合密封………………………………………………………7 六、 液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………………………7 1、液壓缸的作用力和布置方式………………………………………7 2、液壓缸缸徑計(jì)算……………………………………………………8 3、液壓缸壁厚計(jì)算……………………………………………………8 4、活塞桿計(jì)算…………………………………………………………9 5、最小導(dǎo)向長度H的確定……………………………………………9 6、活塞桿穩(wěn)定性校核…………………………………………………10 7、活塞桿強(qiáng)度校核……………………………………………………11 CDZ50米登高平臺(tái)消防車液壓缸設(shè)計(jì) 一、概述 液壓缸是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在工程機(jī)械，登高平臺(tái)消防車及高空作業(yè)車等多種類型機(jī)械中獲得廣泛應(yīng)用。CDZ50米登高平臺(tái)消防車（以下稱CDZ50）的伸縮、變幅、折臂、支腿機(jī)構(gòu)都是由液壓缸執(zhí)行。為了使登高平臺(tái)消防車既有盡可能小的縱向尺寸，又有可能大的作業(yè)范圍，它的臂架具有伸縮功能，猶如電視機(jī)的伸縮天線，只是臂架斷面是四邊形，它們是由一只伸縮液壓缸和鋼絲繩滑輪組成機(jī)構(gòu)完成五節(jié)臂同步伸縮。變幅液壓缸可使登高平臺(tái)消防車臂架作俯仰動(dòng)作，以改變作業(yè)平臺(tái)到回轉(zhuǎn)中心的距離（幅度），這就叫變幅。折臂液壓缸是調(diào)整作業(yè)平臺(tái)的工作位置。支腿通常由水平液壓缸的垂直液壓缸構(gòu)成，稱“H”型支腿，它由八個(gè)液壓油缸分別驅(qū)動(dòng)。支腿不僅能承受作業(yè)時(shí)的總重，還能大大提高整機(jī)作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性。如圖1 上述四種機(jī)構(gòu)所用的液壓缸原理基本相同，本文主要通過對(duì)CDZ50變幅液壓缸原理的分析和設(shè)計(jì)找到液壓缸設(shè)計(jì)的方法。 二、液壓缸的形式 直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸有兩類即活塞式（圖2a）和柱塞式（圖2b）。活塞式液壓缸多是雙作用的，即活塞的伸出和縮回均靠液壓力作用，雙作用液壓缸又分單活塞桿和雙活塞桿的。柱塞式液壓缸只能是單作用的，即柱塞伸出靠液壓力而縮回則靠負(fù)載自重、重物或彈簧等。登高平臺(tái)消防車大都采用雙作用活塞式單桿液壓缸。 三、液壓缸的結(jié)構(gòu) 圖2a所示為CDZ50變幅液壓缸結(jié)構(gòu)，它是由缸底2、缸筒 8、缸蓋16、導(dǎo)向套15以及活塞7和活塞桿9等主要部件組成。缸筒一端與缸底焊接，另一端則與缸蓋采用螺紋連接，以便拆裝檢修，兩端設(shè)有油口A和B?；钊c活塞桿采用螺紋連接，結(jié)構(gòu)緊湊便于裝卸。缸筒內(nèi)壁表面粗糙度要求較高（0.4），為了避免與活塞直接發(fā)生摩擦而造成拉缸事故，活塞上套有支承環(huán)4，它通常是由聚四氟乙烯或尼龍等耐磨材料制成，但不起密封作用。缸內(nèi)兩腔之間的密封是靠活塞內(nèi)孔的O形密封6，以及外緣安置的兩個(gè)組合密封（格來圈）來保證，活塞桿表面同樣具有較高粗糙度（0.2），為了確?；钊麠U的移動(dòng)不偏離中心線，以免損傷缸壁和密封件，并改善活塞桿與缸蓋孔的摩擦，特在缸蓋一端設(shè)置導(dǎo)向套15，導(dǎo)向套內(nèi)孔上套有支承環(huán)10，還有防止油液外漏的組合密封（斯特封）12和YX型密封圈13，這兩道密封可以防止由于加工誤差造成活塞桿滲油現(xiàn)象?？紤]到活塞桿外露部分會(huì)粘附塵土，故缸蓋孔口處設(shè)有防塵圈17。