張德虎

(西南科技大學(xué)制造過程測試技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽 621010)

內(nèi)循環(huán)數(shù)字液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算

張德虎

(西南科技大學(xué)制造過程測試技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽 621010)

設(shè)計(jì)了一種一體化的內(nèi)循環(huán)數(shù)字液壓缸。通過設(shè)計(jì)與計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這種完全一體化的內(nèi)循環(huán)數(shù)字液壓缸具有一定的可行性，能在工業(yè)上推廣，給液壓傳動帶來了新的活力。

內(nèi)循環(huán)數(shù)字液壓缸;柱塞;活塞

液壓缸是一種液壓執(zhí)行元件，它能夠做直線往復(fù)運(yùn)動 (或擺動運(yùn)動)，能夠?qū)⒁簤耗苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。用液壓缸來實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運(yùn)動平穩(wěn)，因此在各種液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

隨著機(jī)電一體化技術(shù)的日益發(fā)展，數(shù)字技術(shù)在液壓缸的設(shè)計(jì)中也得到很大的應(yīng)用，并有逐步取代傳統(tǒng)模擬技術(shù)的趨勢。作者將液壓動力元件、執(zhí)行元件和控制元件進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合和集成，設(shè)計(jì)了一種完全一體化的內(nèi)循環(huán)數(shù)字液壓缸。此液壓缸把傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)需要的方向閥、流量閥、單向閥、溢流閥等多種液壓元件有機(jī)地融合在一個柱塞里。液壓缸活塞 (同時也為油泵)上均勻分布10個小柱塞，5個小柱塞使液壓缸向左做功 (A組)，5個使液壓缸向右做功(B組)。A、B兩組柱塞交替反向放置，構(gòu)成一個等行程、等速的雙作用缸，結(jié)構(gòu)如圖1所示，液壓缸的工作速度通過控制電磁鐵的通電頻率來控制。

圖1 內(nèi)循環(huán)數(shù)字液壓缸的結(jié)構(gòu)

1 液壓缸小柱塞的設(shè)計(jì)

如圖2所示，在脈沖電流的控制下，電磁鐵推動活塞向左運(yùn)動，1腔的體積變小，4腔的體積變大，同時3腔的液壓油通過單向閥被排到2腔，推動液壓缸向右運(yùn)動。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，保證3腔和4腔的體積同步變化，1腔的液壓油便可在電磁鐵做功的時候暫時存于4腔中，防止因液壓油壓縮而出現(xiàn)困油現(xiàn)象。做功完成后，在電磁鐵的彈簧力的作用下，活塞右移，4腔的油通過1腔、單向閥被吸回3腔，完成吸油過程。鍥型擋板的作用是當(dāng)A組柱塞工作時保證液壓缸1腔與2腔不能通過B組柱塞相通，如果沒有鍥型擋板，當(dāng)A組柱塞把液壓油排到2腔后，2腔的壓力增大，液壓油通過B組的單向閥、3腔、排油管被壓回液壓缸1腔，液壓缸不動作。

圖2 柱塞的工作原理

1.1 小柱塞的壁厚

鋼筒壁厚校核分薄壁和后壁兩種，當(dāng)D/δ≥10時為薄壁，因?yàn)楸诤瘭奈粗?，先假設(shè)此系統(tǒng)為薄壁，按以下公式進(jìn)行校核:

其中:D=8 mm(鋼筒直徑)，py為鋼筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的壓力pn≤15 MPa時，py=1.5 pn，通過計(jì)算pn=0.5 MPa;柱塞屬于低壓小尺寸的液壓缸，選用灰口鑄鐵，常用的為HT200，其抗拉強(qiáng)度σb=200 MPa，安全系數(shù)n=5，［σ］ =σb/n=40 MPa。所以δ≥0.037 5 mm，考慮到加工工藝問題，取δ=1 mm。

1.2 小柱塞的活塞桿

由于此液壓系統(tǒng)中壓力很小，不到0.5 MPa，所以活塞的直徑并沒按國標(biāo)中當(dāng)工作壓力小于5 MPa時取d=0.5D，小柱塞中的活塞桿直徑由電磁鐵推桿的直徑來決定。

考慮到所選用電磁鐵的推桿直徑為3 mm，以此做為柱塞活塞桿，進(jìn)行強(qiáng)度校核:

此值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼材的許用應(yīng)力 ［σ］ =250 MPa。可知其螺紋、退刀槽等危險(xiǎn)面強(qiáng)度也應(yīng)是足夠的。

