劉明生，鄭攀（內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學院電氣工程系，四川內(nèi)江641100）

基于運行可靠性的車載液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉明生，鄭攀
（內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學院電氣工程系，四川內(nèi)江641100）

車載液壓缸作為液壓傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件之一，其動作可靠性直接影響液壓系統(tǒng)工作性能好壞。從液壓缸可靠性設(shè)計出發(fā)，分析了影響車載液壓缸運行可靠性的主要因素，并在簡要介紹車載液壓缸組成結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對液壓缸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了設(shè)計與強度校核。

液壓缸；可靠性；速度－負載特性；結(jié)構(gòu)設(shè)計

0　前言

液壓缸作為液壓傳動系統(tǒng)的執(zhí)行元件，以液壓油為傳遞能量的介質(zhì)，將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，驅(qū)動機械元件做直線往復(fù)運動或回轉(zhuǎn)運動。在同等輸出功率條件下，液壓缸重量輕、慣性小、集成度高且力矩大，方便過載保護設(shè)計，運動系統(tǒng)能自行潤滑。

液壓缸主要由活塞、活塞桿、活塞導(dǎo)向套及端蓋等部分組成。各零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性直接影響液壓缸整體運行性能。液壓缸缸體強度、剛度及工作穩(wěn)定性決定了液壓傳動系統(tǒng)的工作性能、可靠性及使用壽命。

液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷將導(dǎo)致液壓缸爆裂、扭曲及斷裂，造成一系列的經(jīng)濟損失。因此，液壓缸的結(jié)構(gòu)分析與合理設(shè)計，對提高液壓傳動系統(tǒng)工作性能具有重要意義?；谏鲜龇治觯疚膶?5MPa壓力等級液壓傳動系統(tǒng)車用液壓缸各結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了計算與校核，滿足了使用要求。

1　車載液壓缸的典型結(jié)構(gòu)

車載液壓缸典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖可知，其主要由缸體組件、活塞組件、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置等五部分組成。

圖1　車載液壓缸結(jié)構(gòu)圖

2　影響液壓缸運行可靠性的因素分析

2.1液壓缸的速度-負載特性

由液壓缸組成的液壓回路多種多樣，下面以圖2所示的進油路節(jié)流調(diào)速回路為例來分析液壓缸的速度-負載特性。

圖2　進油路節(jié)流調(diào)速回路

液壓缸在穩(wěn)定工作時，其受力平衡方程式為：

其中：p1——液壓缸進油腔壓力；

p2——液壓缸回油腔壓力；

F——液壓缸的負載；

A1、A2——液壓缸有效工作面積。

由于回油腔通油箱，p2視為零，則有：

設(shè)液壓泵的供油壓力為pp，則節(jié)流閥進出口的壓差為：

由小孔流量公式知，流經(jīng)節(jié)流閥進入液壓缸的流量為：

其中：C——節(jié)流閥系數(shù)，視為常數(shù)；

AT——節(jié)流閥過流截面積；

?——節(jié)流閥指數(shù)。

故液壓缸的運動速度為：

由式（5）可知，當AT一定時，隨著負載F的增加，節(jié)流閥兩端壓差減小，活塞的運動速度v按拋物線規(guī)律下降。通常負載變化對速度的影響程度用速度剛度Tv表示。則有：

由式（5）、式（6）可求得速度剛度為：

由此可見，當AT一定時，負載F越小，速度剛度越大；當負載F一定時，AT越小，速度剛度越大；適當增大A1和pp可提高速度剛度[1]。

2.2缸體的強度參數(shù)的影響

液壓缸的受力狀態(tài)是相當復(fù)雜的，常因疲勞破壞而發(fā)生失效。目前的強度分析主要根據(jù)彈性強度理論，對于大型厚壁長行程液壓缸的強度主參數(shù)，主要體現(xiàn)在缸筒厚度的計算，其等效為等厚度受均勻分布內(nèi)壓的厚壁圓筒液壓缸體。如圖3所示。

