模壓波形鋼腹板的大噸位液壓機(jī)設(shè)計(jì)研究

張成凱

（中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710119）

1 工程概況

包茂（G65）高速公路上修建的昭君黃河特大橋，屬于包頭至東勝段改擴(kuò)建工程的范疇，施工區(qū)域?yàn)榘^與鄂爾多斯交界處。黃河特大橋主橋及南北跨堤橋上部結(jié)構(gòu)均采用1600型（BCSW1600/Q355D）標(biāo)準(zhǔn)波形鋼腹板，其水平折疊角度設(shè)置為30.7°，水平面寬度、波高和波長(zhǎng)分別設(shè)置為0.4m、0.2mhe1.6m,彎折半徑設(shè)置為15t。波形鋼腹板標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)如圖1。

圖1 波形鋼腹板標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)（單位：mm）

本文對(duì)自由鍛造液壓機(jī)進(jìn)行了全面的論述，主缸的最大負(fù)荷設(shè)置為15000kN，液壓機(jī)的構(gòu)成成分有工作臺(tái)、滑塊、工作缸、上下橫梁和回程缸等。本文對(duì)液壓機(jī)的本體設(shè)計(jì)信息做出了全面的剖析，以給定的參數(shù)為依據(jù)，積極地開展了計(jì)算工作，為總體設(shè)計(jì)方案的制定提供了可靠的信息依據(jù)。受液壓機(jī)自身公稱壓力較大的影響，最終決定使用柱塞缸充當(dāng)工作缸。

2 設(shè)計(jì)步驟

2.1 液壓缸的結(jié)構(gòu)型式

（1）對(duì)于水壓機(jī)來說，柱塞式液壓缸的使用范圍最廣泛，在工作缸、回程缸和平衡缸等結(jié)構(gòu)中得到了普遍的使用，主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為制造方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)體現(xiàn)為只能完成單方向的作用，反向運(yùn)動(dòng)需要借助回程缸來實(shí)現(xiàn)。

（2）對(duì)于中小型的液壓機(jī)來說，活塞式液壓缸的使用頻率最高，不但能夠使工作行程得到最大程度的滿足，還能使回程得以快速地實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化升級(jí)了液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)，活塞運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)方向要保持密封的狀態(tài)，缸的內(nèi)表面加工精度標(biāo)準(zhǔn)非常高，部件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也很大。

（3）差動(dòng)柱塞式液壓缸結(jié)構(gòu)增加了一處密封，具有超強(qiáng)的承受偏心荷載和導(dǎo)向的作用，橫梁是主要的安裝位置，能夠與活動(dòng)橫梁實(shí)現(xiàn)緊密的連接。

①計(jì)算液壓缸內(nèi)徑。

柱塞的直徑計(jì)算公式：

式中，選定的液體工作壓力設(shè)置為p，單位為Pa；Dt的單位為cm。

液壓缸的內(nèi)徑D1為

式中，在直徑上，柱塞與缸內(nèi)壁的間隙值設(shè)置為Δt，以缸的長(zhǎng)短和大小為依據(jù)來選擇鍛造液壓缸，鑄鋼液壓缸設(shè)置為20～30；鍛造液壓缸設(shè)置為0～15mm。缸的內(nèi)半徑設(shè)置為r1，單位為cm。

在選擇材料時(shí)，要以液壓p為依據(jù)，液壓缸的材料以35號(hào)鋼為主，安全系數(shù)設(shè)置為2.3，應(yīng)力允許值為[]σ=137MaP。

