基于运行可靠性的车载液压缸结构设计.pdf

研 究与开发 DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 1 7 基于运行可靠性的车载液压缸结构设计 刘明生，郑攀 内江职业技术学院 电气工程 系，四川内江 6 4 1 1 0 0 摘要 车载液压缸作为液压传动系统关键零部件之一 ， 其动作可靠性直接影响液压系统工作性能好坏。从液压缸可靠性设计出 发，分析了影响车载液压缸运行可靠性的主要因素，并在简要介绍车载液压缸组成结构的基础上，对液压缸的主要结构参数进 行了设计与强度校核。 关键词液压缸；可靠性；速度 一 负载特性；结构设计 中图分类号 T H1 3 7 ．5 1 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 50 40 0 6 4一o 4 Ve h i c l e Hy d r a u l i c Cy l i n d e r S t r u c t u r e De s i g n Ba s e d o n Re l i a b i l i t y LI U Mi n g s h e n g， ZHENG Pa n N e i j i a n g V o c a t i o n a l T e c h n i c al C o l l e g e o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，N e i j i a n g 6 4 1 1 0 0 ，C h i n a Ab s t r ac t As o n e o f t h e k e y p a r t s o f v e h i c l e h y d r a u l i c c y l i n d e r h y d r a u l i c s y s t e m，t h e o p e r a t i o n r e l i a b i l i t y d i r e c t l y i n f l u e n c e s t h e wo r ki n g p e r f o r ma n c e o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m i s g o o d o r b a d ．F r o m t h e p o i n t o f v i e w o f r e l i a b i l i t y d e s i g n o f h y d r a u l i c c y l i n d e r ，a n a l y z e s t he ma i n f a c t o r s t h a t i n flu e n c e t h e o p e r a t i o n r e l i a b i l i t y o f t h e v e h i c l e h y d r a u l i c c y l i n de r ， a n d t he c o mp o s i t i o n o f v e h i c l e h y d r a u l i c c y l i n d e r a r e i n t r o d u c e d b r i e fly i n t h e p a p e r ，t h e ma i n s t r u c t ur al p a r a me t e r s o f t he h y d r a u l i c c y l i n d e r f o r t h e d e s i g n a n d s t r e n g t h c h e c k． Ke y wo r d s h y d r a u l i c c y l i n d e r ；r e l i a b i l i t y；v e l o c i t y l o a d c h a r a c t e r i s t i c；s t r u c t u r e d e s i g n 0 前言 液压缸作为液压传动系统的执行元件，以液 压油为传递能量的介质 ，将液压能转变为机械 能 ，驱动机械元件做直线往复运动或回转运动。 