在缸底和活塞桿頂端上安裝有油嘴1，為工作機(jī)構(gòu)連接用的銷軸提供潤滑油。此外為了減輕活塞在行程終了時(shí)對(duì)缸底的沖擊，缸底端設(shè)有縫隙節(jié)流緩沖裝置，當(dāng)活塞快速運(yùn)行臨近缸底時(shí)，缸底端部的緩沖柱塞將回流堵住，迫使剩余油液只能從柱塞周圍的縫隙擠出，于是活塞速度迅速減慢實(shí)現(xiàn)緩沖。 四、液壓缸的細(xì)部構(gòu)造 液壓缸主要由缸筒、缸底、缸蓋、活塞、活塞桿、導(dǎo)向套和緩沖裝置等構(gòu)成。如圖2a ，下面我們介紹液壓缸主要零部件的材料選擇、工藝要求、構(gòu)造特點(diǎn)。 1、缸筒 活塞式液壓缸缸筒內(nèi)壁要求精加工，所以它的工藝要求較高，具有 一定難度。目前國內(nèi)缸筒內(nèi)孔的加工，主要采用熱軋無縫鋼管的鏜削工 藝和冷撥無縫鋼管的珩磨工藝。熱軋管材的鏜削加工工藝過程為：粗鏜 →精鏜→浮鏜→滾壓（簡稱三鏜一滾），國內(nèi)同行業(yè)缸筒的加工普遍采用這種工藝過程。 工藝要求如圖3所示，缸筒內(nèi)徑一般用H8配合，表面粗糙度0.4。外表面一般不加工。裝配作業(yè)時(shí)為了不損傷活塞和導(dǎo)向套上的密封圈，在缸筒的入口處和有密封圈滑過的孔槽口均做成15°的坡口。坡口口徑D′要保證大于密封圈的自由尺寸。 缸筒的材料通常采用45號(hào)無縫鋼管。45號(hào)鋼的切削性能較好，但焊接性能較差，焊接時(shí)必須嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝。此外，缸筒內(nèi)徑D的圓度，圓柱度不大于公差直徑的一半，缸筒內(nèi)表面直線度在500mm長度上不大于0.03mm。對(duì)形位公差和表面粗糙度和控制能有效避免液壓缸的泄漏。因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)密封都屬于擠壓形密封，缸筒超差后直接影響密封件的壓縮量，壓縮量的不均勻可導(dǎo)致密封滲漏。 2、缸底 缸底可用35號(hào)或45號(hào)鋼的鍛件、鑄件、圓鋼或焊接件制作，缸底與缸筒的主要連接形式有：焊接式、螺紋式。如圖4，CDZ50變幅壓缸的缸底連接形式采用焊接式。缸底材料主要以45號(hào)鋼鍛造成型。圖4a為焊接形式其特點(diǎn)是構(gòu)造簡單，易加工，尺寸小，工作可靠。為了控制焊接變形，缸底嵌入缸筒的部分應(yīng)采用較緊的過渡配合（H7/K6）活塞終點(diǎn)要離開焊縫一定的距離約（20mm以上）。圖4b是螺紋連接，尺寸略大，不適宜大口徑連接，但可拆，清洗方便。 3、導(dǎo)向套 導(dǎo)向套可選用球墨鑄鐵、鋁青銅或45號(hào)鋼加支承環(huán)制成，從降低成本角度考慮目前導(dǎo)向套大都采用鋼材經(jīng)加工后內(nèi)孔安裝支承環(huán)。導(dǎo)向套在結(jié)構(gòu)上不僅要解決與缸筒的密封問題，而且必須考慮與活塞桿的密封和防塵問題，它能保證活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中不偏離軸心線，以免產(chǎn)生“拉缸”現(xiàn)象，并保證活塞和活塞桿密封件能正常工作。導(dǎo)向套滑動(dòng)支承面的長度通常取活塞桿直徑的0.6～1.0倍。圖5是導(dǎo)向套的三種形式。圖5a是導(dǎo)向套與缸筒用卡鍵連接，圖5b通過缸蓋外螺紋與缸筒連接，圖5c是缸筒與導(dǎo)向套內(nèi)螺紋連接。 4、活塞桿 無論是柱塞式還是活塞式液壓缸，它們的活塞桿（或柱塞）都有較高的加工精度，其表面還有0.03mm～0.05mm厚的鍍鉻層以提高耐磨性和抗腐蝕性。對(duì)于工作條件惡劣的環(huán)境，活塞桿表面先進(jìn)行表面淬火后再鍍鉻，以提高表面硬度，抵御外來的撞擊?；钊麠U常用45號(hào)元鋼或無縫鋼管做成實(shí)心桿或空心桿，活塞桿強(qiáng)度一般是足夠的，主要是考慮細(xì)長活塞桿在受壓時(shí)的穩(wěn)定性，大多活塞桿采用空心桿增大斷面模數(shù)，空心活塞桿一端留出焊接和熱處理用的通氣孔?；钊麠U外徑公差是f9。