②液壓缸外徑計(jì)算。

③筒壁部分。

全面分析總體受力情況后發(fā)現(xiàn)，液壓缸是厚壁高壓容器中的一種形式。在高壓液體作用下，會(huì)有部分反作用力作用于缸底上，這些作用力借助缸壁快速的傳輸?shù)椒ㄌm上，借助法蘭支撐與橫梁上的支撐反作用力實(shí)現(xiàn)平衡。根據(jù)受力情況，液壓缸主要包括三個(gè)部分，分別是缸底、法蘭和中間厚壁圓筒，在使用理論分析和應(yīng)力測(cè)試等措施后，能夠使用厚壁圓筒公式來計(jì)算強(qiáng)度的位置，為與法蘭支撐表面距離為1.5r2的缸筒中段。在缸底部分和法蘭部分彎曲力矩的影響下，使用厚壁圓筒計(jì)算法無法獲得精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息。在簡(jiǎn)化缸底支承液壓缸的受力情況后，使用厚壁圓筒公式完成相關(guān)的計(jì)算工作。

④缸底部分。

在分析液壓機(jī)的資料里，平底缸與受平均荷載影響且四周剛性比較固定的中心有孔圓板的分析原理一致，最大彎曲應(yīng)力出現(xiàn)的常見位置為圓板周邊位置處，缸底進(jìn)液孔的半徑位置為ra。液壓缸上油孔直徑尺寸的計(jì)算。在詳細(xì)分析工作缸的結(jié)構(gòu)后，決定在缸底位置處設(shè)置工作缸進(jìn)油口，在工作缸下部位置設(shè)置下油口，從而使安裝施工變得更加方便。在選擇油口尺寸時(shí)，以油管直徑為依據(jù)，油管通油直徑的流速設(shè)置為3m/s左右，使壓力損失降到最低，將噪音和振動(dòng)控制到最少。在分析管道內(nèi)油流動(dòng)速度時(shí)，需要滿足以下條件。吸油管道的流動(dòng)速度保持在2m/s以內(nèi)，壓油管道的流動(dòng)速度保持在5m/s，如果壓力比較高，油流動(dòng)速度也會(huì)隨之升高；反之，油流動(dòng)速度就會(huì)降低。對(duì)于管道的局部收縮位置來說，其取值要保持在5～7m/s；回油管道的取值要保持在1.5～2m/s，活塞工作速度設(shè)置為10mm/s。依據(jù)上述數(shù)據(jù)來完成油孔直徑計(jì)算，快速進(jìn)入時(shí)的速度為300mm/s，缸底進(jìn)油口的內(nèi)徑使用以上公式計(jì)算：即

式中，V為空行程速度

Dt為柱塞直徑

缸底進(jìn)油口直徑為?244mm

式中，缸內(nèi)液體壓力設(shè)置為p；缸的內(nèi)半徑設(shè)置為r1；缸底厚度設(shè)置為T；缸底因開孔而引入的削弱系數(shù)設(shè)置為?。

按這種方法計(jì)算，許用應(yīng)力為[σ]= 1 60MPa。

所以σ≤[σ]。

2.2 液壓缸的支承型式

（1）法蘭支承：在橫梁上安裝液壓缸時(shí)，使用法蘭支撐完成安裝施工，確保缸外壁上環(huán)形面積與橫梁保持緊密接觸。在缸內(nèi)進(jìn)入高壓液體后，通過橫梁與法蘭的接觸面，使得反作用力及時(shí)地傳輸?shù)綑M梁上，在橫梁上固定液壓缸時(shí)，使用法蘭完成施工。對(duì)于有些液壓機(jī)來說，橫梁上嵌著缸的法蘭，使用壓環(huán)將其固定結(jié)實(shí)，將法蘭上開螺栓孔的問題被徹底地避免掉，高效地控制法蘭外徑，法蘭受力到達(dá)到最佳狀態(tài)，但是，在檢查橫梁與法蘭的接觸情況時(shí)，則會(huì)十分的麻煩。

取法蘭外徑Df=1600mm。

（2）缸底支承：在橫梁上固定液壓缸時(shí)，需要設(shè)置法蘭，將法蘭過渡區(qū)應(yīng)力集中的問題徹底地解決，將缸體毛坯的尺寸控制到最小。當(dāng)壓機(jī)高度發(fā)生改變后，橫梁與缸底接觸的情況無法做到高效的控制。有些液壓機(jī)使用柱塞或者是活塞來固定，活動(dòng)橫梁與液壓缸共同運(yùn)動(dòng)也被劃分到缸底支承的范圍里。