在 同等输 出功率条 件下 ，液压 缸重量 轻 、惯 性 小 、集成度高且力矩大 ，方便过载保护设计 ，运 动系统能 自行润滑。 液压缸主要 由活塞 、活塞杆 、活塞导 向套及 端盖等部分组成。各零部件结构参数的合理性直 接影响液压缸整体运行性能。液压缸缸体强度、 刚度及工作稳定性决定了液压传动系统的工作性 能、可靠性及使用寿命。 液压 缸 的 结 构 设 计 缺 陷 将 导 致 液 压 缸 爆 裂 、扭 曲及断裂 ，造 成一 系列 的经 济损失 。 因 此，液压缸的结构分析与合理设计 ，对提高液 压传动系统工作性能具有重要意义 。基于上述 分析 ，本文对2 5 M P a 压力等级液压传动系统车 收稿 日 期 2 0 1 4 1 0 1 8 用液 压缸各 结构参 数进行 了计 算与校 核 ，满 足 了使用要求。 1 车载液压缸的典型结构 车载液压缸典型结构如图 1 所示 。由图可 知 ，其主要 由缸体组件、活塞组件、密封装置、 缓冲装置和排气装置等五部分组成。 1 ． 耳 环2 ． 螺母3 ． 防尘 圈4 、 1 7 ． 弹 簧 挡 圈5 ． 套 6 、1 5 ． 卡键 7 、1 4 ． 0 形 密封圈8 、1 2 ． Y形 密封圈 9 ． 缸盖兼导 向套1 O ． 缸筒l 1 ． 活塞1 3 ． 耐磨环1 6 ． 卡 键帽1 8 ． 活塞杆1 9 ． 衬套2 0 ． 缸底 图1 车载液压缸结构图 刘明生 等基亏运行可靠性的车载液压缸结构设计 研究与 2影响液压缸运行可靠性的因素分析 2 ． 1 液压缸的速度一 负载特性 由液压缸组成的液压 回路多种多样 ，下 面以 图 2 所示 的进油路节流调速 回路为例来分析液压 缸 的速度一 负载特性 。 图2 进油路节流调速回路 液压缸在稳定工作时 ，其受力平衡方程式为 P l A 1 F p 2 A 2 1 其中 p l液压缸进油腔压力； P 液压缸回油腔压力 ； F液压缸 的负载 ； A 、A 2 液压缸有效工作面积。 由于回油腔通油箱，P 视为零，则有 F P l 2 ‘ l 设液压泵的供油压力为 ，则节流阀进出 口 的压差为 F 卸 P ， 一 P l P ， 一 3 ‘‘l 由小孔流量公式知 ，流经节流阀进入 液压缸 的流量为 q 。 C A 一 4 ‘ l 其中c节流阀系数 ， 视为常数； A 节流阀过流截面积； 节流 阀指数 。 故液压缸的运动速度为 5 由式 5 可知 ，当 A 一定时 ，随着 负载 F 的增加 ，节流阀两端压差减小 ，活塞的运动速度 按抛物线规律下降 。通常负载变化对速度 的影响 程度用速度刚度 表示。则有 娑 一 6 一 J 由式 5 、式 6 可求得速度刚度为 2 T 1 ／ t1 一 卜 7 由此可见，当A 一定时，负载F 越小，速度 刚度越大；当负载F 一定时，A 越小，速度刚度 越大 ；适当增大 4 和 可提高速度刚度 1 。 2 ． 2缸体的强度参数的影响 液压缸的受力状态是相当复杂的，常因疲劳 破坏而发生失效 。目前 的强度分析主要根据弹性 强度理论 ，对于大型厚壁长行程液压缸的强度主 参数 ，主要体现在缸筒厚度的计算 ，其等效为等 厚度受均匀分布内压的厚壁圆筒液压缸体。如图 3 所示 。 P 一均匀分布的内压 ，D 。缸体内径 ，D 广缸体 外径 。 ， 径向正应力， 切向正应力。 图3 液压缸体受力状态图 液压缸缸筒分为薄壁 和厚壁两类 ．当缸筒壁 厚与缸 内径 比 。 ≤0 ． 1 时 ，为薄壁缸筒 ；当缸筒 壁厚与缸内径比 ， D O ． 