如圖6，CDZ50變幅液壓缸選用如圖6b的結(jié)構(gòu)形式。 5、活塞 活塞也有多種結(jié)構(gòu)，通常是通過螺紋或卡鍵與活塞桿相連。圖7a是整體式活塞，它的表面直接與缸筒壁配合，兼起導(dǎo)向作用，工藝上有一定要求且必須是銅或鑄鐵等耐磨材料，盡管它的結(jié)構(gòu)簡單，由于摩擦力較大，壽命較短等原因已逐漸少用。圖7b是組合式活塞；活塞本體與缸壁不接觸，通過與它組合在一起的耐磨材料尼龍或聚四氟已烯與缸筒接觸，并起導(dǎo)向支承作用。導(dǎo)向材料對(duì)稱安裝在活塞兩端，同時(shí)在O形密封圈外面套一個(gè)與支承環(huán)同樣材料的摩擦環(huán)，使O形密封圈脫離與缸壁的滑動(dòng)摩擦，基本上成為固定密封，故提高了密封件的使用壽命。 活塞與活塞桿之間為間隙配合，配合面之間的密封為固定密封，采用O形圈密封，密封槽通常開設(shè)在活塞桿上，這樣加工比較方便。 6、緩沖裝置 液壓缸在運(yùn)動(dòng)速度高或負(fù)載質(zhì)量大的情況下，當(dāng)活塞快速制動(dòng)或換向時(shí)，會(huì)產(chǎn)生液壓沖擊。沖擊時(shí)的壓力可達(dá)工作壓力的二至四倍，液壓沖擊會(huì)引起整機(jī)的振動(dòng)和噪聲，甚至引起有關(guān)機(jī)械的破壞。因此在設(shè)計(jì)液壓缸時(shí)常用節(jié)流原理在缸體里設(shè)置緩沖裝置。如圖8，當(dāng)活塞移至其端部時(shí)緩沖柱塞開始插入桿端的緩沖孔槽，活塞桿尾部與缸筒之間形成封閉空間A，A腔中受困擠的剩余油液只能從緩沖柱塞與孔槽之間的節(jié)流環(huán)縫中擠出，因而在A 腔形成一個(gè)高壓區(qū)迫使液壓缸降低速度實(shí)現(xiàn)液壓緩沖。圖9是緩沖柱塞和緩沖腔壓力的曲線。 五、液壓缸的密封 漏油是液壓傳動(dòng)的多發(fā)病，漏油有內(nèi)泄和外漏之分。所謂內(nèi)泄是發(fā)生在液壓缸內(nèi)部的漏損，如高壓無桿腔的壓力油通過活塞與缸壁間的間隙流向低壓的有桿腔進(jìn)入油箱，外漏則是油液漏出液壓缸外部。如油液沿活塞桿漏到液壓缸的外部。內(nèi)泄和外漏都是不允許的。目前防外漏的辦法是采用各種形式的密封裝置，密封形式很多選擇主要介紹。 1、 間隙密封 間隙密封是利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)件之間的微小間隙起密封作用的。液壓統(tǒng) 中的液壓泵和各種控制閥大多采用這類密封，液壓缸基本不使用這種密封。在這里不再過多敘述。 2、 接觸密封 接觸密封又叫填料密封，填料被充填在兩個(gè)需要密封的零件之間， 靠密封件本身的彈性變形實(shí)現(xiàn)密封。在一定壓力范圍內(nèi)，其密封能力隨壓力升高而提高。在磨損后還有一定的自動(dòng)補(bǔ)償能力。接觸密封的形式頗多，僅介紹液壓缸中使用的幾種密封。 1 O形密封圈 O形密封圈斷面為圓形，它由耐油橡膠等材料制成。它可以用在兩 個(gè)固定面之間也可用在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面之間起密封作用。圖10是它的密封機(jī)理，O形圈裝入密封槽后，由于槽深H小于O形圈斷面直徑d0使O形圈受壓縮狀態(tài)，見圖10a，此時(shí)靠O形圈自身的彈性接觸壓力自行密封；當(dāng)彈性接觸壓力Pm比流體壓力P1大時(shí)，就不會(huì)造成泄漏。避免液壓過高時(shí)O形圈被擠入密封槽的間隙中損壞。當(dāng)O形圈用作運(yùn)動(dòng)密封時(shí)液體壓力超過10MPa。若O形圈是單向受壓的，在它的非受壓側(cè)加一個(gè)擋圈，若是雙向受壓，則在它的兩側(cè)各加一個(gè)擋圈，見圖10b、c，用在端面固定密封時(shí)，由于間隙C較小液體壓力沒超過30Mpa時(shí)，一般不加擋圈。 O形圈及其擋圈的規(guī)格以及溝槽尺寸均有標(biāo)準(zhǔn)，可從有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)中查閱。