（3）對(duì)于柱塞與活動(dòng)橫梁來說，連接形式主要有兩種，分別為球面支承連接和剛性連接。將剛性連接的結(jié)構(gòu)柱塞下端插入活動(dòng)橫梁中，二者之間不會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況出現(xiàn)，在偏心加載時(shí)，活動(dòng)橫梁和柱塞在失去平衡后，活動(dòng)橫梁的部分偏心力矩會(huì)被傳遞到液壓缸的導(dǎo)向位置處，使得部分側(cè)向水平推力也會(huì)隨之傳遞到導(dǎo)向部分位置處，使得密封和導(dǎo)向銅套的磨損變得越來越嚴(yán)重。

2.3 導(dǎo)套及密封

在柱塞反復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，導(dǎo)套起到了積極的導(dǎo)向作用，使用抗壓耐磨青銅來鑄造導(dǎo)套。在柱塞式缸里，工作柱塞直徑與導(dǎo)套長(zhǎng)度的比值通常為0.5～1.0，大液壓缸數(shù)達(dá)到最小值。對(duì)于密封材料來說，其性能要滿足以下條件。在一定的溫度范圍內(nèi)始終保持穩(wěn)定性，與工作介質(zhì)不相溶，接觸金屬以后，不會(huì)出現(xiàn)任何的反應(yīng)，永久變形的概率比較小，具有較好的彈性。對(duì)于密封材料來說，其種類非常多，常見的有耐油橡膠、聚氨酯橡膠、氯乙烯和夾布橡膠等。

（1）如今使用的液壓缸材料中，最普遍的新型橡膠材料為聚氨酯橡膠，其化學(xué)性比較穩(wěn)定，具有超強(qiáng)的彈性和強(qiáng)度，且耐油、耐高溫、耐高壓。

（2）在使用的耐油橡膠和夾布橡膠中，丁腈橡膠的使用范圍最廣泛，彈性比較好，夾布橡膠主要使用在水壓機(jī)中。

（3）氯乙烯具有較強(qiáng)的耐磨性，強(qiáng)度比較大，摩擦力比較小，但是，其彈性不是很理想。液壓機(jī)密封主要包括相對(duì)運(yùn)動(dòng)件表面間的動(dòng)密封和固定件表面間的靜密封兩種形式，靜密封主要使用于組合式缸、閥套與閥座、管接頭等接縫位置處；動(dòng)密封主要使用于柱塞、閥、液壓泵柱塞或者是活塞與缸等位置處。密封件的型式比較多，最常見的有O形、Y形、U 形、V形等，在這里選用Y形夾布橡膠。

2.4 橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于橫梁結(jié)構(gòu)而言，主要包括活動(dòng)橫梁、下橫梁和上橫梁等三種形式。橫梁結(jié)構(gòu)的主要類型為上封閉、下封閉的箱形，在立柱、柱塞和缸等位置處，通常會(huì)使用圓筒形，使用筋板將其與橫梁面板緊緊地連接在一起。承載比較大的位置處，筋板的密度也會(huì)隨之增加，不斷提升橫梁的剛度，將局部應(yīng)力降到最小，輻射形和網(wǎng)格形是筋板布置的主要類型。為了使橫梁構(gòu)件變形得以高效地控制，不管是焊接結(jié)構(gòu)，還是鑄造結(jié)構(gòu)，都需要使用熱處理的方法進(jìn)行處理，從而使內(nèi)應(yīng)力得到有效的消除。整體結(jié)構(gòu)形式是中小型液壓機(jī)橫梁的主要形式，大型液壓機(jī)的橫梁會(huì)受到制造情況和運(yùn)輸能力的制約，會(huì)以組合的形式存在，使用拉緊螺栓將其有機(jī)地連接在一起。鑄造結(jié)構(gòu)的橫梁要控制好各部分的厚度，不能出現(xiàn)突然的變化，要科學(xué)合理地設(shè)置鑄造技術(shù)所需要使用到的出砂孔。橫梁出現(xiàn)疲勞裂縫的主要原因?yàn)槌錾翱姿闹艿膽?yīng)力過于集中，橫梁中性層是布置出砂孔的主要位置，盡管此處的彎曲應(yīng)力不存在，但是，剪應(yīng)力卻比較大。以開有長(zhǎng)圓孔的小單元體為例進(jìn)行分析，該單元體在剪切變形后，受力的主傳力筋上最好不要設(shè)置出砂孔，同時(shí)，確保出砂孔與應(yīng)力最大的區(qū)域保持一定的距離，尺寸要合理地控制，以圓形為主，增設(shè)加強(qiáng)圈在孔邊位置處。