1 时，为厚壁缸筒。壁厚计 算公式如下 1 薄壁型缸筒 n K p ND1 8 羽 ‘ 8 2 厚壁型缸筒 60 5 D ‘ ． 1 一 ．7 p 1 9 其中 缸筒壁厚 m m ； 、 研究与开发 [ 】 需要应力 M P a ，[ c r 】 ／ rt ； 缸筒材料抗拉强度 MP a ； ， t 安全系数 ，根据经验一般取 n 5 ； P 液压系统额定工作压力 MP a ； P液压缸试验压力 MP a ； K系数。 当 ≤1 6 MP a时 ， K1 ． 5 ， P1 ． Ⅳ； P 』 v 1 6 MP a 时 ，K1 ． 2 5 ， P1 ． 2 p Ⅳ。 3 缸筒壁厚的校核 因液压系统工作压力为2 5 M P a ，要求缸筒有 足够厚度 以防止液压缸发生形变或爆裂。为了保 证安全 ，液压 系统额定工作压力应低于一定极 限 值【 。 p ≤ 。 ． 3 5 O s D l2 - 一D 2 2 1 。 其中o - 缸筒材料屈服点 M P a ； D 缸筒外径 m m ； D厂缸筒内径 m m 。 为避免发生塑性形变 ，额定工作压力应与完 全形变压力有一定的比例范围 P Ⅳ ≤ o ． 3 5 - 0 ．4 2 p 1 1 其中 P 使缸筒发生完全塑性形变的压 力 MP a 。 n P ≤2 ． 3 o “ l g 1 2 2 缸筒的爆裂压力 应远远超过耐压试验压力 P ， 1 ． ，其计算公式为 2 g 爰 1 3 2 ． 3 活塞杆强度的影响 活塞 杆一般 都设计有螺纹 、退刀槽 等结构 ， 这些部位往往是活塞杆上的危险截面，为保证其 强度 ，还需按下式进行计算『 3 o r 一 1 ．8 鲁 ≤ 1 4 c 上2 其 中 活 塞 杆 拉 力 N ； d 危险截面直径 mm 。 2 ． 4 液压缸的动态主参数 液 压缸动态平 稳性 的 主参数 是固有频率的计算和校核 ，其值 的确 定 直 接 决 定 了负 载运 动 的 加 、减 速度 。通过对液压缸 系统 进行近似的线性系统分析建模 ，如图 4 所示 ，即 可按式 1 5 求出液压缸系统的固有频率【4 J 1 5 2 ． 5 缓冲装置的结构参数的影响 在实际的设计生产 中，要想保证缓冲结构能 够正常稳定地工作。就必须保证活塞杆和缸筒之 间有 良好的同轴度。要想保证这个同轴度，就必 须保证好活塞杆和缸筒分别与前后端盖 、活塞 的 间隙配合及各部件的形位公差。在实际的生产应 用过程 中，由于受到设计 、加工 、装配及使用 等 各种因素 的影响 ，这一同轴度很难得 到保证 ，这 就导致了液压缸在使用过程中常常出现问题。为 此 ，文献[ 5 ] 介绍了一种 比较实用的液压缸缓冲结 构浮动缓冲装置。该装置通过在缸头和缸底 两端分别设置缓冲装置来补偿在生产使用过程中 造成的偏心，同时受活塞杆和缸筒同轴度的影响 很小 ，且工作可靠 ，使用寿命长，缓冲效果好， 在设计制造过程中也很容易实现。 3车载液压缸结构参数设计 3 ． 1液压缸缸筒的设计与计算 设计液压缸缸筒时，应正确确定各部分的尺 寸 ，以保证液压缸有足够的输 出力 、运动速度和 有效行程 ，同时还必须具有一定 的强度 ，能足 以 承受液压力 、负载力和意外的冲击力嘲 。 1 液压缸工作压力的确定 液压缸工作压力的确定 ，应能满足液压设 备工作时对对动力提 出的要求 ，同时 ，能安 全 、可 靠 地 进 行 工 作 。本 设 计 采 用 类 比选 定 法 ，确定 车载液压 缸工作压力 P 为 2 5 MP a ，液 压缸承受的最大负载为5 0 k N，缸筒材料的许用 应力【 】 1 5 0 MP a 。 a 带阻尼的弹性力学振动模型 b 流体学模型 图4系统模型 刘明生 等基于运行可靠性的车载液压缸结构设计 2 液压缸内径D 。 和活塞杆直径d 的确定 液 压 缸 内 径 ／ √ 1 5 9 m m ， 查表经圆整得 D 1 6 0 mm。 