内循环数字液压缸的设计与计算.pdf

2 0 1 4年 5月 第 4 2卷 第 l O期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I C S Ma v 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 0 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 3 0 内循环数字液压缸的设计与计算 张德虎 西南科技 大学制造过程测试技术省部共建教育部重点 实验 室，四川绵阳 6 2 1 0 1 0 摘要设计了一种一体化的内循环数字液压缸。通过设计与计算 ，发现这种完全一体化的内循环数字液压缸具有一定 的可行性 ，能在工业上推广，给液压传动带来了新的活力。 关键词内循环数字液压缸；柱塞；活塞 中图分类号T H 1 3 7 ． 5 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 0 0 9 83 De s i g n a nd Ca l c u l a t i o n o f Di g i t a l Hyd r a uli c Ac t ua t o r、 t h I nne r Ci r c ul a t i o n ZHANG De h u K e y L a b o r a t o r y o f T e s t i n g T e c h n o l o g y f o r Ma n u f a c t u r i n g P r o c e s s ，S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， Mi a n y a n g S i c h u a n 6 2 1 0 1 0 ，C h i n a Ab s t r a c t A f u l l y i n t e g r a t e d d i g i t a l h y d r a u l i c a c t u a t o r wi t h i n n e r c i r c u l a t i o n wa s d e s i g n e d．T h r o u g h d e s i g n a n d c a l c u l a t i o n ，i t i s f o u n d t h a t t h e f u l l y i n t e g r a t e d d i gi t al h y d r a u l i c a c t u a t o r h a s c e r t a i n f e a s i b i l i t y a n d c a ll b e p r o mo t e d i n i n d u s t r y ．I t b r i n g s n e w v i t al i t y t o h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n ． Ke y wo r d s D i gi t al h y d r a u l i c a c t u a t o r w i t h i n n e r c i r c u l a t i o n ；P l u n g e r ；P i s t o n 液压缸是一种液压执行元件 ，它能够做直线往复 运动 或摆动 运动 ，能够 将液 压能 转变 为机 械 能 ， 其结构简单 、工作可靠 。用液压缸来实现往复运动 时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平 稳，因此在各种液压系统中得到广泛应用。 随着机电一体化技术的E t 益发展 ，数字技术在液 压缸的设计中也得到很大的应用 ，并有逐步取代传统 模拟技术 的趋 势。作 者将液 压动力 元件 、执行元 件和 控制元件进行有机的结合和集成，设计了一种完全一 体化的 内循环数字液压缸 。此液压缸把传统液压 系统 需要的方向阀、流量阀、单向阀、溢流阀等多种液压 元件有机地融合在一个柱塞里。液压缸活塞 同时 也为油泵上均匀分布 1 0个小柱塞，5个小柱塞使 液压缸向左做功 A组 ，5个使 液压 缸 向右做功 B组 。A、B两组柱塞交替反 向放置 ，构成一个等 行程 、等速的双作用缸 ，结构如 图 1 所示 ，液压缸的 图 1 内循环数字液压缸的结构 工作速度通过控制电磁铁的通电频率来控制。 1 液压缸小柱塞的设计 如 图 2所示 ，在脉冲电流的控制下 ，电磁铁 推动 活塞向左运动，1腔的体积变小 ，4腔的体积变大， 同时 3腔的液压油通过单向阀被排到2腔 ，推动液压 缸向右运动。在结构设计时，保证 3腔和 4腔的体积 同步变化 ，1 腔的液压油便可在电磁铁做功的时候暂 时存于 4腔中，防止因液压油压缩而出现困油现象。 