牛瑞利

鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 河南省鄭州市 451150

液壓銑床是將傳統(tǒng)銑床的進給方式改為液壓傳動進給的方式[1]。小體積、低重量、結(jié)構(gòu)緊湊、易于實現(xiàn)自動化是液壓銑床的優(yōu)點；同時也能滿足無極調(diào)速、大范圍調(diào)速，可實現(xiàn)與電氣控制相結(jié)合，能夠完成復(fù)雜的運動和操作[2]。在銑床的工作過程中，工作臺固定在液壓缸上，液壓缸帶動工作臺實現(xiàn)工作要求。液壓缸是銑床液壓傳動系統(tǒng)的執(zhí)行元件，它將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，將液壓油的壓力和流量轉(zhuǎn)換成力與速度，完成銑床工作臺的工作要求。液壓缸的設(shè)計是整個液壓系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容之一[3]。在設(shè)計液壓缸時需要根據(jù)銑床的運動要求選擇液壓缸的類型；根據(jù)工作臺的結(jié)構(gòu)選擇液壓缸的安裝方式；對工作臺能承受的最大切削力、運動速度、行程等參數(shù)分析計算確定液壓缸的輸出力、速度、內(nèi)徑、活塞桿直徑、行程等性能參數(shù)和主要尺寸；最后按選定的工作壓力和材料進行液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 銑床工作臺工作要求分析

本文設(shè)計的液壓缸是中型銑床工作臺的液壓缸設(shè)計。銑床工作臺采用平面導(dǎo)軌，控制工作臺工作的液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)“啟動-快進-工進-快退-停止”的工作循環(huán)。工作臺最大承重7.84KN，切削力FQ=3kN；工進速度：V2=0.88m/min，快進、快退速度：V1=2.3m/min；最大行程400mm，工進行程150mm，快進行程250mm。按照銑床的往返直線運動與行程的要求，選擇單杠活塞式液壓缸。缸體按照切向底座的安裝方式固定在銑床床身上，活塞桿與工作臺采用螺紋連接固定在工作臺上。工作臺速度循環(huán)圖如圖1所示。

圖1 工作速度循環(huán)圖

液壓缸所受外載荷F主要由工作負載FW、慣性負載Fa、摩擦力Ff組成。平導(dǎo)軌的摩擦力fFf=f（G+FR），式中，G為運動部件的重力，F(xiàn)R為垂直于導(dǎo)軌的工作負載，此設(shè)計中為零。Ff為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為0.2，動摩擦系數(shù)為0.1，分別計算Ffx1靜摩擦力，F(xiàn)fx2動摩擦力，如式（1）。

慣性負載：

Fa=缸機械效率ηm=0.9，則銑床工作臺各循環(huán)階段外負載如表1所示，液壓缸負載循環(huán)圖如圖2所示。

2 初選液壓缸的工作壓力

由最大負載初選液壓缸的工作壓力為1MPa。為使液壓缸快進與快退速率相等，選用單出桿活塞缸差動連接的方式實現(xiàn)快進。設(shè)液壓缸兩有效面積為A1和A2，由結(jié)構(gòu)特性知：A1=2A2，那么可得d=0.707D。液壓缸回油腔背壓p2取0.6MPa用來防止鉆通時發(fā)生前沖現(xiàn)象，而液壓缸快退時背壓取0.5MPa。

表1 工作循環(huán)各階段的外負載

圖2 負載循環(huán)圖

3 液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸計算

由工進工況下液壓缸的平衡方程p1A1=p2A+F，可得無桿腔面A1=F/（p1-0.5p2）=60cm2，則液壓缸內(nèi)徑D=4A1/π0.5=8.74cm， 圓 整， 取 D=88mm， 由d=0.707D，對d圓整可得d=63mm。液壓缸的無桿腔、有桿腔的有效工作面積為A1=60.8cm2、A2=31.2cm2。工進時采用調(diào)速閥調(diào)速，其最小穩(wěn)定流量qmin=0.05L/min，由于最小工進速度vmin=0.88m/min，根據(jù)公式A≥qmin/vmin，經(jīng)驗算60.8cm2≥56.8cm2，滿足設(shè)計要求。按GB/T2348-1993，液壓缸內(nèi)徑尺寸系列選取液壓缸內(nèi)徑D=100mm，活塞桿直徑d=70mm。

按薄壁圓筒計算液壓缸的壁厚δ，計算公式如（2）

試驗壓力Pmax，一般取最大工 作 壓 力 的（1.25～1.5） 倍。 則Pmax=1.5*1.90MPa=2.85MPa；缸筒材料的許用應(yīng)力[δ]=δS/n，n為安全系數(shù)，取5。δS為材料抗拉強度，取100MPa；按（2）式計算，δ≥7.125mm。缸體的外徑D1≥D+2δ=114.25mm，在液壓傳動設(shè)計手冊中選取標準值D1=120mm。

