CDZ50米登高平台消防车液压缸设计

一、概述液压缸是液压系统中的执行机构，在工程机械，登高平台消防车及高空作业车等多种类型机械中获得广泛应用。CDZ50米登高平台消防车（以下称CDZ50）的伸缩、变幅、折臂、支腿机构都是由液压缸执行。为了使登高平台消防车既有尽可能小的纵向尺寸，又有可能大的作业范围，它的臂架具有伸缩功能，犹如电视机的伸缩天线，只是臂架断面是四边形，它们是由一只伸缩液压缸和钢丝绳滑轮组成机构完成五节臂同步伸缩。变幅液压缸可使登高平台消防车臂架作俯仰动作，以改变作业平台到回转中心的距离（幅度），这就叫变幅。折臂液压缸是调整作业平台的工作位置。支腿通常由水平液压缸的垂直液压缸构成，称“H”型支腿，它由八个液压油缸分别驱动。支腿不仅能承受作业时的总重，还能大大提高整机作业时的稳定性。如图1 上述四种机构所用的液压缸原理基本相同，本文主要通过对CDZ50变幅液压缸原理的分析和设计找到液压缸设计的方法。二、液压缸的形式直线运动的液压缸有两类即活塞式（图2a）和柱塞式（图2b）。活塞式液压缸多是双作用的，即活塞的伸出和缩回均靠液压力作用，双作用液压缸又分单活塞杆和双活塞杆的。柱塞式液压缸只能是单作用的，即柱塞伸出靠液压力而缩回则靠负载自重、重物或弹簧等。登高平台消防车大都采用双作用活塞式单杆液压缸。三、液压缸的结构图2a所示为CDZ50变幅液压缸结构，它是由缸底2、缸筒 8、缸盖16、导向套15以及活塞7和活塞杆9等主要部件组成。缸筒一端与缸底焊接，另一端则与缸盖采用螺纹连接，以便拆装检修，两端设有油口A和B。活塞与活塞杆采用螺纹连接，结构紧凑便于装卸。缸筒内壁表面粗糙度要求较高（0.4），为了避免与活塞直接发生摩擦而造成拉缸事故，活塞上套有支承环4，它通常是由聚四氟乙烯或尼龙等耐磨材料制成，但不起密封作用。缸内两腔之间的密封是靠活塞内孔的O形密封6，以e外缘安置的两个组合密封（格来圈）来保证，活塞杆表面同样具有较高粗糙度（0.2），为了确保活塞杆的移动不偏离中心线，以免损伤缸壁和密封件，并改善活塞杆与缸盖孔的摩擦，特在缸盖一端设置导向套15，导向套内孔上套有支承环10，还有防止油液外漏的组合密封（斯特封）12和Y_X型密封圈13，这两道密封可以防止由于加工误差造成活塞杆渗油现象。考虑到活塞杆外露部分会粘附尘土，故缸盖孔口处设有防尘圈17。在缸底和活塞杆顶端上安装有油嘴1，为工作机构连接用的销轴提供润滑油。此外为了减轻活塞在行程终了时对缸底的冲击，缸底端设有缝隙<流缓冲装置，当活塞快速运行临近缸底时，缸底端部的缓冲柱塞将回流堵住，迫使剩余油液只能从柱塞周围的缝隙挤出，于是活塞速度迅速减慢实现缓冲。四、液压缸的细部构造液压缸主要由缸筒、缸底、缸盖、活塞、活塞杆、导向套和缓冲装置等构成。如图2a ，下面我们介绍液压缸主要零部件的材料选择、工艺要求、构造特点。 1、缸筒活塞式液压缸缸筒内壁要求精加工，所以它的工艺要求较高，具有一定难度。目前国内缸筒内孔的加工，主要采用热轧无缝钢管的镗削工艺和冷拨无缝钢管的珩磨工艺。热轧管材的镗削加工工艺过程为：粗镗     →精镗→浮镗→滚压（简称三镗一滚），国内同行业缸筒的加工普遍采用这种工艺过程。工艺要求如图3所示，缸筒内径r般用H8配合，表面粗糙度0.4。外表面一般不加工。装配作业时为了不损伤活塞和导向套上的密封圈，在缸筒的入口处和有密封圈滑过的孔槽口均做成15°的坡口。坡口口径D^′要保证大于密封圈的自由尺寸。缸筒的材料通常采用45号无缝钢管。45号钢的切削性能较好，但焊接性能较差，焊接时必须严格执行焊接工艺。