圖3　液壓缸體受力狀態(tài)圖

液壓缸缸筒分為薄壁和厚壁兩類．當缸筒壁厚與缸內(nèi)徑比δ∕D1≤0.1時，為薄壁缸筒；當缸筒壁厚與缸內(nèi)徑比δ∕D1>0.1時，為厚壁缸筒。壁厚計算公式如下：

（1）薄壁型缸筒：

（2）厚壁型缸筒：

其中δ——缸筒壁厚（mm）；

[σ]——需要應(yīng)力（MPa），[σ]=σb/n；

σb——缸筒材料抗拉強度（MPa）；

n——安全系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗一般取n=5；

pN——液壓系統(tǒng)額定工作壓力（MPa）；

p——液壓缸試驗壓力（MPa）；

K——系數(shù)。

當PN≤16 MPa時，K=1.5，p=1.5pN；pN>16MPa時，K=1.25，p=1.2 pN。

（3）缸筒壁厚的校核

因液壓系統(tǒng)工作壓力為25MPa，要求缸筒有足夠厚度以防止液壓缸發(fā)生形變或爆裂。為了保證安全，液壓系統(tǒng)額定工作壓力應(yīng)低于一定極限值[2]。

其中：σs——缸筒材料屈服點（MPa）；

D1——缸筒外徑（mm)；

D2——缸筒內(nèi)徑（mm）。

為避免發(fā)生塑性形變，額定工作壓力應(yīng)與完全形變壓力有一定的比例范圍：

其中：prL——使缸筒發(fā)生完全塑性形變的壓力（MPa）。

缸筒的爆裂壓力PE應(yīng)遠遠超過耐壓試驗壓力pr=1.5pN，其計算公式為：

2.3活塞桿強度的影響活塞

桿一般都設(shè)計有螺紋、退刀槽等結(jié)構(gòu)，這些部位往往是活塞桿上的危險截面，為保證其強度，還需按下式進行計算[3]：

其中：F2——活塞桿拉力（N）；

d2——危險截面直徑（mm）。

2.4液壓缸的動態(tài)主參數(shù)

液壓缸動態(tài)平穩(wěn)性的主參數(shù)是固有頻率的計算和校核，其值的確定直接決定了負載運動的加、減速度。通過對液壓缸系統(tǒng)進行近似的線性系統(tǒng)分析建模，如圖4所示，即可按式（15）求出液壓缸系統(tǒng)的固有頻率[4]：

2.5緩沖裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

在實際的設(shè)計生產(chǎn)中，要想保證緩沖結(jié)構(gòu)能夠正常穩(wěn)定地工作。就必須保證活塞桿和缸筒之間有良好的同軸度。要想保證這個同軸度，就必須保證好活塞桿和缸筒分別與前后端蓋、活塞的間隙配合及各部件的形位公差。在實際的生產(chǎn)應(yīng)用過程中，由于受到設(shè)計、加工、裝配及使用等各種因素的影響，這一同軸度很難得到保證，這就導(dǎo)致了液壓缸在使用過程中常常出現(xiàn)問題。為此，文獻[5]介紹了一種比較實用的液壓缸緩沖結(jié)構(gòu)——浮動緩沖裝置。該裝置通過在缸頭和缸底兩端分別設(shè)置緩沖裝置來補償在生產(chǎn)使用過程中造成的偏心，同時受活塞桿和缸筒同軸度的影響很小，且工作可靠，使用壽命長，緩沖效果好，在設(shè)計制造過程中也很容易實現(xiàn)。

3　車載液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

3.1液壓缸缸筒的設(shè)計與計算

設(shè)計液壓缸缸筒時，應(yīng)正確確定各部分的尺寸，以保證液壓缸有足夠的輸出力、運動速度和有效行程，同時還必須具有一定的強度，能足以承受液壓力、負載力和意外的沖擊力[6]。

（1）液壓缸工作壓力的確定

液壓缸工作壓力的確定，應(yīng)能滿足液壓設(shè)備工作時對對動力提出的要求，同時，能安全、可靠地進行工作。本設(shè)計采用類比選定法，確定車載液壓缸工作壓力pN為25MPa，液壓缸承受的最大負載為50 kN，缸筒材料的許用應(yīng)力[σ]=150MPa。