由于O形圈密封阻力較大，自動(dòng)補(bǔ)償能力差，在液壓缸中常常用于固定密封，運(yùn)動(dòng)面間密封大多采用唇形密封。 2 唇形密封圈 唇形密封圈也有多種形式，現(xiàn)以常用的YX形密封圈來說明它們的機(jī) 理。YX形密封分軸用和孔用兩種，孔用密封圈用于活塞與缸筒之間的密封，軸用密封圈用于活塞桿與導(dǎo)向套之間的密封，YX形密封中間有一個(gè)凹座，凹座朝向被密封的液體，因此液壓就通過唇部直接作用于部分密封面上。通常其底部不與周圍的部件接觸，且密封圈側(cè)面自底部至唇部開始是相平行。壓力升高時(shí)，唇口在壓力作用下向外擴(kuò)展，使唇邊更緊地貼合密封面，隨著壓力的進(jìn)一步升高，更大部分的密封面與周圍部件相接觸。圖11畫出各種壓力作用下唇形密封圈的典型變形率。 3 組合密封 組合密封是一種較理想的密封，通常將改性的聚四氟乙烯制成滑環(huán)和O型圈一起安裝在密封槽里組成?；h(huán)在O形密封圈預(yù)應(yīng)力作用下，始終保持與密封面產(chǎn)生接觸壓力保證密封。組合密封分孔用組合滑環(huán)（格萊圈）如圖12a和軸用組合滑環(huán)（斯特封）如圖12b，組合密封的結(jié)構(gòu)形式，密封機(jī)理，材料選擇都與其它密封不同，是一種較新的密封形式。目前國內(nèi)外大多數(shù)廠家普遍采用這種密封。有關(guān)溝槽尺寸可以從產(chǎn)品樣本中查到。 六、液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算 1、 液壓缸的作用力和布置方式 根據(jù)總體設(shè)計(jì)，CDZ50登高平臺(tái)消防車用于改變臂架幅度的變幅液壓缸的最大推力F1=61191.98kg，液壓缸系兩端鉸支，液壓缸全縮時(shí)兩端鉸點(diǎn)距離L1=2242mm，工作行程L2=2087mm，臂架停止動(dòng)作時(shí)變幅液壓缸進(jìn)出口閉死，此時(shí)液壓缸內(nèi)的封閉壓力叫閉鎖壓力。 2、 液壓缸缸徑的計(jì)算 液壓缸的缸徑指缸筒的內(nèi)徑，它決定了液壓缸的推力和推出速度。工作時(shí)因回油管直接與液壓油箱相通，回油壓力PO=0，液壓系統(tǒng)最高工作壓力P=21Mpa，則缸筒內(nèi)徑： D==19.762cm = 197.62mm 取D=200mm 其中：D——缸筒的內(nèi)徑 F1——液壓缸最大推力 P——液壓缸最高工作壓力 η——液壓缸總效率，通常取η=95% 3、 液壓缸壁厚計(jì)算： 當(dāng)壁厚δ大于缸徑的即δ＞時(shí)，按厚壁筒公式計(jì)算： δ= 當(dāng)臂厚δ小于或等于缸徑D的時(shí),按薄壁筒公式計(jì)算, δ= 式中：P——液壓缸最大工作壓力（MPa） [σ]——許用應(yīng)力（Mpa），[σ]=，其中，σb為材料強(qiáng)度極限，n 為安全系數(shù)；通常取n=3.5～5， δ——缸筒的壁厚（mm） 45 號(hào)鋼的強(qiáng)度極限σb=650Mpa，對(duì)于臂架式登高平臺(tái)消防車，屬中型工況，故安全系數(shù)為4，對(duì)應(yīng)的[σ]=。 變幅缸閉鎖壓力： P′= 閉鎖壓力P′小于最高工作壓力P=21Mpa，所以計(jì)算壁后應(yīng)以P作為最大工作壓力，閉鎖壓力小于工作壓力常采用薄壁公式計(jì)算： δ= 用薄壁筒公式正確。參照無縫鋼管系列（YB231-77） ，并考慮留有加工余量，選用φ245×25無縫鋼管。 4、 活塞桿計(jì)算 通常由速比μ算出，速比是液壓缸縮回速度與伸出速度之比即 μ=。 速比總大于1，速度比越大，活塞桿徑越大，越有利于活塞桿穩(wěn) 定性通常μ在1.25～2范圍內(nèi)變化。考慮到活塞桿的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，常取μ=2。 