对于车载液压缸一般速 比 取 1 ．4 6 ，故活塞 杆 直 径 d D f 1 6 0 f1．41．64 6- 1 8 9 ．8 m m ， 查表经圆整得 ，d 9 0 mm。 3 缸筒壁厚计算及校核 根据公式 9 计算得 0 5 D 。 E T e l 5 6 mm 5 ‰o 0 ． 3 5 0 一 ， 说明 选 用 厚 壁 公式 计算壁厚符合要求。考虑磨损 、腐蚀、寿命等因 素，圆整后取缸筒壁厚 6 0 m m。 3 ． 2 活塞杆强度校核 由于活塞杆稳定工作时只承受轴向载荷 ，因 此按强度条件进行校核 ≤【 0 r P ] 旦一 4 d ≥ √] 4 F “ 10 3 16 其 中， ，一液压缸活塞杆上的推力 k N ； [ 0-7 】 活塞 杆材 料 的许 用应 力 P a ， 0- p o- __ n _E s ； 活塞杆材料屈服强度 MP a ，活塞杆 材料一般选用合金钢，o - 3 9 0 M P a ，此处取n 5 。 故 d ≥√ 4 F - 1 ] 0 3 ≈ 9 mm 。 由前文计算知d 9 0 m m，可以满足使用要求。 3 ． 3螺纹联接强度校核 车载液压缸中有许多螺纹连接的结构 ，如缸 盖与缸筒 、活塞杆 与耳环联接 、活塞 与活塞杆联 接等，均采用了螺纹联接结构。螺纹强度校核公 式口 有 拉应力为 ； 剪切应力为 7 ． K K F d≈。 ．4 7 ； 合成应力为 √ 3 z 1 , 3 0 “； 故强度条件为 [ c r ] 其 中卜液压缸最大载荷 ； 卜螺纹预 紧系数 ，K I ． 5 ；k l 螺 纹升 角与摩擦角系数 ， 0 ． 1 2 ； d 、d 分别是螺纹外径和螺纹内径 ； 广螺栓个数 ，此处取 z 4 ，根据螺栓预紧 力表 ，初选为M1 2 ，强度等级为 1 0 ．9 级的主连接 螺栓 ； [ r 】 材料许用应力； 螺栓材料的屈服强度 ，螺栓材料选用 4 0Cr ， 9 0 0MPa ； n 安全系数 ，取 1 ． 5 。 1 螺纹连接处的拉应力 3 3 0 ． 5 9MP a。 2 螺纹连接处 的剪切应力 r 47 55 M 合成应力为 √ 3 1 ． 3 4 3 0 MP a [ o r 】 6 0 0 M P a 。 经 校核 ，4 个强 度等级为 1 0 ． 9 级 M1 2螺栓可 以满足使用要求 。 4结论 本文对影响车载液压缸运行可靠性的因素进 行 了分析 ，并对液压缸的主要结构参数进行 了计 算与校核 ，结果表 明，要保证车载液压缸运行的 可靠性 ，除了合理设计液压缸的结构参数外 ，还 必须通过建立复杂的数学模型，比较精确地计算 液压缸 正常工作时的固有频率。 参考文献 [ 1 ]刘忠伟． 液压与气压传动 [ M]． 北京化学工业出版 社 ．2 0 0 5 ． [ 2 ]刘晓明，叶玮． 液压缸结构特性设计与运行特性分析 [ J ]． 液压气动与密封，2 0 1 3 ，3 3 7 1 7 2 1 ． [ 3 ]臧 克江． 液压缸[ M]． 北 京 化 学 工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 4 ]张宏洲． 大型液压缸的强度和动态主参数的分析和研 究 [ J ]． 机械制造，2 0 1 3 ，5 1 6 9 - 1 1 ． [ 5 ]王娜，许亮． 一种实用型液压缸缓冲装置设计与分析 [ J ]． 机电信息，2 0 1 3 1 8 1 2 9 1 3 1 ． [ 6 ]张利平． 液压气动系统设计手册 [ M]． 北京机械工 业 出版 社 ， 1 9 9 7 ． [ 7 ]郝静如 ，米洁 ，李启光． 机械可靠性 工程 [ M]． 北 京 国防工业 出版社 。2 0 1 1 ． ，．、 第一作者简介刘明生，男，1 9 6 6 年生 ，重庆人 ，大学本 科，副教授。研究领域材料成型及控制工程，液压系统 节能设计 。已发表论文2 0 篇。 编辑 向飞