此外，缸筒内径D的圆度，圆柱度不大于公差直径的一半，缸筒内表面直线度在500mm长度上不大于0.03mm。对形位公差和表面粗糙度和控制能有效避免液压缸的泄漏。因为目前大多数密封都属于挤压形密封，缸殖差后直接影响密封件的压缩量，压缩量的不均匀可导致密封渗漏。2、缸底缸底可用35号或45号钢的锻件、铸件、圆钢或焊接件制作，缸底与缸筒的主要连接形式有：焊接式、螺纹式。如图4，CDZ50变幅压缸的缸底连接形式采用焊接式。缸底材料主要以45号钢锻造成型。图4a为焊接形式其特点是构造简单，易加工，尺寸小，工作可靠。为了控制焊接变形，缸底嵌入缸筒的部分应采用较紧的过渡配合（H7/K6）活塞终点要离开焊缝一定的距离约（20mm以上）。图4b是螺纹连接，尺寸略大，不适宜大口径连接，但可拆，清洗方便。3、导向套导向套可选用球墨铸铁、铝青铜或45号钢加支承环制成，从降低成本角度考虑目前导向套大都采用钢材经加工后内孔安装支承环。导向套在结构上不仅要解决与缸筒的密封问题，而且必须考虑与活塞杆的密封和防尘问题，它能保证活塞往复运动过程中不偏离轴心线，以免产生“拉缸”现象，并保证活塞和活塞杆密封件能正常工作。导向套滑动支承面的长度通常取活塞杆直径的0.6～1.0倍。图5是导向套的三种形式。图5a是导向套与缸筒用卡键连接，图5b通过缸盖外螺纹与缸筒连接，图5c是缸筒与导向套内螺纹连接。4、活塞杆无论是柱塞式还是活塞式液压缸，它们的活塞杆（或柱塞）都有较高的加工精度，其表面还有0.03mm～0.05mm厚的镀铬层以提高耐磨性和抗腐蚀性。对于工作条件恶劣的环境I活塞杆表面先进行表面淬火后再镀铬，以提高表面硬度，抵御外来的撞击。活塞杆常用45号元钢或无缝钢管做成实心杆或空心杆，活塞杆强度一般是足够的，主要是考虑细长活塞杆在受压时的稳定性，大多活塞杆采用空心杆增大断面模数，空心活塞杆一端留出焊接和热处理用的通气孔。活I杆外径公差是f9。如图6，CDZ50变幅液压缸选用如图6b的结构形式。5、活塞活塞也有多种结构，通常I通过螺纹或卡键与活塞杆相连。图7a是整体式活塞，它的表面直接与缸筒壁配合，兼起导向作用，工艺上有一定要求且必须是铜或铸铁等耐磨材料，尽管它的结构简单，由于摩擦力较大，寿命较短等原因已逐渐少用。图7b是组合式活塞；活塞本体与缸壁不接触，通过与它组合在一起I耐磨材料尼龙或聚四氟已烯与缸筒接触，并起导向支承作用。导向材料对称安装在活塞两端，同时在O形密封圈外面套一个与支承环同样材料的摩擦环，使O形密封圈脱离与缸壁的滑动摩擦，基本上成为固定密封，故提高了密封件的使用寿命。活塞与活塞杆之间为间隙I合，配合面之间的密封为固定密封，采用O形圈密封，密封槽通常开设在活塞杆上，这样加工比较方便。6、缓冲装置液压缸在运动速度高或负载质量大的情况下，当活塞快速制动或换向时，会产生液压冲击。冲击时的压力可达工作压力的二至四倍，液压冲击会引起整机的振动和噪声，甚至引起有关机械的破坏。因此在设计液压缸时常用节流原理在缸体里设置缓冲装置。如图8，当活塞移至其端部时缓冲柱塞开始插入杆端的缓冲孔槽，活塞杆尾部与缸筒之间形成封闭空间A，A腔中受困挤的剩余油液只能从缓冲柱塞与孔槽之间的节流环缝中挤出，因而在A 腔形成一个高压区迫使液压缸降低速度实现液压缓冲。图9是缓冲柱塞和缓冲腔压力的曲线。五、液压缸的密封漏油是液压传动的多发病，漏油有内泄和外漏之分。所谓内泄是发生在液压缸内部的漏损，如高压无杆腔的压力油通过活塞与缸壁间的间隙流向低压的有杆腔进入油箱，外漏则是油液漏出液压缸外部。如油液沿活塞杆漏到液压缸的外部。内泄和外漏都是不允许的。