四柱萬能液壓機(jī)主缸設(shè)計(jì)探討

劉偉

[摘要]四柱萬能液壓機(jī)是用液體作為介質(zhì)傳遞能量的鍛壓機(jī)器，廣泛適用于可塑性材料的壓制工藝。本文分析了四柱萬能液壓機(jī)主缸設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。

[關(guān)鍵詞]四柱萬能液壓機(jī) 主缸 設(shè)計(jì)

四柱液壓機(jī)一般由機(jī)身、主缸、頂出缸、油箱、液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)及電控裝置等組成，用液壓管道及電線等連接。四柱萬能液壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)活動(dòng)橫梁的空程快速下降、減速下降、工作壓制、保壓延時(shí)、快速回程及停止等動(dòng)作，其工作壓力，壓制速度，空程下降的行程范圍及減速的行程范圍均可以根據(jù)工藝要求進(jìn)行調(diào)整。該液壓機(jī)包含了主缸和頂出缸兩個(gè)液壓缸。主缸的作用在于高壓液體進(jìn)入主缸后，作用活塞上，經(jīng)過活動(dòng)橫梁將力傳給工件，使工件產(chǎn)生塑性變形。主缸是液壓機(jī)的主要部件之一。頂出缸主要用于工件的浮動(dòng)壓邊和頂出。

該液壓機(jī)主缸采用活塞式結(jié)構(gòu)，為單活塞桿式雙作用液壓缸，主要由缸體、活塞、導(dǎo)向套等組成。缸筒與缸底焊接成一體。缸體的上端設(shè)有兩個(gè)進(jìn)油孔，側(cè)壁安有一個(gè)進(jìn)有孔，分別為液壓機(jī)空載下行和工作行程和回程時(shí)提高油壓。缸體與上橫梁用法蘭固定，用緊鎖螺母5鎖緊。法蘭與缸筒的連接形式通常有整體、焊接、螺紋等連接形式，該液壓缸選用整體形式。但液壓機(jī)空載下行或工作時(shí)，高壓液體進(jìn)入缸內(nèi)，為防止缸筒向下或向上移動(dòng)，可通過法蘭與上橫梁的接觸面將反作用力傳給法蘭，迫使缸筒固定在原位置?；钊麨榻M裝件，由活塞桿6和活塞頭4組成，由螺釘固緊。活塞桿由導(dǎo)向套7導(dǎo)向。缸內(nèi)兩腔間的密封靠活塞內(nèi)孔與活塞桿配合處的密封圈以及反方向安裝在活塞外緣上的密封圈來保證。為防止油液外泄，導(dǎo)向套7的外緣安裝有密封圈，內(nèi)孔由密封圈和擋圈進(jìn)行密封。活塞桿可通過螺紋連接與動(dòng)橫梁連接。

一、主缸主要零部件的結(jié)構(gòu)和材料

（一）缸筒

該液壓缸需要固定在上橫梁上，所以如前面所述，在缸筒上設(shè)計(jì)有法蘭，通過法蘭固定。缸筒的材料常用35號，45號無縫鋼。在承受負(fù)荷很大的情況下，也可以采用高強(qiáng)度合金無縫鋼管作缸筒。該液壓缸采用45號鋼，并調(diào)質(zhì)到HB241～285，以改善其加工性能和強(qiáng)度。

（二）活塞和活塞桿

活塞與活塞桿的結(jié)構(gòu)主要包括活塞與活塞桿的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿端部的連接結(jié)構(gòu)、活塞與活塞桿及缸筒的密封結(jié)構(gòu)等。

（1）活塞與活塞桿的連接結(jié)構(gòu)。活塞與活塞桿的連接結(jié)構(gòu)可分為整體式和裝配式。裝配式又有螺紋連接、半環(huán)連接、彈簧擋圈連接和推銷連接等類型。液壓缸在一般工作條件下，活塞與活塞桿采用螺紋連接，其結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便。該液壓缸采用的螺釘連接，為了防止工作機(jī)械振動(dòng)較大時(shí)螺釘松動(dòng)，在螺釘上還裝有一螺母。

（2）活塞桿的主體結(jié)構(gòu)和端部連接結(jié)構(gòu)。活塞桿主體有實(shí)心和空心兩種。一般情況下多采用實(shí)心桿；為了減輕大型液壓缸的重量或桿固定而缸筒帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)等情況，則采用空心桿。該主缸采用實(shí)心桿?；钊麠U端部與工作機(jī)械的連接結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同的使用要求來定。主要有焊接式單耳環(huán)、整體式單耳環(huán)、光滑端部、雙耳環(huán)、球頭、外螺紋連接、內(nèi)螺紋連接等形式。該主缸采用外螺紋連接形式，并通過壓環(huán)與活動(dòng)橫梁固接。