圖4　系統(tǒng)模型

（2）液壓缸內(nèi)徑D1和活塞桿直徑d的確定

（3）缸筒壁厚計算及校核

根據(jù)公式（9）計算得：

δ=0.5D1?=56mm，說明選用厚壁公式計算壁厚符合要求。考慮磨損、腐蝕、壽命等因素，圓整后取缸筒壁厚δ=60mm。

3.2活塞桿強度校核

由于活塞桿穩(wěn)定工作時只承受軸向載荷，因此按強度條件進行校核：

其中，F(xiàn)－液壓缸活塞桿上的推力（kN）；

[σp]——活塞桿材料的許用應(yīng)力（Pa），

σs——活塞桿材料屈服強度（MPa)，活塞桿材料一般選用合金鋼，σs=390MPa，此處取n=5。

由前文計算知d=90mm，可以滿足使用要求。

3.3螺紋聯(lián)接強度校核

車載液壓缸中有許多螺紋連接的結(jié)構(gòu)，如缸蓋與缸筒、活塞桿與耳環(huán)聯(lián)接、活塞與活塞桿聯(lián)接等，均采用了螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)。螺紋強度校核公式[7]有：

其中：F——液壓缸最大載荷；

K——螺紋預(yù)緊系數(shù)，K=1.5；k1——螺紋升角與摩擦角系數(shù)，K1=0.12;

d、d1——分別是螺紋外徑和螺紋內(nèi)徑；

z——螺栓個數(shù)，此處取z=4，根據(jù)螺栓預(yù)緊力表，初選為M12，強度等級為10.9級的主連接螺栓；

[σ]——材料許用應(yīng)力；

σs——螺栓材料的屈服強度，螺栓材料選用40Cr，σs=900MPa；

n——安全系數(shù)，取n=1.5。

經(jīng)校核，4個強度等級為10.9級M12螺栓可以滿足使用要求。

4　結(jié)論

本文對影響車載液壓缸運行可靠性的因素進行了分析，并對液壓缸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了計算與校核，結(jié)果表明，要保證車載液壓缸運行的可靠性，除了合理設(shè)計液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還必須通過建立復(fù)雜的數(shù)學模型，比較精確地計算液壓缸正常工作時的固有頻率。

［1］劉忠偉.液壓與氣壓傳動［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［2］劉曉明，葉瑋.液壓缸結(jié)構(gòu)特性設(shè)計與運行特性分析［J］.液壓氣動與密封，2013，33（7）：17-21.

［3］臧克江.液壓缸［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2009.

［4］張宏洲.大型液壓缸的強度和動態(tài)主參數(shù)的分析和研究［J］.機械制造，2013，51（6）：9-11.

［5］王娜，許亮.一種實用型液壓缸緩沖裝置設(shè)計與分析［J］.機電信息，2013（18）：129-131.

［6］張利平.液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1997.

［7］郝靜如，米潔，李啟光.機械可靠性工程［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011.

(編輯：向飛)

Vehicle Hydraulic Cylinder Structure Design Based on Reliability

LIUMing-sheng，ZHENGPan
（Neijiang Vocational&TechnicalCollegeof Electrical Engineering，Neijiang641100，China）

As one of the key parts of vehicle hydraulic cylinder hydraulic system，the operation reliability directly influences theworking performance of the hydraulic system is good or bad.From the point of view of reliability design of hydraulic cylinder，analyzes themain factors that influence the operation reliability of the vehicle hydraulic cylinder，and the composition of vehicle hydraulic cylinder are introduced briefly in the paper，themain structuralparametersof thehydraulic cylinder for the design and strength check.

hydraulic cylinder；reliability；velocity load characteristic；structure design

TH137.51

A

1009－9492(2015)04－0064－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.017

2014－10－18

劉明生，男，1966年生，重慶人，大學本科，副教授。研究領(lǐng)域：材料成型及控制工程，液壓系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計。已發(fā)表論文20篇。