1.3 小柱塞的活塞

活塞寬度B=(0.6～1.0)D，其中D=8 mm，取B=7 mm，上銷的凸臺厚度為3 mm，凸臺直徑d=6 mm，寬度H=5 mm。此處要打一個d=1 mm的排油孔。

柱塞內(nèi)活塞與活塞桿的錐銷連接，活塞桿直徑D=3 mm，銷的直徑大約為軸徑的0.2～0.3倍，取銷的直徑d=1 mm。銷的材料常用35鋼、45鋼，可取許用切應(yīng)力［σ］=80 MPa，受橫向力F作用時:

1.4 小柱塞油路設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)吸油管道流速推薦值為0.5～1.5 m/s，此處取v=1.2 m/s。通過計(jì)算柱塞內(nèi)吸油管道的最大流量為1.9 L/min，但平均流速比較小，此處取1.5 L/min計(jì)算流速。公式如下:

液壓系統(tǒng)排油管道流速推薦值為3～6 m/s，取4.5 m/s。柱塞內(nèi)吸油管道的最大流量為2.5 L/min，同樣平均值較小，取2 L/min計(jì)算流速。通過公式(3)、(4)計(jì)算可知排油管道直徑應(yīng)小于吸油管道，但考慮到油液的黏度和加工工藝以及單向閥的選購，排油管道直徑做成和吸油管道相同d=5 mm。

1.5 單向閥的設(shè)計(jì)

進(jìn)油口直徑d=5 mm，單向閥中球芯選用φ6.5 mm的鋼球，為保證單向閥推開后的進(jìn)油面積大于等于進(jìn)油口的面積對于吸油管道處，考慮管道中需要加工螺紋，選用M10×1，其小徑為φ8.917 mm。取管道內(nèi)徑d=8.9 mm;對于排油管道而言，5 mm的直徑是很充裕的，所以此處安裝單向閥的油路直徑取8 mm已足夠。單向閥的開啟壓力一般為0.03～0.05 MPa，由于此液壓缸的壓力只有0.5 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般液壓缸，取開啟壓力p=0.02 MPa。單向閥完全開啟時，要使單向閥的橫截面積大于吸油管道的面積，由圖3可知鋼球的位移大約為2.2 mm，可滿足要求。連接球芯的彈簧的剛度應(yīng)小于電磁鐵的彈簧的剛度0.6 N/mm。此處取K=0.3 N/mm。此時鋼球橫截面面積S=6.52π/4，推力 F=pS=0.66 N。

彈簧剛度計(jì)算公式為:

圖3 單向閥平面圖

其中:G為材料的彈性切變模量，選用不銹鋼絲，其G=71×103MPa;D為彈簧中徑，由于鋼球的直徑d=6.5 mm，取彈簧中徑D=6mm;由于彈簧的C與n都未知，暫取簧絲直徑d=0.5 mm，C=12，取n=4代入計(jì)算得K=0.73 N/mm，K值是需求值的兩倍，取簧絲直徑 d=0.4 mm，C=15，n=3.5，則此時K=0.3 N/mm。

柱塞中電磁鐵的直徑為φ25.5 mm，安裝單向閥處的孔直徑為φ8 mm，每處壁厚都為1 mm，所以柱塞的直徑為φ36.5 mm。具體分布結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 柱塞尺寸圖

2 液壓缸活塞的設(shè)計(jì)

活塞周圍需要均勻分布10個小柱塞，為減小活塞的直徑，活塞上的密封圈選用溝槽不深的O型密封圈?；钊叽缃Y(jié)構(gòu)分布如圖5所示。凸臺厚度6.5 mm，兩柱塞孔之間的最小距離為1.97 mm，柱塞孔到活塞邊緣的距離為4.5 mm，活塞直徑D=17 mm。所選用的密封圈需要的槽深為3.55 mm，活塞最薄處厚0.95 mm。

活塞寬度一般情況下應(yīng)滿足B=(0.6～1.0)D。由于活塞內(nèi)部分布著小柱塞，應(yīng)保證小柱塞為密封的。為保證小柱塞的密封效果，活塞兩旁應(yīng)加密封墊片和擋板。此擋板基本上不承受力的作用，對連接螺釘沒什么要求，選用開槽盤頭螺釘，型號為:GB/T 67 M5×16，其螺帽厚度為3 mm，數(shù)目為5個交替分布?；钊趯挾确较蛏系慕Y(jié)構(gòu)與尺寸分布如圖6所示。

