地下顶管用液压设备液压油缸设计计算.pdf

2 0 1 3年 9月 第 4 1卷 第 1 7期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS S e p ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ．1 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 7 ． 0 3 7 地下顶管用液压设备液压油缸设计计算 宋超 ，邹云 ，杜碧华 成都纺织高等专科学校机械工程学院，四川成都 6 1 1 7 3 1 摘要 通过设计地下顶管液压设备的油缸，来解决以非开挖技术进行地下管道铺设时，液压设备对砼管的顶入问题。 详细分析了这类设备油缸的设计过程，提出一套完整的设计方案，为今后进一步的技术研究提供了参考。 关键词 顶管 ；双作用油缸；结构设计 中图分类 号 T U 6 8 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 71 2 9 2 De s i g n o f Hy dr a u l i c Cy l i n de r o f Hy dr a uli c Equ i pme nt Us e d f o r Und e r g r o u nd Pi pe l i ne Co ns t r uc t i o n SONG Ch a o，ZOU Yu n， DU Bi h u a C h e n g d u T e x t i l e C o l l e g e ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 1 7 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c c y l i n d e r o f t h e h y d r a u l i c e q u i p me n t u s e d f o r u n d e r g r o u n d p i p e l i n e c o n s t r u c t i o n w a s d e s i g n e d，wh i c h s o l v e d t h e p r o b l e m o f u n d e r g r o u n d p u s h i n g p i p e ． T h e d e t a i l e d d e s i g n p roc e s s o f the h y d r a u l i c c y l i n d e r w a s a n a l y z e d ． T h e c o mp l e t e p rog r a m u s i n g for c y l i n d e r d e s i g n Was p r o p o s e d ． T h e r e s u l t s p r o v i d e r e f e r e n c e for f u r t h e r t e c h n i c al s t u d i e s i n the f u t u r e ． Ke y wo r d s P u s h i n g p i p e ； Do u b l e a c t i n g c y l i n d e r ； S t r u c t u r al d e s i gn 地下管道施工采用非开挖施工 方法 ，是最近几年 重点研究的一种新技术 ，其特点是 借助液压设备的 推力在施工坑 内将管 道一节节地顶入到预铺设 的土层 内，完成地下管道的铺设。因其在作业中不沿铺设路 面进行地表挖掘，杜绝了对城市建设物的破坏和道路 交通的堵塞，不拆迁、不破坏环境 ，施工中不受气候 和环境的影响；不影响管道的段差变形；省时、高 效 、安全、综合造价低，因此未来该项技术一定是管 道施工的主流技术 ，将被广泛地应用。当前此项技术 的一个重要核心就是液压顶推设备。施工中，液压顶 推设备的液压油缸前端依据被顶人砼管的规格安装顶 铁，保护砼管在外力作用下不受到伤害，由液压装置 产生所需的推力，通过油缸中活塞杆的伸缩将推力传 递给砼管，从而将砼管顶人到坑道内。因此 ，顶管用 液压设备的油缸设计对该项技术的实施具有非常重要 的意义，在设计中要求对整个油缸系统做重点 的考 虑 。 1 油缸设计 1 ． 1 工况条件 以排污管线施工为研究对象，施工中对砼管施加 的最小正压力应满足 F 2 6 0 9 ． 81 0 N，砼管公 称尺寸为 D N 8 0 0 ，混凝土 D N 8 0 0专用顶管最大承受 力 F 6 5 09 ． 81 0 N，推进速度 4 ． 5 m m ／ s ， 最 大行程 S 1 m。 1 ． 2 主顶基本参数选择 从使用寿命、加工制造及现场做业角度考虑，选 择双作用油缸。初选油缸许用压力，根据工况，选择 额定许用压力 P 2 8 M P a ，正常工作压力取 P 2 5 M P a ，以 1 ． 5的安全系数比，最高许用压力为 Pm a x1 ． 5 p 3 7 MP a 按以上条件 、参数选择液压泵为 Y C Y 1 4 ． 1 B，该 泵基本技术参数见表 1 。 