2.5 壓套導(dǎo)向

從運(yùn)動(dòng)學(xué)方面出發(fā)，受油缸和導(dǎo)軌面的影響，沿著導(dǎo)軌長(zhǎng)度方向的一個(gè)自由度上會(huì)有滑塊和活塞存在。一般情況下，會(huì)在橫梁上固定油缸，油缸孔與活塞有效地配合，所以不能對(duì)其進(jìn)行任何的調(diào)節(jié)。在滑塊導(dǎo)向位置處設(shè)置能夠使滑塊前后、左右調(diào)節(jié)的功能，其調(diào)整范圍使累計(jì)誤差給精度造成的影響得到高效的補(bǔ)償。在設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時(shí)，要采取有效的措施對(duì)沿運(yùn)動(dòng)方向的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。從導(dǎo)軌受力的角度來分析，導(dǎo)軌面上承受的力主要是機(jī)架在受力變形后，給導(dǎo)軌面造成的偏心力和水平力等，還包括在該力影響下的附加水平力在其中，因此，導(dǎo)軌的寬度和長(zhǎng)度要滿足設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，確保導(dǎo)軌面上的比壓值要始終保持在允許值的標(biāo)準(zhǔn)中。與其他機(jī)身導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)理念相同，要將導(dǎo)軌的潤(rùn)滑問題和材料選擇問題放在重要的位置上，對(duì)于校正壓裝液壓機(jī)、粉末冶金、塑料制品等高壓行程較小、高壓行程速度控制在20mm/s的液壓機(jī)來說，油杯加油潤(rùn)滑的方法比較常見。對(duì)于高速?zèng)_裁、薄板拉伸和金屬擠壓等高壓行程較長(zhǎng)、高壓行程速度較大的全自動(dòng)或者是半自動(dòng)液壓機(jī)來說，通常會(huì)采取稀油強(qiáng)制潤(rùn)滑的方法。與此同時(shí)，在開展設(shè)計(jì)工作時(shí)，要高度重視工藝過程中出現(xiàn)的熱變形問題，熱變形會(huì)給導(dǎo)軌間隙帶來不同程度的影響。

3 結(jié)語

隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的廣泛建設(shè)，大、中、小型波形鋼腹板橋梁更加普遍，對(duì)產(chǎn)品品種的需求也越來越多，為了使中小批量生產(chǎn)得到滿足，加工設(shè)備要盡量調(diào)整到最佳的狀態(tài)下，在所有的成型工藝設(shè)備中，將液壓機(jī)打造成最理想的設(shè)備。液壓機(jī)系統(tǒng)的壓力和行程速度能夠單獨(dú)調(diào)整后，為復(fù)雜工件和不對(duì)稱工件的制作創(chuàng)造了最佳的機(jī)會(huì)，且廢品率比較低，同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)高強(qiáng)度、難成型、長(zhǎng)行程材料的加工制作。與機(jī)械加工系統(tǒng)進(jìn)行比較，液壓機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)越性比較高，將加工時(shí)間縮減到最少，能夠依據(jù)需要調(diào)整動(dòng)力組合模式。