目前防外漏的办法是采用各种形式的密封装置，密封形式很多选择主要介绍。1、间隙密封间隙密封是利用相对运动件之间的微小间隙起密封作用的。液压统中的液压泵和各种控制阀大多采用这类密封，液压缸基本不使用这种密封。在这里不再过多叙述。2、接触密封接触密封又叫填料密封，填料被充填在两>需要密封的零件之间，靠密封件本身的弹性变形实现密封。在一定压力范围内，其密封能力随压力升高而提高。在磨损后还有一定的自动补偿能力。接触密封的形式颇多，仅介绍液压缸中使用的几种密封。⑴O形密封圈O形密封圈断面为圆形，它由耐油橡胶等材料制成。它可以用在两个固定面之间也可用在两个相对运动面之间起密封作用。图10是它的密封机理，O形圈装入密封槽后，由于槽深H小于O形圈断面直径d₀使O形圈受压缩状态，见图10a，此时靠O形圈自身的弹性接触压力自行密封；当弹性接裳沽Pm比流体压力P₁大时，就不会造成泄漏。避免液压过高时O形圈被挤入密封槽的间隙中损坏。当O形圈用作运动密封时液体压力超过10MPa。若O形圈是单向受压的，在它的非受压侧加一个挡圈，若是双向受压，则在它的两侧各加一个挡圈，见图10b、c，用在端面固定密封时，由于间隙C较小液体压力没超过30Mpa时，一般不加挡圈。O形圈及其挡圈的规格以及沟槽尺寸均有标准，可从有关设计手册中查阅。由于O形圈密封阻力较大，自动补偿能力差，在液压缸中常常用于固定密封，运动面间密封大多采用唇形密封。⑵ 唇形密封圈唇形密封圈也有多种形式，现以常用的Y_X形密封圈来说明它们的机理。Y_X形密封分轴用和孔用两种，孔用密封圈用于活塞与缸筒之间的密封，轴用密封圈用于活塞杆与导向套之间的密封，Y_X形密封中间有一个凹座，凹座朝向被密封的液体，因此液压就通过唇部直接作用于部分密封面上。通常其底部不与周围的部件接触，i密封圈侧面自底部至唇部开始是相平行。压力升高时，唇口在压力作用下向外扩展，使唇边更紧地贴合密封面，随着压力的进一步升高，更大部分的密封面与周围部件相接触。图11画出各种压力作用下唇形密封圈的典型变形率。⑶    组合密封组合密封是一种较理想的密封，通常将改性的聚四氟乙烯制成滑环和O型圈一起安装在密封槽里组成。滑环在O形密封圈预应力作用下，始终保持与密封面产生接触压力保证密封。组合密封分孔用组合滑环（格莱圈）如图12a和轴用组合滑环（斯特封）如图12b，组合密封的结构形式，密封机理，材料选择都与其它密封不同，是一种较新的密封形式。目前国内外大多数厂家普遍采用这种密封。有关沟槽尺寸可以从产品样弥胁榈健六、液压缸设计计算1、液压缸的作用力和布置方式根据总蒙杓疲CDZ50登高平台消防车用于改变臂架幅度的变幅液压缸的最大推力F₁=61191.98kg，液压缸系两端铰支，液压缸全缩时两端铰点距离L₁=2242mm，工作行程L₂=2087mm，臂架停止动作时变幅液压缸进出口闭死，此时液压缸内的封闭压力叫闭锁压力。2、液压缸缸径的计算液压缸的缸径指缸筒的内径，它决定了液压缸的推力和推出速度。工作时因回油管直接与液压油箱相通，回油压力P_O=0，液压系统最高工作压力P=21Mpa，则缸筒内径：D==19.762cm = 197.62mm取D=200mm其中：D——缸筒的内径F₁——液压缸最大推力      P——液压缸最高工作压力      η——液压缸总效率，通常取η=95%3、液压缸壁厚计算：当壁厚δ大于缸径的即δ＞时，按厚壁筒公式计算：δ=当臂厚δ小于或等于缸径D的时,按薄壁筒公式计算,δ=式中：P——液压缸最大工作压力（MPa）[σ]——许用应力（Mpa），[σ]=，其中，σ_b为材料强度极限，n 为安全系数；通常取n=3.5～5，δ——缸筒的壁厚（mm）45 号钢的强度极限σ_b=650Mpa，对于臂架式登高平台消防车，属中型工况，故安全系数为4，对应的[σ]=。