圖5 活塞上柱塞分布圖

圖6 活塞尺寸結(jié)構(gòu)圖

小柱塞厚度已設(shè)計(jì)為l=130 mm，活塞寬度尺寸B=174 mm，滿足活塞寬度范圍要求。

3 液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算

液壓缸材料選用無縫鋼管，考慮到液壓缸內(nèi)壁加工后為d=170 mm，根據(jù)GBT-17359選用180×9的無縫鋼管，在內(nèi)壁上留了4 mm的加工余量。液壓缸在壓力的作用下會產(chǎn)生圓周方向上的膨脹彈性變形，增大活塞與缸筒之間的間隙，使密封效果降低。因而，需要核算缸筒的彈性變形，使彈性變形不超過公差允許范圍。選用鋼材，變形計(jì)算如下:

式中:μ為泊松比，取μ=0. 3;E為彈性模數(shù)，取E=206 GPa;壓力p=0.5 MPa=50 N/cm2，直徑D=170 cm;壁厚l=5 cm。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得ΔD=4.85×10－7cm，此值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于公差允許范圍，彈性變形強(qiáng)度足夠。經(jīng)過強(qiáng)度校核的缸筒一般不會發(fā)生塑形變形，此液壓缸的強(qiáng)度足夠。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對活塞的最大行程并無要求，設(shè)定液壓缸的長度為l=400 mm。

4 結(jié)論

文中液壓缸的設(shè)計(jì)不是針對要解決的實(shí)際負(fù)載，對液壓缸的最大行程、速度、負(fù)載、工作環(huán)境等方面都無要求，唯一的要求就是精度要達(dá)到0.02 mm。設(shè)計(jì)實(shí)物的目的是為了驗(yàn)證方案的可行性與實(shí)用價(jià)值，比較出實(shí)物液壓缸與軟件仿真的差距，做進(jìn)一步的改進(jìn)，進(jìn)而才是工業(yè)上的推廣。設(shè)計(jì)中很多參數(shù)的設(shè)定、材料的選擇是在保證液壓缸有足夠的強(qiáng)度、剛度、耐用性的基礎(chǔ)上以取材、加工方便為原則的。

通過對內(nèi)循環(huán)數(shù)字液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這種完全一體化的內(nèi)循環(huán)數(shù)字液壓缸具有一定的可行性。但是研究過程中也遇到一些很棘手的問題，如散熱問題、體積與相同推力的液壓缸相比較大等。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，將對內(nèi)循環(huán)液壓缸進(jìn)行改進(jìn)，如:選用特定的電磁鐵，提高電磁鐵的性能，從而減小液壓缸的體積。希望能把內(nèi)循環(huán)液壓缸設(shè)計(jì)得更成熟，能在工業(yè)上推廣，給液壓傳動帶來新的活力。

［1］張向英，朱建公.內(nèi)循環(huán)數(shù)字液壓缸的仿真研究［J］.機(jī)床與液壓，2007，35(7):159 －162.

［2］王守城，段俊勇.液壓元件及選用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］MA Yumin，F(xiàn)AN Liuqun，ZHU Zhihao，et al.Framework of Digital Machining Process Planning Platform for Cylinder Body Part［J］.Journal of Donghua University:English Edition，2007，24(5):627 －632.

［4］MURAKIMasayoshi，KINBARA Eiji，KONISHIToru.A Laboratory Simulation for Stick-slip Phenomena on the Hydraulic Cylinder of a Construction Machine［J］.Tribology International，2003，36(10):739 －744.

［5］李晉山.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中液壓缸配合公差選擇的理論依據(jù)［J］.液壓與氣動，2005(2):73－75.

［6］吳宗澤，羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊［M］.3版.北京:高等教育出版社，2005.

Design and Calculation of Digital Hydraulic Actuator with Inner Circulation

ZHANG Dehu
(Key Laboratory of Testing Technology for Manufacturing Process，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China)

A fully integrated digital hydraulic actuator with inner circulation was designed.Through design and calculation，it is found that the fully integrated digital hydraulic actuator has certain feasibility and can be promoted in industry.Itbrings new vitality to hydraulic transmission.

Digital hydraulic actuator with inner circulation;Plunger;Piston

TH137.5

B

1001－3881(2014)10－098－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.030

2013－04－26

四川省教育廳資助項(xiàng)目 (14zd1135)

張德虎 (1978—)，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化、流體力學(xué)及控制。E－mail:615_tiger@163.com。