（3）活塞和活塞杼的材料?；钊牟牧贤ǔ２捎娩摚湍ヨT鐵，灰鐵HT15-33，HT20-40和鋁合金等。實(shí)心活塞桿的材料通常為35號，45號鋼，活塞桿粗加工后要調(diào)質(zhì)到硬度229～285HB，必要時(shí)再經(jīng)高頻淬火，硬度達(dá)到45-55HRC。

（三）導(dǎo)套及密封圈的選用

（1）導(dǎo)套。導(dǎo)套在活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)中起導(dǎo)向作用。該導(dǎo)套為軸套式，材料選用抗壓耐磨的ZQSn6-6-3青銅鑄造。導(dǎo)套的長度可查相關(guān)手冊，原機(jī)械部已擬定了柱塞式液壓缸的導(dǎo)套標(biāo)準(zhǔn)JB2003-76。導(dǎo)套過短將使缸因配合間隙引起的初始撓度增大，影響缸的工作性能和穩(wěn)定性。因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證缸有一定的最小導(dǎo)向長度。

（2）密封圈。密封件的作用是用來防止高壓液體的泄露。它是易損件，如質(zhì)量不好，會(huì)嚴(yán)重影響液壓機(jī)的正常工作。因此要求密封件密封性好，能隨液體壓力增高而提高其密封性能，摩擦阻力小、磨損小、壽命長、使用維護(hù)簡單、易拆換、成本低、容易制造。在選擇密封件的材料時(shí)，要求在一定范圍內(nèi)有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，不溶于工作介質(zhì)，與金屬材料接觸時(shí)不相互作用（如腐蝕、粘著等），不軟化或硬化，彈性好，永久變形小，有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度，耐磨性好，摩擦系數(shù)小，易壓制成型等。

密封圈的材料通常選用聚胺酯橡膠，在各種液壓缸中應(yīng)用較為廣泛。密封圈有V型、u型、Y型、O型等型式。液壓機(jī)的密封可分為相對運(yùn)動(dòng)件表面之間的動(dòng)密封和固定件表面之間的靜密封。活塞內(nèi)孔與活塞桿配合處的密封圈選用O型，活塞頭外緣上的密封圈選用Yx型，導(dǎo)向套7的外緣安裝O型密封圈，其內(nèi)孔的密封圈選用Yx型。

二、主缸基本參數(shù)

（一）工作負(fù)載和工作壓力

液壓機(jī)的工作負(fù)載是指工作機(jī)構(gòu)在滿負(fù)荷的情況下，以一定的加速度起動(dòng)時(shí)，對液壓缸產(chǎn)生的總阻力。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該液壓缸的工作負(fù)載為2500kN。液壓缸的工作壓力是指作用在活塞上克服最大工作負(fù)載所需的液體壓力。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，液壓缸工作壓力可選用25MPa。

（二）工作速度和速比

液壓缸的工作速度與供液流量和活塞的有效作用面積相關(guān)?？筛鶕?jù)選定的液壓泵流量、液壓缸缸筒內(nèi)徑和活塞稈直徑來確定。

液壓缸的速比與缸筒內(nèi)徑和活塞桿直徑有關(guān)。速比一般不宜過大，否則無桿腔回液流速過高而形成很大的背壓。但也不宜過小，否則活塞稈直徑相對于缸筒內(nèi)徑太細(xì)，穩(wěn)定性差。

該主缸工作壓力為25Mpa，所以選等于2。

（三）缸筒內(nèi)徑和活塞桿直徑

缸筒內(nèi)徑按GB2348-80規(guī)定的液壓缸筒內(nèi)徑尺寸系列圓整得D=40rm；活塞桿直徑按GB2348-80規(guī)定的活塞桿直徑系列尺寸圓整d=32mm。

（四）最大工作行程和最小導(dǎo)向長度

最大工作行程是指活動(dòng)橫梁位于上限位置時(shí)，活動(dòng)橫梁的立柱導(dǎo)套下表面到立柱限程套上平面的距離。前面已選出，s=710mm。

主缸的最小導(dǎo)向長度是指活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離。

（五）缸筒壁厚和外徑

缸筒相當(dāng)于一個(gè)兩端封閉的圓筒形受壓容器，由材料力學(xué)知，其應(yīng)力狀態(tài)是隨著缸筒內(nèi)徑和壁厚的比值D/的改變而變化的。因此在計(jì)算缸壁的合成應(yīng)力和厚度時(shí)，必須考慮不同的比值D/和材質(zhì)。