表 1 Y C Y 1 4 - 1 B技术参数 类型 型号 压力／ MP a 排量／ m L r ～ 额定转速／ r m i n 驱动功 U ／ k W 容积效率／ ％ 质量／ k g 轴向斜盘式轴向柱塞泵 25YCY1 4 1 B 3 2 2 5 1 5 0 0 2 4． 6 ≥9 2 3 4 1 ． 3 液压缸径计算 工作中缸径所受实际压力由负载、回程力 、惯性 力 、摩擦力 、密封力 组成 ，因采用 双作用 油缸 ，两缸 共同分担2 6 0 9 ． 8 1 0 。 N的额定工作压力 ，考虑工 作条件的复杂性及各方面的阻力影响因素 ，取单缸工 收稿 日期 2 0 1 2 0 81 8 基金项目四川省青年科技基金资助项 目 1 1 Z B 0 9 3 作者简介宋超 1 9 7 3 一 ，男，工学硕士，副教授 ，主要从事液压机械设备设计方面的研究。Em a i l s o n g c s o c y a ． h o o ．c o rn．c n o 1 3 0 机床与液压 第 4 l 卷 作压力 为 F2 0 0 9 ． 81 0 N，按 如下 公式 计算 缸 径 D ／ 1 0 一 1 a r p 式 中P 为额定许用 压力 ，按此式计算 的内径单位为 m，计算结果要经过 圆整 。 1 ． 4 缸筒壁厚计算 缸筒壁厚要满足 ⋯ ≥ Pm a x o 2 式中6 ⋯为缸筒最小壁厚 ， P m a x 为液压缸最大许用压 力 ，o r 为缸筒材料的许用压力 ， 。 ／ n ， 为缸 筒材料 的抗拉强度 ，n为安全系数 ，通 常取 n 5 。 液压缸筒底部壁厚 6 4 3 如 3 式中 D 是缸筒的外径 ， 为 缸筒底部 材料 的许 用 应力。 2油缸 校验 确定缸筒 直径 、厚 度后 ，需要 对缸筒 进行 压力 、 强度的校验，以确定缸筒尺寸的合理性。其校验内容 为缸筒壁厚承受压力校验、缸筒塑性变形校验、缸筒 径 向变形校验等 。 ． 2 ． 1 缸 筒壁厚 压 力校 验 用以检验缸筒是否能承受缸内的工作压力 ，其校 验计算式为 o ． 3 5 M P a 4 上， 式中 为缸筒材料屈服强度，P 为选定的液压泵 提供的额定压力，计算结果一定要大于P 。 2 ． 2 缸筒塑性 变形校验 正常工作 中要保证缸筒不发生塑性变形 ，因一旦 发生塑性变形 ，形变就无法 回复 ，缸筒就失效了。保 证缸筒不发生塑性变形要使额定压力满足如下关系 式 P ≤ 0 ． 3 5～0 ． 4 2 P 5 P r l _ ≤2 _ 3 0 “ 6 U w 式 中 P rL 为缸筒发生完全塑性变形 的压力 。 2 ． 3 缸筒径向变形校验 缸筒径 向形变会影响到活塞与缸筒间的密封 ，造 成压力的不稳定或无法达到预定压力 ，因此缸筒的径 向压力形变 A D要 小于 密封 圈给 予 变形 的补 偿值 。 A D的计算式为 警 筹 7 式中 E为 弹性模量 ， 为泊松 比。 3 各组件设计 3 ． 1 整体 结构 设计 为满足工作要求，并达到易于加工、易于使用维 护的 目的，油 缸 整 体结 构 设 计 如 图 1 ，由缸 体 、活 塞 、活塞杆 、导 向套及一组密封组成 ，缸体底部通过 焊接的方式与缸体连接达到 良好的连接强度及密封要 求 图 1 油缸结构图 活塞按整体 式设计 ，材 料选择 4 5钢 已达 到经 济 型 、实用性 目的 ，活塞 与活塞 杆通 过螺纹 方式 连接 ， 密封结构按标准设计。为达到良好加工性及负荷能力 强 ，活塞杆设计成实 心的 ，材料可选择常用 的 4 5钢 。 导向套用端盖加导向环结构形式，能获得好的安装 位 ，在长活塞杆 中这种结构非常重要 。 3 ． 2活塞杆 设计 及校 验 活塞杆是液压缸向外传递推力的重要零件 ，它承 受拉力、压力、弯曲力和振动冲击等多种作用力 ，必 须有足够的强度和刚度，因此双作用单边活塞杆液压 缸活塞杆直径 d 要满足下式 再 8 式中 d为 活塞 杆直 径 ，D为 缸 筒 内径 ，t f r 为 速 比， 按额定 压力选 取。计算后应 对结果 进行 圆整。 对于该类活塞杆，因工作行程较大，需要进行危 险截面强度校核及弯曲稳定性强度校验。危险截面通 过应力计算后与许用应力比较获得校验结果 ，计算过 程简单。对于顶杆油缸来说主要受轴向力，因此根据 如下公式校验弯 曲稳定性 F≤Fk ／ n k 9 式中 为活塞杆弯曲失稳临界压力 ，n 为安全系 数，通常取 3 ． 5～ 6 。而 按下式计算 1 0 i 1一 、‘v， “ K ’ 式中E为实际弹性模数，K为液压缸安装及导向系 数 ，， 为活 塞杆 横切 面惯 性矩 。E ． 1。 1 6 ，。为材料组织 缺陷 系数 ，6为 活塞杆 截面不 均匀 系数 ，由此就可确定活塞杆的弯曲稳定性。 下转第 9 9页 第 1 7期 张胜文 等基于工序质量信息的切削参数优化技术研究 9 9 所示 。 74． 95 7 4 ． 9 3 7 4． 9l I 7 4． 89 74． 8 7 7 4． 85 ⋯-舟 ⋯ 一 ” ⋯⋯ w ／＼八 r ， ． 、 ＼ ／ Y V y 0 2 4 6 8 1 0 l 2 1 4 组 号 a 控 制 图 八 √ ＼ 组 号 『 b 控 制 图 图 3 XR控制 图 观察控制图可以发现 控制图中有两点落在控 制线外， 控制图连续 7点呈现下降趋势。可以认定 工序处于非统计控制状态，即工序存在异常。选取同 一 型号连杆的分开面铣削工序 ，对比发现二者切削速 度 和每齿进给量． 不同，而径 向切削深度 。 和轴 向切削深度 。 