做功完成后 ，在电磁铁 的弹簧力的作用下，活塞右 移 ，4腔的油通过 1 腔 、单 向阀被吸 回 3腔 ，完 成吸 油过程 。锲 型挡板 的作 用是 当 A组 柱 塞工 作 时保 证 液压缸 1 腔与 2腔不能通过 B组柱塞相通 ，如果没有 锲型挡板 ，当 A组柱塞把液压油排 到 2腔后 ，2腔 的 压力增 大 ，液压油通过 B组 的单 向阀 、3腔 、排油管 被压 回液压缸 1腔 ，液压缸不动作 。 液 压 缸 锲 型挡 板3 腔活 塞4 腔 单 向阀电磁 铁 图2 柱塞的工作原理 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 2 6 基金项目四川省教育厅资助项目 1 4 z d l 1 3 5 作者简介张德虎 1 9 7 8 一 ，硕士，助理研究员，研究方 向为机电一体化、流体力学及控制。Em a i l 6 1 5 一 t i g e r 1 63． c o m。 第 l 0期 张德虎内循环数字液压缸的设计与计算 9 9 1 ． 1 小柱塞 的壁厚 钢筒壁厚校核分薄壁和后壁两种 ，当 D ／ 8 ≥1 0 时为薄壁，因为壁厚 6未知 ，先假设此系统为薄壁， 按 以下公式进行校核 6≥p D ／ 2 X[ ] 1 其 中 D8 m m 钢简 直 径 ， P 为 钢筒 试 验压 力 ， 当缸的压力 P ≤1 5 MP a时，P 1 ． 5 P ，通过计算 P 0 ． 5 M P a ；柱塞属 于低 压小 尺寸 的液 压缸 ，选用 灰 口铸铁 ，常用的为 H T 2 0 0 ，其抗拉强度 o r 2 0 0 MP a ，安全系数 n 5 ，[ ] c r b ／ n 4 0 MP a 。所以8 ≥0 ． 0 3 7 5 m m，考虑到加工工艺 问题 ，取 1 m m。 1 ． 2小柱塞的活塞杆 由于此液压系统 中压力很 小 ，不到 0 ． 5 M P a ，所 以活塞的直径并没按国标中当工作压力小于5 MP a时 取 d 0 ． 5 D，小柱塞 中的活塞杆直径 由电磁铁推杆 的 直径来决定 。 考虑到所选用 电磁铁 的推杆 直径为 3 m m，以此 做为柱塞活塞杆 ，进行强度校核 F 3 6 N 51 0 N／ c m 5 ． 1 MP a 子 d “IT 0 ． 3 2 此值远远小于钢材的许用应力 [ ] ． 2 5 0 MP a 。 可知其螺纹、退刀槽等危险面强度也应是足够的。 1 ． 3 小柱 塞 的活塞 活塞宽度 B 0 ． 6～1 ． 0 D，其 中 D8 m m， 取 B 7 m m，上销 的凸台厚度为 3 m m，凸台直径 d 6 m m，宽度 H 5 m m。此 处要打一 个 d1 m m 的 排 油孔 。 柱塞内活塞与活塞杆 的锥销连接，活塞杆直径 D 3 I n to，销的直径大约为轴径的0 ． 2～ 0 ． 3 倍 ，取销 的直径 d 1 m i ll 。销的材料常用 3 5 钢、4 5钢，可取许 用切应力[ ] 8 0 MP a ，受横向力 F作用时 4 ， ≤ l j 其中 4 F 5 0 MP a8 0 M P a ，满足 强度 要 求 。 1 ． 4小柱塞 油路设 计 液压系统吸油管道流速推荐值为 0 ． 51 ． 5 m ／ s ， 此处取 1 ． 2 m ／ s 。通过计算柱塞内吸油管道的最大 流量为 1 ． 9 L ／ ra i n ，但平均流速比较小 ，此处取 1 ． 5 L ／ ra i n计算流速。公式如下 Sq ／ v 3 d ． 1 T 5 ． 1 m m 4 吸油管的直径取 d 5 m m。 液压系统排油管道流速推荐值为 3～ 6 m ／ s ，取 4 ． 5 m ／ s 。柱塞 内吸油管 道 的最 大 流量 为 2 ． 5 L ／ ra i n ， 同样平均值较小，取 2 L ／ ra i n计算流速。通过公式 3 、 4 计算可知排油管道直径应小于吸油管道， ‘ 但考虑到油液的黏度和加工工艺 以及单向阀的选购， 排油管道直径做成和吸油管道相同d 5 m m。 1 ． 5单向阀的设计 进油口直径 d 5 m m，单向阀中球芯选用 ． 5 m m的钢球，为保证单向阀推开后的进油面积大于等 于进油 口的面积，d ． ≥ ／ 5 6 ． 5 8 ． 2 。对于吸油 管道处，考虑管道 中需要加工螺纹 ，选用 M1 01 ， 其小径为 4 , 8 ． 9 1 7 m m。取管道内径 d 8 ． 9 m m；对于 排油管道而言 ，5 m m的直径 是很 充裕 的 ，所 以此 处 安装单 向阀的油路直径取 8 m m 已足 够。单 向阀的开 启庄力一般为 0 ． 0 3～0 ． 0 5 M P a ，由于此液压缸的压 力只有 0 ． 5 M P a ，远远小于一般液压缸，取开启压力 P 0 ． 0 2 M P a 。单向阀完全开启时，要使单向阀的横 截 面积 大于吸油管道 的面 积，由图3可知钢球的位 移大约为 2 ． 