本設(shè)計的液壓缸缸蓋為為平底缸，按強度要求進行計算有效的厚度t，按照（3）式初步計算得出無孔時厚度22mm，有孔時缸蓋厚度為35mm。最終數(shù)據(jù)確定按實際裝配以及加工難易程度確定。

L為液壓缸行程取400mm，D為缸內(nèi)徑100mm?；钊拈L度B=（0.6～1.0）D；缸蓋滑動支撐面的長度L；根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D而定。當D＞80mm時，取L=（0.6～1.0）d。為保證最小導(dǎo)向長度H，不宜過分增大L和B，可以在缸蓋和活塞之間添加一個隔套K來增加H的值。隔套的長度C由最小導(dǎo)向長度H決定，即：C=H-（L+B）/2所以按公式（4）得H=70mm?；钊麑挾菳=0.6D=60mm。

活塞的最大行程、活塞的長度、活塞桿導(dǎo)向套長度、活塞桿密封長度和其他特殊要求的額長度之和為液壓缸缸體長度。一般液壓缸缸體長度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20～30倍。本設(shè)計中缸體長度L=400mm+70mm=470mm。

4 液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計

液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有缸體組件、活塞組件、緩沖裝置、排氣裝置等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中按設(shè)計手冊推薦的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計標準進行設(shè)計，盡可能做到結(jié)構(gòu)簡單緊湊、加工維修方便[3]。要根據(jù)工作壓力、運動速度、工作條件、加工工藝及裝拆檢修等綜合考慮。由于工作條件、結(jié)構(gòu)形式的不同，設(shè)計時根據(jù)具體情況進行選擇。

缸體端部聯(lián)接形式主要有焊接、螺紋聯(lián)接、法蘭聯(lián)接、拉桿聯(lián)接、半環(huán)聯(lián)接、鋼絲聯(lián)接等，每種聯(lián)接的特點不同，適應(yīng)范圍不同?？紤]的工作壓力、加工成本、安裝維護、體積質(zhì)量等影響，綜合考慮選擇法蘭聯(lián)接，這種聯(lián)接方式結(jié)構(gòu)簡單，易加工，但徑向尺寸大，質(zhì)量大。其次也可考慮內(nèi)半環(huán)聯(lián)接，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小。拉桿連接結(jié)構(gòu)通用性好，缸體加工容易，裝卸方便?？紤]到壓力較小，未選用拉桿連接。

活塞與活塞桿的聯(lián)接主要有整體結(jié)構(gòu)、螺紋聯(lián)接、半環(huán)聯(lián)接等。經(jīng)過綜合分析，本設(shè)計中，考慮制造成本、結(jié)構(gòu)、便于拆卸等因素，選用螺紋聯(lián)接為活塞與活塞桿的聯(lián)接形式。由于在震動的過程中易松動，因此加了防松裝置。

活塞與缸體之間的密封結(jié)構(gòu)即要保障相對運動，又考考慮兩腔之間不漏油。考慮工作壓力大小及要求，選用間隙密封，活塞桿端部采用外螺紋，以便于工作臺聯(lián)接。采用普通導(dǎo)向套，這種導(dǎo)向套可利用壓力油潤滑，并使其處于密封狀態(tài)。

為了防止活塞運動到端點因慣性力與缸體產(chǎn)生碰撞，需要在液壓缸端部設(shè)置緩沖裝置。緩沖的方式主要有恒節(jié)流面積和變節(jié)流面積兩種?？紤]到液壓缸運動速度與緩沖腔壓力的關(guān)系選擇恒節(jié)流面積固定式緩沖裝置。最后為保障液壓缸運行平穩(wěn)，在液壓缸的端部設(shè)置設(shè)置兩個排氣塞。液壓缸設(shè)計完成后，可進行運動特性仿真實驗，以進行參數(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

5 結(jié)語

液壓缸設(shè)計是液壓系統(tǒng)設(shè)計的重要研究課題。正確合理地掌握液壓缸設(shè)計的方法、步驟，合理科學(xué)地利用設(shè)計手冊進行液壓缸設(shè)計是工程技術(shù)人員必備的技能。相關(guān)設(shè)計單位重點掌握液壓缸的主要設(shè)計環(huán)節(jié)，并不斷優(yōu)化創(chuàng)新，是研發(fā)新型液壓設(shè)備必備的額要求。