变幅缸闭锁压力：P^′=闭锁压力P^′小于最高工作压力P=21Mpa，所以计算壁后应以P作为最大工作压力，闭锁压力小于工作压力常采用薄壁公式计算：δ=用薄壁筒公式正确。参照无缝钢管系列（YB231-77） ，并考虑留有加工余量，选用φ245×25无缝钢管。4、活塞杆计算通常由速比μ算出，速比是液压缸缩回速度与伸出速度之比即μ=。速比总大于1，速度比o大，活塞杆径越大，越有利于活塞杆稳定性通常μ在1.25～2范围内变化。考虑到活塞杆的稳定性和强度，常取μ=2。d=Dmm式中： d——活塞杆外径D ——缸筒内径μ——速度比取d=140mm；参照无缝钢管系列，选用φ152×25钢管5、最小导向长度H的确定：活塞杆全伸时，活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离叫最小导向长度H（见图13）。通常H≥+。图中活塞支承面长度B=（0.6～1.0）D，导向套滑动面长度A=（0.6～1.0）d，中间隔套C可在不过分增加A和B 的情况下保证最小导向长度。CDZ50变幅液压缸最小导向长度：H≥mm其中：L₂——液压缸工作行程D——液压缸缸筒内径H——最小导向长度6、活塞杆稳定性校核：当受压作用液压缸的活塞杆直径d小于液压缸安装长度L的十分之一时，须进行压杆稳定性校核，要求达到：F₁＜ 式中：F₁——液压缸承受的最大压力F_k——液压缸不失稳的临界负载η_k——安全系数，η_k=2 ～4当ψ=时，用欧拉公式计算临界力F_kF_k=(N)当ψ<ψ₂ 时，按下式计算：F_k=(N)CDZ50变幅缸：L=L₁+L₂=2242+2087=4329(mm)d=140mm，系两端铰支，查表ψ₂=1J=(其中：d₁=102mm活塞杆内径) ==13544033.46（mm）⁴A===7222.52（mm）²r_k===43.304(mm)ψ=>ψ₁=85采用欧拉公式计算临界力：F_k==14.49×10⁵(N)n==2.37>2   稳定性合格式中：ψ——活塞杆计算柔性系数      ψ₁——柔性系数，对于钢ψ₁=85      ψ₂——取决于液压缸支承状况的末端系数（又称长度折算系度），由设计手册查取。       r_k——活塞杆横截面最小回转半径，r_k=(mm)       E——活塞杆材料的弹性模量，对于钢E=2.06×10⁵Mpa       J——活塞杆横截面惯性矩（mm⁴）       A——活塞杆横截面面积（mm²）       F ——由材料强度决定的试验值，对于钢取f=490Mpa       α——系数，对于钢取α=以上计算都将变幅油缸看作一个等截面杆，实际上，缸体的截面总是大于活塞杆的，整个变幅缸是一个变截面构件，因此上述计算结果偏于安全的，要作较为经济的计算g应按变截面杆件计算临界力，此处不再论述。7、活塞杆强度校核压杆不失稳的液压缸不一定就不会破坏，还有活塞杆的强度问题，因此必须按下式作强度校核：变幅缸： σ=                            =85.91Mpa〈=180Mpa算得CDZ50变幅液压缸的强度校核合格。式中：σ——计算应力（MPa）σ_S——活塞杆材料屈服极限，对于45号钢σ_S=360Mpaa———由配合间隙和自重引起的液压缸初挠度，通常取0.5%F₁、A、F_k、d、L意义同前。