d=Dmm 式中： d——活塞桿外徑 D ——缸筒內(nèi)徑 μ——速度比 取d=140mm；參照無縫鋼管系列，選用φ152×25鋼管 5、 最小導(dǎo)向長度H的確定： 活塞桿全伸時(shí)，活塞支承面中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離叫 最小導(dǎo)向長度H（見圖13）。通常H≥+。圖中活塞支承面長度 B=（0.6～1.0）D，導(dǎo)向套滑動(dòng)面長度A=（0.6～1.0）d，中間隔套C可在不過分增加A和B 的情況下保證最小導(dǎo)向長度。 CDZ50變幅液壓缸最小導(dǎo)向長度： H≥mm 其中：L2——液壓缸工作行程 D——液壓缸缸筒內(nèi)徑 H——最小導(dǎo)向長度 6、活塞桿穩(wěn)定性校核： 當(dāng)受壓作用液壓缸的活塞桿直徑d小于液壓缸安裝長度L的十分之一時(shí)，須進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性校核，要求達(dá)到： F1＜ 式中：F1——液壓缸承受的最大壓力 Fk——液壓缸不失穩(wěn)的臨界負(fù)載 ηk——安全系數(shù)，ηk=2 ～4 當(dāng)ψ=時(shí)，用歐拉公式計(jì)算臨界力Fk Fk=(N) 當(dāng)ψ<ψ2 時(shí)，按下式計(jì)算：Fk=(N) CDZ50變幅缸： L=L1+L2=2242+2087=4329(mm) d=140mm，系兩端鉸支，查表ψ2=1 J=(其中：d1=102mm活塞桿內(nèi)徑) ==13544033.46（mm）4 A===7222.52（mm）2 rk===43.304(mm) ψ=>ψ1=85 采用歐拉公式計(jì)算臨界力： Fk==14.49×105(N) n==2.37>2 穩(wěn)定性合格 式中：ψ——活塞桿計(jì)算柔性系數(shù) ψ1——柔性系數(shù)，對(duì)于鋼ψ1=85 ψ2——取決于液壓缸支承狀況的末端系數(shù)（又稱長度折算系度），由設(shè)計(jì)手冊(cè)查取。 rk——活塞桿橫截面最小回轉(zhuǎn)半徑，rk=(mm) E——活塞桿材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=2.06×105Mpa J——活塞桿橫截面慣性矩（mm4） A——活塞桿橫截面面積（mm2） F ——由材料強(qiáng)度決定的試驗(yàn)值，對(duì)于鋼取f=490Mpa α——系數(shù)，對(duì)于鋼取α= 以上計(jì)算都將變幅油缸看作一個(gè)等截面桿，實(shí)際上，缸體的截面總是大于活塞桿的，整個(gè)變幅缸是一個(gè)變截面構(gòu)件，因此上述計(jì)算結(jié)果偏于安全的，要作較為經(jīng)濟(jì)的計(jì)算則應(yīng)按變截面桿件計(jì)算臨界力，此處不再論述。 7、 活塞桿強(qiáng)度校核 壓桿不失穩(wěn)的液壓缸不一定就不會(huì)破壞，還有活塞桿的強(qiáng)度問題， 因此必須按下式作強(qiáng)度校核： 變幅缸： σ= =85.91Mpa〈=180Mpa 算得CDZ50變幅液壓缸的強(qiáng)度校核合格。 式中：σ——計(jì)算應(yīng)力（MPa） σS——活塞桿材料屈服極限，對(duì)于45號(hào)鋼σS=360Mpa a———由配合間隙和自重引起的液壓缸初撓度，通常取0.5% F1、A、Fk、d、L意義同前。 參考資料 ⑴吉林工業(yè)大學(xué)等校編寫的《工程機(jī)械液壓與液力傳動(dòng)》機(jī)械工業(yè)出版社，1979。 ⑵東北工學(xué)院《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組編，冶金工業(yè)出版社，1979。 ⑶雷天覺主編《液壓工程手冊(cè)》機(jī)械工業(yè)出版社，1990。 ⑷劉鴻文主編《材料》高等教育出版社，1982。 CDZ50米登高平臺(tái)高消防車 變 幅 液 壓 缸 的 設(shè) 計(jì) 錦州重型機(jī)械股份有限公司 技術(shù)中心：郭軍 二○○三年四月二十八 14 - 14 -