相 同 ，对 两者 的加 工检 验数 据进 行方 差分析，分析结果如表 1 所示。 表 1 方差分 析表 设 定 n0 ． 1 ，查 F分 布表得 F 1 ，3 6 2 ． 8 4 ，由于 F2 ． 8 4，所 以认 为在 口 0 ． 1 水 平 上 因 素 A是显著的，即两种工序不同切削参数 、 是影 响质量 异常波动 的主要 原 因。因此 ，需 要对 、 进 行优化。优化结果如表 2所示。 表 2 切削参数优化结果 4结论 提出一种基于工序质量信息的切削参数优化技 术 ，为工艺优化研究 扩展了新思路 。同时 ， 针对这种 新的切削参数优化方法提 出了两种新的质量分析方 法。首先通过控制图查看工序是否存在异常，如果存 在异常采用横向工序质量分析，如果工序处于稳定状 态可以使用纵向工序能力分析，找出需要优化的切削 参数和优化约束条件 ，应用适应性权重遗传算法 ，对 切削参数进行优化。 参考文献 【 1 】夏建 中． 制造业质量管理信息化研究规划与实践[ J ] ． 中国质量， 2 0 0 5 1 0 7 0 7 2 ． 【 2 】 杨晓兵． 大型铸件铸造过程质量溯源系统研究及应用 [ D] ． 重庆 重庆大学， 2 0 0 8 ． 【 3 】M O E T ． P e r s p e c t i v e o n T r a c e a b i l i t y i n F o o d M a n u f a c t u r e [ J ] ． T r e n d s i n F o o d S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 1 9 9 8 ， 9 5 21 121 4． 【 4 】 邓军． 面向产品生命周期的全面质量管理系统建模及实 现技术研究[ D] ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 0 9 ． 【 5 】 梁国明． I S 0 9 0 0 族标准常用统计技术方法4 3 种[ M] ． 北 京 中国标准出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 6 】 李卫红， 杨练根． 质量统计技术 [ M] ． 北京 中国计量出 版社 ， 2 0 0 6 ． 【 7 】D E B K ． O p t i mi z a t i o n f o r E n g i n e e r i n g D e s i g n A l g o r i t h ms a n d E x a mp l e s [ M] ． N e w D e l h i P r e n t i c e H a l l o f I n d i a P r i v a t e L i mi t e d， 2 0 0 5 ． 【 8 】玄光男， 程润伟． 遗传算法与工程优化[ M] ． 于歆杰， 周 根贵， 译． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 4 ． 上接 第 1 3 0页 对于导向套来说 ，主要是针对密封剂安装、工作 稳定性角度设计其结构及精度要求，在工作中导向套 受力较小 ，不需进行强度校验 。 4结论 从油缸实际应用与理论设计相结合的角度出发， 详 细研究 了用 于地下顶推设备油缸 的设计过程 ，从满 足要求的结构尺寸、到强度校验进行了详细的分析 ， 形成了一整套科学合理的设计方法。依据此过程可以 合理地完成地下顶推用液压油缸的各参数设计。该设 计过程对各类油缸的设计都有较好的普适性，对油缸 设计具有很好的指导意义，该研究为提高该类装备的 设计水平提供了有力的技术保障。 参考文献 【 1 】 李记， 何先可， 李强， 等． 基于 M a t l a b的两级油缸结构参 数优化设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 1 5 6 5 8 ． 【 2 】 杨丽颖， 王守仁 ， 武震． 铁路轴承淬火压力机床液压油缸 设计计算[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 6 1 3 8 ． 【 3 】周建强， 王欢． 基于 C A E技术的单体液压支柱油缸部件 分析[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 2 6 1 2 21 2 4 ． 【 4 】 张俊豪， 王荣花． 油缸设计的几处改进[ J ] ． 机械工程与 自动化 ， 2 0 0 9 1 1 5 41 5 6 ． 【 5 】贾春强， 丁少华 ， 于洋． 液压支架双伸缩立柱优化设计研 究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 0 1 5 3 5 5 ． 【 6 】成大先． 机械设计手册 第 4 卷 ， 第 5卷 [ M] ． 4版． 北 京 化学工业出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 7 】王益群． 液压工程师技术手册[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ． 2 0 0 9 ． 【 8 】祝燮权． 实用五金手册[ M] ． 上海 上海科学技术出版 社 ． 2 0 0 6 ．