2 m m，可满 足要求。连接球芯的弹簧 的刚度应小于 电磁铁 的弹 簧 的 刚度 0 ． 6 N ／ ra m。此 处 取 K 0 ． 3 N ／ ra m。此 时 钢 球 横 截 面 面 积 S 6 ． 5 2 耵／ 4 ，推 力 Fp S 0 ． 6 6 N。 弹簧刚度计算公式为 D 8 n 8 c ‘ ． n 图3 单向阀平面图 5 其中G为材料的弹性切变模量，选用不锈钢丝，其 G 7 1 X 1 0 M P a ；D 为 弹簧 中 径 ，由于 钢球 的直 径 d 6 ． 5 m m，取弹簧中径 D 6 ra m；由于弹簧的 C与 n 都未 知 ，暂 取簧丝 直径 d 0 ． 5 m m，C1 2 ，取 n 4代入计算得 K 0 ． 7 3 N ／ m m，K值是需求值的丽倍 ， 取簧丝直径 d0 ． 4 m m，C1 5 ，n 3 ． 5 ，则此时 K 0 ． 3 N／ram 。 柱塞中电磁铁的直径为 4 , 2 5 ． 5 m m，安装单向阀 处的孔直径为 4 , 8 m m，每处壁厚都为 1 m m，所以柱 塞的直径为 4 , 3 6 ． 5 m m。具体分布结构见图4 。 1 0 0 机床与液压 第 4 2卷 图 4 柱塞尺寸图 2 液压缸活塞的设计 对于液压缸的设计 ，没有强度校核 ，就是结构和 尺寸的确定 。活塞 的结 构与其 密封形式有关 ，密封形 式可根据液压缸的不同作用和工作压力来选择 。由于 文 中研究 的液压缸并无特殊要求 ，选用应用最广泛 的 密封圈密封方式。活塞与活塞杆的连接最常用的有螺 纹连接和半环连接形式 ，除此之外还有整体式结构、 焊接式结构、锥销式结构等。但螺纹连接和半环连接 形式多适用于单作用缸。而此液压缸 由于是内循环 的，液压油始终在液压缸内，只是在 A、B两腔内交 换 ，所 以为双作用缸 。锥销式连接 加工容 易 ，装 配简 单 ，但 承载能 力小 ，在轻 载情 况 下 可采 用锥 销 式 连 接 。此 液压缸 推力较 小 ，活塞与活塞杆之间采用锥销 连接 。为此需要在活塞上加一个 凸台来安放锥销 。销 的直径大约 为轴径 的 0 ． 2～0 ． 3 倍 ，液压 缸 的活塞 杆 D 7 5 m m，取销 的直径 d 1 5 m m，Z 9 0 m m 凸台 直径 d 8 8 m m，销 长了的部分应 切除 。销的材料常 用 3 5钢 、4 5钢 ，可 取 许 用切 应 力 [ ] 8 O MP a ， F 受横向力 F作用时， ≤ [ ] ，其中 1 T 口 5 6 MP a8 o MP a 6 ,r r d ‘ 啊 l 5 。 销满足强度要求 。 活塞周 围需要 均匀分 布 1 0个小 柱塞 ，为减 小活 塞的直径 ，活塞 上 的密封 圈选 用沟 槽不 深 的 0型密 封圈 。活塞尺寸结构分布 如图 5所 示。凸 台厚 度 6 ． 5 m m，两柱塞 孔之 间 的最小 距离 为 1 ． 9 7 m m，柱 塞孔 到活塞边缘的距离为 4 ． 5 m m，活塞直径 D1 7 m m。 所选用的密封圈需要的槽深为 3 ． 5 5 m m，活塞最薄处 厚 0 ． 9 5 m m。 活塞 宽度一 般 情 况 下 应 满 足 B 0 ． 6～1 ． 0 D。由于活塞 内部分布着小柱塞 ，应保证小柱塞为 密封的。为保证小柱塞的密封效果 ，活塞两旁应加 密封垫片和挡板。此挡板基本上不承受力 的作用 ， 对连接螺钉没什么要求 ，选用开槽盘头螺钉 ，型号 为 G B ／ T 6 7 M 5 1 6 ，其螺帽厚度 为 3 m m，数 目 为 5个交替分布。活塞在宽度方 向上的结构与尺寸 分布如 图 6所示 。 图5 活塞上柱塞分布图 ． 图 6 活塞尺寸结构 图 小柱塞厚度 已设计 为 Z 1 3 0 m m，活塞宽 度尺寸 B1 7 4 m m，满足活塞宽度范围要求。 3 液压缸的设计与计算 液压缸材料 选用无 缝钢管 ，考虑到液压缸 内壁 加 工后为 d1 7 0 m m，根 据 G B T - 1 7 3 5 9选用 1 8 09的 无缝钢管，在内壁上留了4 m m的加工余量。液压缸 在压力的作用下会产生圆周方 向上的膨胀 弹性变形 ， 增大活塞与缸筒之间的间隙，使密封效果降低。因 而 ，需要核算缸筒 的弹性变形 ，使 弹性变形不超过公 差允许范 围。选用钢材 ，变形计 算如下 n n2 △ D 2一 肛 c m 7 ‘ tf 式 中 为泊 松 比 ，取 0 ． 3 ；E为 弹性 模 数 ，取 E 2 0 6 G P a ；压 力P 0 ． 5 M P a 5 0 N ／ c m ，直径 D 1 7 0 c m；壁厚 Z 5 c m。 代人数据计算得 A D 4 ． 8 51 0～a m，此值远远 小于公差允许范围，弹性变形强度足够。经过强度校 核 的缸筒 一般不 会发生塑形变形 ，此液压缸 的强度足 够。此系统设计中对活塞的最大行程并无要求 ，设定 液压缸的长度为 f 4 0 0 m m。 4结论 文中液压缸的设计不是针对要解决的实际负载 ， 下转第 1 4 3页 第 1 0期 肖文颖 等变速器电液系统分析及颤振电流控制 1 4 3 辫 鍪 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 00 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 l 0 0 0 电流／ m A 电湔 mA a 无 颤振 电流 b 有 颤振 电流 图 9 颤振电流对滞环效应的影响 7结论 1 从电液系统的结构角度 ，建立了液压系统 及电磁阀的动力学模型，并通过仿真得到了电液系统 的压力 电流特性曲线 。 2 分析 了电磁 阀的低端 恒流 控制 及颤 振 电流 控制原 理 ，并通过实验获得 了颤振 电流特性 。 3 通过有无颤振电流的离合器压力滞环实验， 验证了颤振电流对减小滞环效应的作用 ，可以提高离 合器压力控制精度。 参考文献 [ 1 ]冯能莲， 郑慕侨 ， 马彪． 车辆液力机械传动系统换挡过程 动态特性仿真[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 1 5 1 51 9 ． [ 2 ]王娟， 趁慧岩， 陶刚， 等， 液力机械 自动变速器换挡品质 控制方法[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 8 2 5 5 6 0 ． [ 3 ]宋勇． 电子控制 自动变速器液压系统设计[ D] ． 长沙 湖 南大学， 2 0 0 7 4 5 4 2 ． [ 4 ]D E V O S G L E N W， H E L T O N D a v i d E ． M i g r a t i o n o f P o w e r t r a i n E l e c t r o n i c s t o O n E n g i n e a n d O n T r a n s m i s s i o n [ R] ． E l e c t r o n i c T r a n s mi s s i o n C o n t r 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一步的改 进 ，进而才是工业上的推广。设计中很多参数的设 定 、材料 的选择 是 在保证 液 压缸 有足 够 的强 度 、刚 度 、耐用性 的基础上 以取材 、加工方便为原则的。 通过对内循环数字液压缸的设计与计算，发现这 种完全一体化的内循环数字液压缸具有一定的可行 性 。但是研究过程 中也遇到一 些很棘 手的问题 ，如散 热 问题 、体积与相 同推力的液压缸相 比较大等。在后 续 的设计 中 ，将对 内循环液压缸进行改进 ，如 选 用 特定 的电磁铁 ，提高 电磁铁 的性能 ，从而减小液压缸 的体 积。希望能把 内循环液压缸设计得更成熟 ，能在 工业上推广 ，给液压传动带来新的活力。 参考文献 [ 1 ]张向英 ， 朱建公． 内循环数字液压缸 的仿真研究[ J ] ． 机 床与液压 ， 2 0 0 7， 3 5 7 1 5 91 6 2 ． [ 2 ]王守城 ， 段俊勇． 液压元件及选用[ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ]MA Y u mi n ， F A N L i u q u n ， Z HU Z h i h a o ， e t a 1 ． F r a me w o r k o f Di g i t al Ma c hi ni n g P r o c e s s P l a n n i n g P l a t f or m f o r Cyl i nd e r B o d y P a r t [ J ] ． J o u rnal o f D o n g h u a U n i v e r s i t y E n g l i s h E d i t i o n ， 2 0 0 7 ， 2 4 5 6 2 7 6 3 2 ． [ 4 ] MU R A K I Ma s a y o s h i ， K I N B A R A E i j i ， K O N I S H I T o r u ． A L a bo r a t o r y Si mul a t i o n for S t i c k--s l i p Ph e n o me na o n t h e Hy - d r a u l i c C y l i n d e r o f a C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e I J I ． 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